王志強(qiáng)，張浩，俞駿城，那斌，魏鵬（.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京　0037；.徐州盛和木業(yè)有限公司，江蘇 徐州　3）

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正交膠合木墻體熱工性能測(cè)試與分析

王志強(qiáng)1，張浩1，俞駿城1，那斌1，魏鵬2
（1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2.徐州盛和木業(yè)有限公司，江蘇 徐州221321）

采用控溫箱-熱流計(jì)方法測(cè)試了3層正交膠合木（CLT）墻體的熱阻，分析了不同縫隙寬度（0、2、6 mm）和縫隙數(shù)量（0、1、2、3）對(duì)CLT墻體熱阻的影響。結(jié)果表明：3層CLT墻體熱阻平均實(shí)測(cè)值為0.84（m2·K）/W，包含6 mm寬縫隙的CLT墻體熱阻值比無(wú)縫隙CLT墻體熱阻值高23.75%；墻體熱阻隨著縫隙寬度和縫隙數(shù)量增加而增大。

正交膠合木；縫隙；熱工性能

0　前言

圖1　CLT產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和縫隙

正交膠合木（Cross-laminated timber，CLT）是一種至少由3層實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠粘劑壓制而成的矩形、直線、平面板材形式的工廠預(yù)制工程木產(chǎn)品［1］。CLT產(chǎn)品常見(jiàn)寬度有0.6、1.2、2.4和3 m，長(zhǎng)度可達(dá)18 m，厚度可達(dá)508 mm。典型的CLT板坯結(jié)構(gòu)和橫截面如圖1（a）所示。20世紀(jì)90年代CLT產(chǎn)品起源于歐洲，并作為新型工程木產(chǎn)品在奧地利和德國(guó)的住宅和非住宅建筑中開(kāi)始得到應(yīng)用［1］。與其它工程木產(chǎn)品相比，CLT具有很好的尺寸穩(wěn)定性，平面內(nèi)良好的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度以及防火、抗震性能。這種特性使得CLT可作為承重結(jié)構(gòu)的樓面板、墻面板和屋面板應(yīng)用于中/高層建筑中。目前世界上已建成典型的8層及以上的CLT結(jié)構(gòu)體系建筑，主要有英國(guó)倫敦Murray Grove項(xiàng)目（2009年建造）和澳大利亞墨爾本Forté項(xiàng)目（2012年建造）［2］。隨著中/高層CLT建筑越來(lái)越多，這方面的研究已成為木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)的熱點(diǎn)。另一方面，CLT產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上還具有正交性和橫向?qū)愉彶闹g存在縫隙等特性，如圖1（b）所示。這主要由于CLT產(chǎn)品中相鄰鋸材側(cè)面之間沒(méi)有涂膠膠合，而且為了防止鋸材橫向變形受阻而引起CLT板坯變形，所以在橫向?qū)愉彶闹g設(shè)置了縫隙。有研究統(tǒng)計(jì)了CLT產(chǎn)品中縫隙大小和分布，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的CLT橫向?qū)又卸即嬖诳p隙，最大的縫隙寬度達(dá)6 mm［3］。

國(guó)內(nèi)關(guān)于CLT產(chǎn)品特性及在木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用等方面研究還處于起步階段，正逐漸引起研究機(jī)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)企業(yè)的重視［2，4-5］。本文對(duì)3層CLT墻體熱工性能進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)評(píng)價(jià)CLT墻體中的縫隙對(duì)其熱工性能的影響。

1　試驗(yàn)

1.1CLT墻體的制備與結(jié)構(gòu)

采用加拿大產(chǎn)云杉-松-冷杉（Spruce-pine-fir，SPF）規(guī)格材作為鋸材壓制CLT墻體試件，SPF規(guī)格材的平均密度為0.43 g/cm3，平均含水率為16%，等級(jí)為J級(jí)。SPF規(guī)格材的尺寸為（長(zhǎng)×寬×厚）2440 mm×89 mm×38 mm。CLT墻體壓制的主要工藝采用單組份聚氨酯膠作為膠粘劑，涂膠量180 g/m2，加壓壓力1.0 MPa，加壓時(shí)間3 h，冷壓壓制［2］。壓制的CLT墻體試件為3層正交結(jié)構(gòu)，幅面尺寸為（長(zhǎng)×寬×厚）1246 mm×1068 mm×114 mm，如圖2所示。共壓制3種CLT墻體試件，為評(píng)價(jià)CLT墻體中縫隙對(duì)其熱工性能的影響，每種墻體中同一層板的規(guī)格材之間設(shè)置了不同寬度縫隙，具體縫隙設(shè)置見(jiàn)表1。

表1　CLT墻體中的縫隙寬度

圖2　CLT墻體試件

1.2測(cè)試方法

1.2.1儀器設(shè)備

采用控溫箱-熱流計(jì)測(cè)試箱，該測(cè)量原理相同于熱流計(jì)法，通過(guò)控溫箱模擬采暖期室內(nèi)外溫差，熱流計(jì)測(cè)出墻體試件熱流值，計(jì)算得到CLT墻體的熱阻［6］。本試驗(yàn)測(cè)試儀器采用JTRJ-B建筑溫度及熱流巡回檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)由JTRJB傳熱系數(shù)智能檢測(cè)儀、熱箱（含溫度控制儀）、溫度傳感器和熱流計(jì)組成。溫度傳感器分辨率為0.1℃，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間設(shè)定為30 min。

1.2.2測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試過(guò)程中，在CLT墻體的內(nèi)、外墻面各對(duì)應(yīng)布置10個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)試內(nèi)、外墻面溫度值；并在內(nèi)墻面布置1個(gè)圓形熱流計(jì)，用于測(cè)試墻體熱流值。CLT墻體試件為3層正交結(jié)構(gòu)，不同編號(hào)的CLT墻體中的SPF規(guī)格材之間設(shè)置了不同寬度的縫隙。另一方面，CLT墻體的不同位置還存在不同數(shù)量的縫隙。比如在墻面某位置點(diǎn)，若每層CLT層板在該位置點(diǎn)都有縫隙，則表明該位置點(diǎn)有3條縫隙。以此類(lèi)推，還存在2條縫隙、1條縫隙和無(wú)縫隙的測(cè)點(diǎn)位置點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，除了考慮縫隙寬度對(duì)CLT墻體傳熱性能影響，還考慮了縫隙數(shù)量的影響，即在10個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)中，設(shè)置了不同縫隙數(shù)量的測(cè)點(diǎn)。具體的溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，其中1、2、3號(hào)溫度傳感器布置在3條縫隙的點(diǎn)，4、5號(hào)溫度傳感器布置在2條縫隙的點(diǎn)，6、7號(hào)溫度傳感器布置在1條縫隙的點(diǎn)，8、9、10號(hào)溫度傳感器布置在無(wú)縫隙的點(diǎn)上。另外，圓形熱流計(jì)測(cè)點(diǎn)位置也分為3條縫、2條縫、1條縫和無(wú)縫隙的4個(gè)位置，

圖3　測(cè)點(diǎn)布置

1.2.3測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法

CLT墻體傳熱性能參照GB/T 23483—2009《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測(cè)方法》進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)連續(xù)測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，當(dāng)相鄰2次測(cè)量的結(jié)果不大于5%時(shí)，測(cè)試結(jié)束。根據(jù)式（1）計(jì)算CLT墻體熱阻實(shí)測(cè)值：

式中：R——CLT墻體的熱阻，（m2·K）/W；

Tij——CLT墻體內(nèi)表面溫度的第j次測(cè)量值，K；

Toj——CLT墻體外表面溫度的第j次測(cè)量值，K；

qj——熱流密度的第j次測(cè)量值，W/m2。

2　結(jié)果與分析

2.1熱阻實(shí)測(cè)值

不同CLT墻體的熱阻實(shí)測(cè)值如表2。

表2　CLT墻體熱阻實(shí)測(cè)值

從表2可以看出，3種CLT墻體中，C類(lèi)型CLT墻體的熱阻測(cè)試平均值最大，A和B類(lèi)型CLT墻體差別不大，其中C類(lèi)型CLT墻體的平均熱阻值分別比A、B類(lèi)型CLT墻體高23.75%和35.62%。這說(shuō)明隨著縫隙寬度增大，CLT墻體的熱阻值也增大，并且在縫隙寬度小于2 mm時(shí)，墻體熱阻值增加不明顯；當(dāng)縫隙寬度增大到6 mm時(shí)，墻體熱阻值顯著增加。另外從表2也可以看出，對(duì)于B、C類(lèi)型CLT墻體，隨著熱流計(jì)測(cè)點(diǎn)的縫隙數(shù)量增加，墻體的熱阻實(shí)測(cè)值也增加。B、C類(lèi)型CLT墻體在3條縫隙處的熱阻實(shí)測(cè)值分別比無(wú)縫隙處的熱阻實(shí)測(cè)值高14.49%和39.74%?？傮w來(lái)說(shuō)，3層結(jié)構(gòu)CLT墻體的熱阻隨著縫隙寬度和縫隙數(shù)量增加而增大。這主要原因在于CLT墻體縫隙中充滿(mǎn)了干燥的空氣，在鋸材和膠層的阻隔作用下，縫隙中的密閉、干燥的空氣增加了墻體保溫性能。

2.2熱阻實(shí)測(cè)值與理論值比較

測(cè)試的CLT墻體試件由3層鋸材規(guī)格材層組成，通過(guò)式（2）可計(jì)算CLT墻體熱阻的理論值：

式中：δi——每層CLT層板中SPF規(guī)格材的厚度，取0.038m；

λi——每層CLT層板中SPF規(guī)格材橫紋方向的導(dǎo)熱系數(shù)，取值0.13 W/（m·K）（SPF規(guī)格材含水率為15%，密度為0.42 g/cm3）。

由式（2）計(jì)算得到CLT墻體熱阻理論值為0.88（m2·K）/W。由于式（2）中未考慮縫隙的影響，因此將CLT墻體熱阻理論值與A類(lèi)型CLT墻體（無(wú)縫隙）的熱阻實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，兩者之間的相對(duì)誤差為10%。誤差產(chǎn)生的主要原因在于實(shí)際CLT墻體試件中使用的SPF規(guī)格材的密度和含水率都略高于式（2）計(jì)算中SPF材料導(dǎo)熱系數(shù)取值條件，由于木材的導(dǎo)熱系數(shù)隨著木材的密度和含水率增加而增加［7］，從而導(dǎo)致CLT墻體熱阻實(shí)測(cè)值偏低。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）3層CLT墻體熱阻平均實(shí)測(cè)值為0.84（m2·K）/W，包含3條6 mm寬縫隙的CLT墻體熱阻值比無(wú)縫隙CLT墻體熱阻值高23.75%。

（2）總體來(lái)說(shuō)，CLT墻體熱阻值隨著縫隙寬度和縫隙數(shù)量增加而增大。

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［2］付紅梅，王志強(qiáng).正交膠合木應(yīng)用及發(fā)展前景［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014（3）：4-7.

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A testing and analysis on thermal performance of cross-laminated timber

WANG Zhiqiang1，ZHANG Hao1，YU Juncheng1，NA Bin1，WEI Peng2
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2.Xuzhou Shenghe（Sterling Pacific）Wood，Xuzhou 221321，China）

The thermal resistance of 3-ply cross-laminated timber（CLT） wall was measured using the measurement of temperature controlled box-heat flow meter.And the effects of gap width（0，2 and 6 mm）and gap number（0，1，2 and 3）on thermal resistance of CLT wall were analyzed also in this study.The results showed that the average value of the thermal resistance of 3-ply CLT wall is 0.84（m2·K）/W.The thermal resistance of CLT wall specimen with 6 mm-wide gaps was 23.75% higher than that of CLT wall specimen without gap.And the thermal resistance of 3-ply CLT wall increased with the increasing of gap width and gap number.

cross-laminated timber（CLT），gap，thermal performance

TU52

A

1001-702X（2016）06-0069-03

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAL03B03）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31570559）

2015-12-28

王志強(qiáng)，男，1978年生，湖南衡陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向?yàn)樾滦凸こ棠井a(chǎn)品與木結(jié)構(gòu)建筑。地址：南京市龍?bào)绰?59號(hào)，E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn。