梁芝君， 王志強*， 夏 天， 趙天長

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京210037；2.江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京210012)

正交膠合木(Cross-laminated timber，CLT)起源于20世紀90年代奧地利，是一種至少由涂有三層或三層以上結(jié)構(gòu)用膠黏劑的實木鋸材或結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復合材相鄰層相互垂直組坯加壓預制而成的工程木產(chǎn)品[1]。CLT相鄰層相互垂直的構(gòu)造給CLT帶來了結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使CLT具有良好的雙向力學性能并提高了尺寸穩(wěn)定性。同時，CLT還具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，良好的抗震性能和綠色環(huán)保等特點，目前CLT在建筑領域主要作為墻體、樓蓋等結(jié)構(gòu)構(gòu)件運用。近10年來，全世界CLT產(chǎn)量迅猛增長，廣泛應用于中高層木結(jié)構(gòu)建筑[2]，如加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學18層學生公寓和挪威布魯蒙達爾Mjstrnet大樓。我國CLT材料應用正在積極發(fā)展中，山東鼎馳木業(yè)有限公司采用CLT樓板與膠合木柱組合的結(jié)構(gòu)形式，已建成6層研發(fā)中心大樓，大樓高23.55 m。

中高層建筑火災危害相比低層建筑更為嚴重，隨著CLT作為墻體、樓板構(gòu)件的中高層木結(jié)構(gòu)建筑材料的發(fā)展，高溫下CLT膠黏劑性能成為重要的關(guān)注點。實木在火災下的炭化行為已被很好理解，但CLT構(gòu)造特征(正交結(jié)構(gòu)、層板間縫隙、層板側(cè)邊是否施膠)等因素為CLT火災下行為的研究帶來挑戰(zhàn)。高溫下CLT膠黏劑性能研究對CLT構(gòu)件防火性能及CLT建筑和中高層木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展具有重要意義。本文總結(jié)了目前高溫下CLT膠黏劑性能研究的進展及測試方法，以期為國內(nèi)對高溫下CLT膠黏劑性能的研究提供參考。

1 火災中CLT膠黏劑的性能

當木材暴露于火中，將在288～300 ℃形成炭化層，平均炭化速度約0.6 mm/min。炭化層能夠阻止氧的供給，同時其熱傳導速率僅為木材的1/4～1/3，能起到保護內(nèi)層的作用。由于炭化層的保護，木材內(nèi)部未炭化截面在較低溫度下可繼續(xù)承受荷載[3-4]。

由于膠黏劑的存在，CLT在高溫下的行為與實木不同，CLT材料防火性能與所使用的膠黏劑密切相關(guān)?；馂闹?，當炭化逐漸深入，熱波接近膠層，高溫使膠黏劑性能降低，從而可能導致CLT分層發(fā)生。分層后的炭化層不再能夠充當隔熱層，氧氣能達到未炭化的層板，使得已預熱的層板暴露在更高熱流密度中，這為火災提供了更多可燃物，會導致 CLT將以更高的速率炭化。已有研究表明，在艙室火災試驗中，分層可能導致第二次閃燃(secondary flashover)[5]，現(xiàn)有研究均強調(diào)了對高溫下CLT膠黏劑性能研究的重要性。Mc Gregor[6]進行了CLT艙室火災試驗，試驗中由于CLT發(fā)生分層，新的層板接觸到火焰，CLT墻體燃燒，導致燃燒熱釋放速率增加、火災持續(xù)時間延長。Emberley等[7]利用加熱器將一系列熱通量作用于CLT試件，研究CLT的自熄能力。研究表明當CLT發(fā)生分層，炭化層或?qū)影迕撀鋵е绿炕瘜痈魺嵝越档停瑢影灞┞对谳^高熱流密度下，質(zhì)量損失率數(shù)據(jù)出現(xiàn)峰值，如圖1所示。

圖1 高溫下CLT質(zhì)量損失率隨時間的變化

受熱膠層發(fā)生弱化，造成CLT復合作用減弱，將對CLT雙向力學性能、結(jié)構(gòu)性能和炭化行為均造成影響[8]。已有研究表明，高溫下膠黏劑弱化，隨著膠層溫度升高，CLT破壞模式由木材破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層破壞。Emberley等[9]將PUR制成的5層CLT通過 6 kW/m2天然氣輻射板加熱2 h，使CLT一側(cè)膠層溫度達到65～80 ℃，并進行三點彎曲試驗。加熱后的CLT破壞開始于橫向?qū)訚L動剪切破壞，加熱一側(cè)當裂縫接近膠合界面時，膠層發(fā)生分層，而試件遠離加熱區(qū)部分的滾動剪切裂縫始終保持在橫向?qū)又?，未發(fā)生膠層破壞。Nicolaidis等[10]進行了20～150 ℃大型PUR膠合試件拉伸剪切試驗，研究表明CLT因溫度升高破壞模式轉(zhuǎn)變的區(qū)間為80～110 ℃。在這個區(qū)間，破壞模式由木材破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層破壞。Wiesner等[11]對CLT施加恒定荷載，進行高溫下彎曲試驗，觀察撓度變化。由于膠黏劑在高溫下復合作用下降，CLT梁冷卻后，未有加熱過程中產(chǎn)生撓度恢復現(xiàn)象。因而在工程中，設計者期望高溫條件下膠黏劑性能不低于實木性能；火災情況下，CLT能夠以一致的炭化速率通過膠層，從而避免CLT復合作用下降和分層發(fā)生。

2 高溫下CLT膠黏劑性能測試方法

現(xiàn)有高溫下CLT膠黏劑性能測試方法可分為三類，分別為：全尺寸艙室測試方法(如ANSI/APA PRG 320-2019)、小型火焰測試(如CSA O177-06(R2015))和高溫下膠黏劑剪切強度小尺寸測試(如ASTM D7247-2016)。這三種方法各有側(cè)重，其中ANSI/APA PRG 320-2019中的全尺寸艙室試驗旨在評價CLT板整體性能，排除火災降溫階段CLT炭化層脫落而導致火災重新發(fā)展的膠黏劑。相比全尺寸艙室試驗，CSA O177-06(R2015)中的小型火焰測試更加經(jīng)濟，可簡易評價CLT膠層在火焰條件下的表現(xiàn)。小尺寸剪切測試能獲得更詳細的膠黏劑性能，有助于膠黏劑配方改進和建立有限元分析模型預測CLT膠層在火災條件下的分層風險。

2.1 全尺寸艙室測試方法

北美CLT規(guī)范ANSI/APA PRG 320-2019強制要求執(zhí)行艙室試驗評估高溫下CLT用膠黏劑的性能[12]。試驗采用5層CLT，尺寸為2 438 mm(弱軸)×4 877 mm(強軸)，要求層板厚度≤35 mm，寬度≤184 mm，層板之間無縫隙和側(cè)邊施膠。試驗對無防火材料保護的CLT樓板施加靜態(tài)荷載240 min，荷載值為容許應力設計狀態(tài)25%平面彎矩的對應荷載。要求在火災完全發(fā)展的冷卻階段CLT炭化層不脫落，也不會導致艙室內(nèi)溫度顯著升高，即試驗開始150 min后至試驗終止前，艙室頂處的熱電偶溫度不超過510 ℃。

2.2 小型火焰測試方法

ANSI/APA PRG 320-2019及其相關(guān)標準要求膠黏劑通過CSA O177-06(R2015)中的小型火焰測試，該測試方法最初適用于膠合木測試，目前也用來進行CLT膠黏劑性能測試，試驗裝置如圖2(a)所示[13]。試驗選用樹種為落葉松或南方松[14]，制作8層CLT試件，每層層板厚20 mm，內(nèi)部6層層板側(cè)面不施膠，試件尺寸為160 mm(高)×150 mm(寬)×40 mm(長)。將CLT試件與垂直方向成30°裝入夾具中，使膠層暴露于燃燒器火焰中，火焰中心與CLT表面接觸。調(diào)整天然氣輸入，使燃燒器產(chǎn)生火焰高度約64 mm，火焰溫度800～900 ℃。試件暴露火焰5 min后，立即旋轉(zhuǎn)試件180°，繼續(xù)灼燒5 min。再將試件移開火焰，在不影響炭化表面的情況下熄滅燃燒表面的火焰。試驗結(jié)束后，將試件垂直于膠層對稱切開，測量炭化區(qū)域內(nèi)5層膠層分層總長度，如圖2(b)所示。試驗要求針葉材和闊葉材分層總長度分別不超過3 mm和5 mm。

圖2 小型火焰測試方法

2.3 小尺寸剪切測試方法

ANSI/APA PRG 320-2019 及其相關(guān)標準[14]要求膠黏劑通過ASTM D7247-2016[15]的小尺寸膠合剪切測試。試驗目標溫度高于木質(zhì)復合材料生產(chǎn)中通常使用的熱壓溫度，低于木材著火點。試驗制備膠合試件(由兩塊鋸材膠合制成)與相同幾何形狀的實木試件進行高溫剪切試驗，試件如圖3所示。使用烘箱加熱試件，加熱時間控制為30～90 min，達到目標溫度后保溫10 min，再以5 mm/min加載速度加載試件至破壞。此外要求試件離開烘箱后至試件加載失效前，膠層及剪切面溫度下降不超過5 ℃。試驗結(jié)束后計算試驗前后試件質(zhì)量損失率、膠合試件和實木試件的剩余抗剪強度比(高溫下平均剪切強度與室溫下平均剪切強度之比)。標準建議膠合試件平均剩余抗剪強度比不低于實木試件平均剩余抗剪強度比的95%置信區(qū)間。

圖3 高溫下膠黏劑剪切強度試驗試件

一些研究者采用了其他測試方法進行高溫下膠黏劑性能測試。Zelinka等[16-17]采用搭接剪切試件，如圖4所示。該試件由兩塊木材搭接膠合而成，進行拉伸剪切試驗。試驗溫度設置為100 ℃、140 ℃、180 ℃、220 ℃和260 ℃。試驗在環(huán)境箱中進行，當試件熱電偶達到目標溫度后，以1 mm/min速度進行加載，利用DIC技術(shù)獲得應變及位移。Zelinka等提出對試件施加CLT樓蓋抗剪承載力設計值對應荷載，再將試件加熱到火災條件，直至失效。即在恒定載荷下，溫度升高直至膠層發(fā)生分層破壞。這種加載方法模擬了膠層在火災下的受力情況，相比于加載至破壞的試驗方法，這種加載方法更接近火災真實情況，但升溫過程的溫度上升速率仍有待研究。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 膠黏劑種類

已有研究表明，高溫下膠黏劑性能下降，膠黏劑在高溫下的性能取決于膠黏劑的化學組成。Clau?等[18]進行膠黏劑剪切強度小尺寸測試，研究不同膠黏劑(UF、MF、MUF、PRF、PVAc、EPI、單組分PUR)在高溫下(20～220 ℃)的剪切性能。研究表明，MF、PRF、MUF在所有溫度下均達到優(yōu)異的剪切強度，單組分PUR組內(nèi)由于成分不同而表現(xiàn)出較大性能差異。熱塑性聚合物基團膠黏劑PVAc在50 ℃左右強度驟降，UF在220 ℃完全失效，EPI于200 ℃發(fā)生膠層破壞，由于EPI中PVAc成分的存在，EPI表現(xiàn)出部分熱塑性行為。Frangi等[19]研究了5種PUR在高溫下膠合剪切強度，PUR組內(nèi)高溫下膠合剪切性能差異顯著，研究同樣得到不同單組分PUR在高溫下的剪切行為強烈依賴于膠黏劑種類的結(jié)論。George等[20]在結(jié)構(gòu)膠黏劑蠕變效應研究中發(fā)現(xiàn)，PUR試件在40～80 ℃范圍內(nèi)模量顯著下降，從2 300 MPa下降至1500 MPa。PRF試件在175 ℃前模量穩(wěn)定在2 250 MPa，175 ℃后開始下降。Gong等[21]將PUR膠合試件加熱2 h后進行剪切測試，隨著溫度從20 ℃升高至230 ℃，膠合剪切強度下降41.3%。

由于高溫下膠黏劑性能取決于其化學組成，通過儀器分析方法評價高溫下膠黏劑化學結(jié)構(gòu)變化，是了解高溫下膠黏劑弱化機理與規(guī)律的有效方法，也便于廠商改進膠黏劑配方。一些研究者利用傅里葉紅外光譜法研究高溫下PRF、MUF的化學結(jié)構(gòu)變化，并利用掃描電子顯微鏡觀察膠層區(qū)域微觀變化。研究發(fā)現(xiàn)，PRF在20～150 ℃之間化學結(jié)構(gòu)無明顯變化。150 ℃以上，PRF開始熱解，發(fā)生進一步交聯(lián)，醚鍵、亞甲基橋斷裂，但化學結(jié)構(gòu)仍較完整。MUF在20～150 ℃時化學結(jié)構(gòu)無明顯變化，溫度高于200 ℃時羥甲基特征峰減弱、異氰酸酯基團產(chǎn)生，熱降解劇烈。20 ℃時，由于MUF滲透木材細胞更深，PRF膠層厚度大于MUF。在220 ℃時，部分木材細胞崩解，PRF膠層界面出現(xiàn)裂縫，MUF失去膠合作用，且膠層厚度增大。達到280 ℃時，木材炭化，PRF、MUF已發(fā)生熱破壞。此外，研究還提出應考慮高溫下膠黏劑對木材的降解作用。

3.2 加熱方式

高溫下膠黏劑小尺寸剪切強度試驗中，試件加熱方式值得進一步探討。加熱過程中，試件含水率將發(fā)生變化，含水率變化將影響木材強度；同時高溫加熱過程也可能對小型試件造成損傷。Clau?等將目標溫度為70 ℃的試件放入塑料袋中進行加熱，以保持試件含水率恒定。為減少含水率對試驗結(jié)果的影響，可將試件烘干后進行測試，但初始干燥也可能對試件造成損傷。Zelinka等為節(jié)省試驗時間以及降低試件干燥對高溫試件試驗時間的影響，采取初始干燥的方法。所有試件在103 ℃下干燥24 h以上，并在試件轉(zhuǎn)于環(huán)境箱加熱前，將試件放于100 ℃烘箱內(nèi)預熱。但這樣長時間高溫加熱方式是否會造成試件內(nèi)部損傷或削弱試件性能，還需進一步研究。岳孔等[22-23]將膠合試件在相應溫度下受熱1 h后加載，模擬對膠合木1 h耐火極限的要求。在這種加熱方式中，20～110 ℃，木材含水率呈線性下降。110 ℃時木材含水率降至1.80%。后續(xù)加熱溫度中，木材含水率下降速度變緩，150 ℃時，含水率降至0%。綜上所述，如何減少含水率的變化對試驗結(jié)果造成影響，以及試件加熱方法的統(tǒng)一、評價標準的確立還需進一步研究。

另外，在CLT高溫下力學性能試驗中，試件加熱方式也需進一步探討。Wiesner等[24]在研究高溫下CLT壓縮性能試驗中采取了穩(wěn)態(tài)加熱(加熱試件達穩(wěn)定目標溫度后加載)與瞬態(tài)加熱(試件置于持續(xù)荷載下，以某升溫速率加熱)兩種加熱方式，兩種加熱方式下試件內(nèi)部水分運動存在明顯差異，試驗結(jié)果有顯著差異，瞬態(tài)加熱下測得強度更低。瞬態(tài)加熱方式更接近火災真實情況，但以何種速率加熱仍需進一步研究。

4 結(jié)束語

高溫下膠黏劑性能對CLT建筑防火安全至關(guān)重要，當前國內(nèi)外對高溫下CLT膠黏劑的性能有待深入研究，主要包括以下幾方面：① 統(tǒng)一、標準化的高溫下膠黏劑性能評價體系；②火災情況下，CLT用膠黏劑處于高溫環(huán)境中發(fā)生弱化，造成的CLT蠕變效應；③小型剪切試驗與全尺寸艙室試驗之間的關(guān)聯(lián)性仍有待研究，建立兩者關(guān)聯(lián)，能更經(jīng)濟、有效地評估高溫下CLT用膠黏劑的性能。