組坯結(jié)構(gòu)對竹束單板層壓板物理力學(xué)性能的影響

張文福，王 戈，程海濤，林利民，邱亞新

(1. 國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100102；2. 黑龍江省林產(chǎn)工業(yè)研究所，哈爾濱 150040)

組坯結(jié)構(gòu)對竹束單板層壓板物理力學(xué)性能的影響

張文福1，王 戈1，程海濤1，林利民2，邱亞新1

(1. 國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100102；2. 黑龍江省林產(chǎn)工業(yè)研究所，哈爾濱 150040)

以竹束單板層壓板為研究對象，分析組坯結(jié)構(gòu)對板材物理力學(xué)性能和連接性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在組坯層數(shù)相同的條件下，隨著鋪裝方向的增多，層壓板順紋的各項(xiàng)力學(xué)性能呈下降趨勢，采用多向鋪裝方式的板材的耐水性能低于單一鋪裝方向的性能，但板材的連接性能得到了提高。因此，實(shí)際應(yīng)用中，在保證竹束單板層合板力學(xué)性能達(dá)到使用要求的條件下，可以增h層合板組坯方向，改善其連接性能，提高使用的安全性。

竹束單板；層壓板；力學(xué)性能；耐水性能；連接性能

竹束就是將竹材加工成一定寬度的竹條后，經(jīng)過碾壓帚化等工藝形成通長的相互交聯(lián)并保持纖維原有排列的疏松狀單元[1]，而由竹束橫向松散連接且具有一定寬幅的單元稱為竹束單板。將竹材帚化成竹束單板，再經(jīng)干燥、施膠、組坯成型后熱壓而成的板狀或其他形式的人造板，具有竹材利用率高、物理力學(xué)性能

優(yōu)良、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用做工程結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料、家具用材、地板等。目前，竹束單板主要是重組竹生產(chǎn)的原材料，經(jīng)過層積熱壓而成。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)中，將由兩層或多層的鋪層通過樹脂固化彼此黏結(jié)在一起的板材被稱為層壓板[2]，因此也可以將重組材稱為竹束單板順紋層壓板，這種由單一鋪裝方向壓制的層壓板，在纖維方向具有很高的強(qiáng)度和剛度，在垂直纖維方向上的強(qiáng)度和剛度非常低。層壓板在實(shí)際應(yīng)用中，由于工藝水平的限制和使用連接的需要，大多數(shù)采用膠接、榫接、機(jī)械連接和混合連接等方式進(jìn)行連接。其中機(jī)械連接中的螺栓連接是竹、木結(jié)構(gòu)最常用的一種連接方式，適用于承載較高載荷的部位或強(qiáng)調(diào)可靠性較高的部位。實(shí)際應(yīng)用證明，螺栓連接的連接部位也是整個(gè)構(gòu)件中最薄弱的部分，其承載性能是影響結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性[3]。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究表明：相對于多種鋪裝方向，采用單一鋪裝方向的層壓板連接強(qiáng)度較低[4]。因此，開展竹束單板層壓板組坯結(jié)構(gòu)的研究對擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重大的意義。

基于上述考慮，本文以竹束單板層壓板為研究對象，分析不同組坯結(jié)構(gòu)對層壓板的順紋力學(xué)性能及連接性能的影響，以期為擴(kuò)大材料的應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

梁山慈竹，采自四川省長寧縣，竹齡3～5年；水溶性酚醛樹脂膠，購于北京太爾化工有限公司，固體含量45%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自主研發(fā)竹材帚化機(jī)、熱壓機(jī)(CARVER 3895)、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5582)、推臺鋸(FESTOOL CS70)、氣流式干燥箱(DHG 9240A)、力矩扳手、電子數(shù)顯卡尺等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制作工藝

竹束單板的加工：將慈竹截成2 m長的竹筒，并剖分成四片，再使用帚化機(jī)加工成疏松片狀材料，形成縱向基本保持竹纖維強(qiáng)度，橫向松散連接且具有一定寬幅，厚度均勻的竹束單板，然后裁成300 mm長，氣干至含水率10%～12%，待用。

將加工好的竹束單板浸入用水稀釋至固體含量為15%的酚醛膠中，浸漬時(shí)間7 min，取出淋干后，測其浸膠量[1]，然后干燥至含水率10%～12%。測得竹束單板浸膠量為：18.13%。試驗(yàn)中板材幅面設(shè)定為300 mm×140 mm，厚度為12.5 mm。板坯共7層，根據(jù)對稱鋪裝的原則進(jìn)行組坯，選用三種組坯結(jié)構(gòu)分別是：順紋組坯(0°)、縱橫組坯(0°、90°)、交錯(cuò)組坯(0°、60°、120°)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用“冷進(jìn)冷出”的熱壓工藝，熱壓主要參數(shù)為：熱壓壓力6 MPa，熱壓時(shí)間1 min/mm，熱壓溫度160℃。

圖1 組坯結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic illustrations of lay-up structure

1.3.2 性能測試

板材陳放24 h后即可制作試件，參照 GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》[5]檢測試件的密度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度；參照GB/T 20241-2006《單板層積材》[6]檢測試件的水平剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)采用兩種處理方法測試板材的耐水性能。① 63℃浸泡法處理：將試件置于pH值為7±1，溫度為63±2℃的恒溫水槽中，浸泡24 h后，參照 GB/T 17657-1999，檢測試件的吸水厚度膨脹率。② 28 h循環(huán)水煮法處理：將試件放入沸水中煮4 h，取出后直接將試件平放在（63±3）℃的干燥箱中干燥20 h，在放入沸水中煮4 h，取出后在室溫下冷卻10 min。參照GB/T 17657-1999，檢測試件的吸水厚度膨脹率。

參照GB/T 50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]制作對稱雙剪單螺栓連接試件，選用M6螺栓進(jìn)行連接，螺栓擰緊力矩為3 N·m，最大破壞強(qiáng)度 σ 定義為：其中，F(xiàn)maх、D、t分別為最大破壞載荷、孔直徑和板厚。

2 結(jié)果及分析

三種組坯結(jié)構(gòu)竹束單板層壓板的物理力學(xué)性能檢測結(jié)果如表1所示。

2.1 力學(xué)性能

由表1可知，隨著層合板組坯方向的增加，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、水平剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)呈遞減趨勢。但是三種板材均能達(dá)到GB/T 20241-2006中規(guī)定的結(jié)構(gòu)用單板層積材彈性模量和靜曲強(qiáng)度指標(biāo)中的140E級和結(jié)構(gòu)用單板層積材水平剪切強(qiáng)度指標(biāo)中的65V-55H級。三種板材的力學(xué)性能存在差別，主要是因?yàn)椋?)所測的板材力學(xué)性能是平行于表層竹束的排列方向，隨著鋪裝方向的增多，平行于表層竹束的層數(shù)減少，因此其縱向力學(xué)性能有所下降；2)帚化的竹束采用順紋組坯的方式，板材層間纖維按照同一種方向進(jìn)行排列，纖維基本保持原有的通直的形態(tài)，而采用縱橫組坯和交錯(cuò)組坯的方式，板材層間纖維相互搭接，經(jīng)熱壓密實(shí)化后，纖維產(chǎn)生彎曲，甚至折斷，降低了板材力學(xué)性能。

表1 層壓板的物理力學(xué)性能?Table 1 Mechanical properties of laminated board

2.2 耐水性能

由表1可知，板材結(jié)構(gòu)的不同，對板材的耐水性能存在明顯的影響。竹材被帚化成離散狀的竹束，雖然比表面積增大，浸膠量增加，但是竹束的松散程度難以控制。采用順紋組坯的方式，竹束單元按照同一方向排列，在熱壓密實(shí)過程中，被擠壓的纖維依照最小阻力定律，向阻力較小的位置發(fā)生側(cè)移，形成較為密實(shí)的板材。而采用縱橫橫和交錯(cuò)的組坯方式，層間纖維相互搭接，在熱壓密實(shí)過程中，層間纖維的摩擦力大于其側(cè)向移動的力，因此，板材內(nèi)部易形成空隙，降低板材的耐水性能；同時(shí)相互搭接發(fā)生彎曲的纖維，使得板材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，經(jīng)過63℃浸泡和28 h循環(huán)水煮處理后，板材內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，從而表現(xiàn)出耐水性能較差的現(xiàn)象。

2.3 連接性能

三種組坯結(jié)構(gòu)竹束單板層壓板的連接性能如表2所示。

如表2所示，板材A連接性能最差，板材B和板材C的連接性能分別比板材A高32.7%和50.8%。其中，板材A主要采用順紋組坯的結(jié)構(gòu)，板坯結(jié)構(gòu)較為簡單，在進(jìn)行連接性能測試時(shí)，試件的主材自低向上劈裂。板材B采用了縱橫垂直的組坯方式，層與層的鋪裝方向相差90°；從連接性能測試的結(jié)果來看，雖然具有較好的荷載能力，但是由于相鄰層間鋪裝方向變化較大的影響，使得層間膠合性能變差，致使側(cè)材膠層產(chǎn)生破壞。板材C采用了交錯(cuò)組坯的方式，層與層的鋪裝方向相差60°，在進(jìn)行連接性能測試的過程中，直到螺栓拉斷，試件的整體結(jié)構(gòu)仍未受較大的破壞。由此可見，板材的組坯結(jié)構(gòu)對板材的連接性能具有較大的影響，采用縱橫或交錯(cuò)組坯的方式，板材的物理力學(xué)性能雖有一定的降低，但是在達(dá)到一定的使用要求的條件下，其連接性能優(yōu)于順紋組坯的板材，保證了使用的安全性。

表2 層壓板的連接性能Table 2 Connection performance of laminated board

3 結(jié) 論

組坯結(jié)構(gòu)對竹束單板層合板的物理力學(xué)性能和連接性能存在明顯的影響。在組坯層數(shù)的相同條件下，隨著鋪裝方向的增多，板材順紋的各項(xiàng)力學(xué)性能呈下降趨勢，采用多向鋪裝方式的板材的耐水性能低于板材單一鋪裝方向的性能，但可以提高板材的連接性能，其中采用交錯(cuò)組坯結(jié)構(gòu)的板材連接性能最好，其次是縱橫組坯的結(jié)構(gòu)，而順紋組坯結(jié)構(gòu)的板材連接性能最差。

竹束單板順紋層壓板(重組竹)的縱向力學(xué)性能較好，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量、抗壓強(qiáng)度、水平剪切強(qiáng)度均超過了結(jié)構(gòu)用單板層積材中最高級別的指標(biāo)要求，但是連接性能較差。本研究通過改變板材的組坯結(jié)構(gòu)，大大提高了板材的連接性能，故在力學(xué)性能要求相對較低的結(jié)構(gòu)中，可以選用連接性能較好的組坯結(jié)構(gòu)，保證使用的安全性。

[1] 趙仁杰，喻云水. 竹材人造板工藝學(xué)[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2002.

[2] 趙美英，陶梅貞. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2007.

[3] 劉柯珍，王朝暉，黃仲華. 木結(jié)構(gòu)螺栓連接研究進(jìn)展[J]. 木材加工機(jī)械. 2011(1): 40-42.

[4] 顧亦磊. 復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度分析及影響因素研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué), 2006

[5] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. GB/T 17657-1999 人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1999.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 20241-2006 單板層積材[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T 50329-2002 木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

Effects of lay-up structure on physical and mechanical properties of laminated bamboo bundle board

ZHANG Wen-fu1, WANG Ge1, CHENG Hai-tao1, LIN Li-min2, QIU Ya-хin1
(1. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China;2. Heilongjiang Research Institute of Forest Products Industry, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

The effects of lay-up layer numbers on laminated bamboo bundle board’s physical and mechanical properties and connection performance were analyzed. The results show that under the conditions of same layer numbers, along with the increase of the lay-up directions, the bending strength, bending modulus, compression strength and horizontal shear strength of the laminated board showed a downward trend, while using non-single direction lay-up structure, the board’s waterproof property was lower than that of single layup board, but the board’s connection performance was risen. Therefore, in the real application, with the condition of guaranteeing the mechanical properties of the board to meet operating requirements, the lay-up directions should be increased to improve the board’s connection performance and to rise the board’s safety.

bamboo bundle veneer; laminated board; mechanical properties; water resistance; connection performance

S781.9

A

1673-923X(2012)02-0147-04

2011-9-15

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201004005）；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2009GB24320467)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2010AA101701-04)

張文福(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)；E-mail：zhangwenfu542697@163.com

王 戈(1965—)，男，博導(dǎo)，研究員；主要研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文編校：邱德勇]