浅谈国外正交胶合木建筑技术

王中华

摘要:正交胶合木(CLT)建筑属于新一代重型木结构建筑,盛行于欧美发达国家,主要为公共建筑和中高层住宅。本文就正交胶合木的生产工艺及发展应用进行简要分析，仅供学习和参考。

关键词:国外正胶合木；建筑技术

正交胶合木（Cross-laminatedtimber，CLT）是一种新型的工程木产品，由３层及以上实木锯材或结构复合板材垂直正交组坯或成一定角度组坯，采用结构胶黏剂压制而成，主要用于木结构房屋的墙板、屋板、楼板等。

一、CLT性能特性

（一）物理力学特性

与实木相比，CLT具有很好的尺寸稳定性。CLT相邻层的正交结构导致其在材料主方向和次方向均具有相同的干缩湿胀性能。研究表明，CLT的线干缩湿胀系数为0.02%，其尺寸稳定性是实木和胶合木横纹方向尺寸稳定性的12倍。这种尺寸高稳定性使得CLT能在工厂内预制，并可根据建筑设计图纸加工成包含门窗洞口较大尺寸规格的楼面板、墙面板和屋面板，再将这些构件直接运至现场进行快速安装，能够降低建筑的安装周期。另外，这种正交结构也使得CLT产品在主方向和次方向上均具有相似的强度性能，在平面内和平面外都具有较高的强度和阻止连接件劈裂的性能。CLT板材结构具有刚度高、塑性和耗能性良好等特点。2007年在日本进行了一项7层CLT建筑地震台抗震实验，CLT建筑承受了7.2级地震，显示了其良好的抗震性能。与传统的轻型框架相比，CLT建筑构件之间几乎没有空隙，这就大大降低了火势通过其传播的风险性，大尺寸的CLT还能增加构件在火灾中的承载能力。类似于胶合木等大截面木材，CLT外层在火灾中会炭化，而炭化层能起到很好的隔热作用，保护构件内部免遭火焰的侵袭。力学性能方面，由于木材力学性能各向异性以及CLT正交铺设的结构特点，CLT的滚动剪切（Rollingshear）刚度和强度是决定其作为楼面板和屋面板力学性能的关键。CLT的滚动剪切性能是指由剪切应力引起锯材在其横切面（RT面）上产生的剪切应变，当CLT中锯材横切面受到面内剪切发生剪切变形时，由于木材的横切面剪切模量（GRT）很低（在北美CLT标准中，北美地区常用来生产CLT的木材，如花旗松、云杉-松-冷杉等横切面剪切模量GRT取值为52MPa），而且同一年轮中早、晚材抵抗剪切变形的能力不同，在剪力作用下容易在早晚材过渡区域产生裂缝，发生滚动剪切破坏。

（二）结构特性

考虑到成本和木材横纹变形大等因素，一般CLT产品中锯材只是上下表面进行涂胶胶合，同一层相邻锯材侧面没有胶合，相邻锯材之间都会存在缝隙，这也是为了防止锯材横向变形受阻而引起整个CLT板坯变形。另外真空加压的CLT产品也常设置应力释放缝来降低板坯翘曲变形。有研究统计CLT中缝隙的大小及分布，几乎所有的CLT层中都有缝隙，最大的缝隙宽度达到6mm。

二、国外CLT产品及建筑发展情况

CLT产品起源于欧洲，20世纪90年代，CLT作为新型的工程木产品在奥地利和德国的住宅和非住宅建筑中开始得到应用。1993年第一栋CLT结构形式的住宅出现在奥地利，1995年第一栋5层CLT建筑建成，1998年奥地利国家建筑规范中首次认可了多层建筑可以采用CLT材料建造。之后CLT越来越广泛地应用到中层（6-8层）及高层（8层以上）建筑中，2009年英国伦敦Hackney区建成了一栋9层楼的CLT住宅建筑。2013年2月世界上目前最高的木结构建筑forte公寓建成使用，该建筑位于奥地利墨尔本维多利亚海港，是一个5星级绿色公寓建筑，该建筑高32.17m，主要使用CLT材料建造而成。目前，中高层CLT建筑越来越多地出现，对其进行研究已成为世界，尤其是欧洲和北美地区木结构建筑行业的热点。将CLT结构和混凝土结构相结合，设计高层摩天大楼也具有了一定的可行性。加拿大、瑞士等国家正在研发设计30层及以上的CLT高层建筑。CLT建筑的快速发展使得CLT产品的产量迅速提高。2010年全球95%的CLT产量集中在欧洲，其中奥地利约占63%，德国约占26%，瑞典约占6%。2012年全球大约有20家CLT生产企业，近几年CLT产量发展迅速，预计到2015年，全球CLT产量将达到100万m3。

三、CLT生产工艺

（一）锯材选择

选材时要注意材料的含水率和翘曲缺陷等。锯材须干燥，合适的含水率为（12±3）%，结构复合板合适的含水率为（8±3）%，相邻层之间含水率差别应小于5%。合适的含水率有助于获得良好的胶合性能和尺寸稳定性。锯材翘曲程度会影响CLT产品的加压和胶合性能。

（二）锯材分等

对选择的锯材，根据产品等级不同进行不同方式的分等，如目测分等和机械分等。机械分等主要用于力学性能要求高的产品和层板，如主方向布置的锯材；目测分等则用于力学性能要求低、外观要求高的产品和层板。

（三）锯材表面加工

对锯材表面加工（如刨光），可以去除其表面杂质、氧化物等，提高表面平整性和活性，有利于提高胶合强度。通常对锯材进行四面刨光，上下表面刨光量为2.5mm，侧面刨光量为3.8mm。对于宽度尺寸在公差范围内且侧面不涂胶的情况，可以只对锯材上下表面进行刨光。

（四）锯材锯割

根据CLT产品尺寸，锯割得到合适长度的锯材。如果锯材长度不足，则需采用结构胶黏剂进行指接加长。

（五）施胶

锯材表面质量对胶合强度影响很大，要尽量缩短锯材表面加工与施胶工序之间的间隔时间，防止新鲜的锯材表面被污染和氧化。由于CLT产品幅面尺寸大，单根锯材表面施胶宜采用机械淋胶方式，淋胶速度应根据胶黏剂不同而不同，通常的淋胶速度为18～60mm/min。CLT是一种建筑用工程木产品，常用胶黏剂为结构用胶黏剂，如间苯二酚胶黏剂、单组分聚氨酯胶黏剂和异氰酸酯胶黏剂等。施胶工艺参数包括施胶量、陈化时间、木材表面含水率等，这些参数与胶黏剂种类关系密切。比如，对于普邦HBS309单组分聚氨酯胶黏剂，单面涂胶量至少为180g/m2，涂胶后应尽快压合，陈化时间不应超过30min。湿固化的单组分聚氨酯胶黏剂是利用聚合物中游离活性基团（-NCO）与大气中的水汽或粘结基材中的活泼氢原子发生反应，从而达到粘结目的的一类胶黏剂。为提高胶合性能，对干燥的锯材表面，尤其是含水率较低的结构复合板表面进行少量湿润处理后再进行涂胶。由于相同层锯材侧面涂胶在增强产品性能的同时也增加了成本，所以锯材侧面是否涂胶取决于最终产品要求。

（六）组坯

CLT的组坯结构类似于胶合板，即相邻两层互相垂直铺设，不同之处在于普通CLT每层是由若干数量锯材组成。这种结构会增加从开始涂胶到组坯、压合的时间。组坯时间是涂胶和组坯工序中重要的工艺参数，尤其是对于半自动和手工涂胶、组坯的生产方式，组坯时间不应超过胶黏剂的陈化时间。为降低CLT板坯翘曲变形，横向层中相邻锯材髓心布置方向应相反。

（七）压制

压制是CLT生产中的重要工序，目前主要分为普通液压加压和真空加压两种方式。普通液压加压的工艺参数包括加压时间、温度和压力，这些参数同所用胶黏剂关系密切。CLT常采用冷固化结构胶黏剂，如间苯二酚胶黏剂、单组分聚氨酯胶黏剂和异氰酸酯胶黏剂等；合适的压制温度在15℃以上；垂直方向加压压力为0.8～1.5MPa，为减少主方向布置的锯材间缝隙，常采用四面加压，即除了垂直方向加压外，CLT板坯两个侧面也承受压力，侧面压力为0.3～0.5MPa。真空加压方式是将组坯后的CLT放置在密闭的盒子状装置中，通常施加的最大真空压力仅为0.1MPa。由于真空压力很小，不能紧紧压住锯材而形成紧密的胶层，为防止锯材翘曲变形及消除锯材表面不平整带来的影响，可以沿着锯材长度方向切割一条应力释放缝来减少锯材变形，但这同时也会引起锯材强度的损失。因此应力释放缝不应太宽、太深。

（八）后期加工

将压制成形的CLT板坯进行表面砂光，再根据建筑设计图纸进行门窗洞口、连接处等的锯割，得到包含门窗洞口较大尺寸规格的楼面板、墙面板和屋面板。

参考文献:

[1]王瑞峰，贾东.交错层压木板（CLT）在建筑上的应用研究[J].华中建筑，2016（06）.

[2]尹婷婷.CLT板及CLT木结构体系的研究[J].建筑施工，2015（06）.

[3]陈玲.交叉层压木材（CLT）推广规划[J].国际木业，2015（02）.