圓竹填充節(jié)點抗拔性能研究?

林曉雯 關(guān)惠元

（南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037）

竹子是一種綠色、環(huán)保、可再生材料。我國竹材資源十分豐富，竹林面積、蓄積量、竹材產(chǎn)量均居世界首位。據(jù)統(tǒng)計，我國已知的竹子有39 屬，500 余種，竹林面積672.74 萬hm2[1-2]。我國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2015年竹產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達2 000 億元，比2011 年增長66.5%，預計2020 年竹產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到3 000 億元[1]。但竹材在家具行業(yè)的應用較少，圓竹家具的市場占有率低。圓竹直徑大小不一、壁薄中空、易腐朽開裂等缺陷導致圓竹家具的生產(chǎn)工藝復雜、機械化程度低[3]。圓竹家具傳統(tǒng)的連接方式主要有包接、榫接、纏接、嵌接等[4-5]，近年也有研究人員對圓竹家具的結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新性設計[6-10]。

為了將竹資源更好地應用于家具制造行業(yè)，并推動圓竹家具大規(guī)模機械化生產(chǎn)。本研究借鑒傳統(tǒng)圓竹節(jié)點的塞接式連接與現(xiàn)代建筑中的圓管混凝土灌注技術(shù)[11-14]，在實木家具接合方式及節(jié)點局部增強方法的基礎上[15-25]，采用硬質(zhì)木材局部填充圓竹內(nèi)腔的方法以提高圓竹構(gòu)件的連接強度。

1 材料與方法

1.1 材料

基材：圓竹為毛竹（Phyllostachys heterocycla var. pubescens），產(chǎn)地為江蘇宿遷，竹齡5 年以上且經(jīng)過防腐處理，含水率為8.3 %～9.8 %，外部直徑(50±2) mm，壁厚3～4 mm。

填充木：櫸木（Fagus Sylvatica），產(chǎn)地為羅馬尼亞，含水率11.9 %～12.2 %。

填充劑：石膏為鄭州鵬翼化學商貿(mào)公司的α特級超硬白石膏粉，細度400 目，膨脹率0.4 %，混合時水灰比為28：100。脲醛樹脂為湖州璟寶新型建材有限公司生產(chǎn)的璟寶牌粉狀脲醛樹脂，在25 ℃條件下黏度值為3 500～4 500 mPa·s，酸堿度為7.0～7.5，密度約為1.290 g/cm3，混合時水灰比為60：100。

1.2 設備

原力WPC數(shù)控切割機，加工精度為0.01 mm。日本島津AG-X50KN精密電子萬能力學試驗機，載荷測定精度為0.001 N，位移精度為0.001 mm。

1.3 試驗方法

1.3.1 試件制備

從圓竹截取長度為150 mm的竹筒并在底端開孔。采用數(shù)控切割機將櫸木方材加工成直徑為30 mm和35 mm的櫸木芯，并進一步將櫸木芯的一端加工成寬10 mm、高20 mm的榫頭。最后，用櫸木芯和填充劑填充竹筒，制成圓竹填充試件，待填充劑完全固化后進行抗拉強度測試。圖1 為圓竹填充示意圖。

圖1 試件填充示意圖Fig.1 The schematic diagram of specimen filling

1.3.2 抗拔力測試

用夾具將試件固定在萬能力學試驗機支座的中心位置。如圖2 所示，利用自制夾具在日本島津AGX50KN精密電子萬能力學試驗機上，對圓竹內(nèi)腔填充試件進行極限抗拉試驗。設定加載速度為5 mm/min，載荷測定精度為0.001 N，位移精度為0.001 mm。加載至試件破壞，記錄極限抗拉值Fmax（N），精確至0.1 N。

圖2 抗拔力測試方法Fig.2 The testing method of pull-out resistance

1.4 試驗設計

1.4.1 櫸木直徑及填充劑對抗拔力的影響

采用30 mm和35 mm兩種直徑的櫸木填充竹筒試件，櫸木與竹筒試件內(nèi)壁的間隙分別采用石膏、脲醛樹脂兩種填充劑填充。制備的試件在常溫下存放7 d后進行抗拔強度測試。每組試驗重復6 次，共計24 個試件。

1.4.2 櫸木與竹筒內(nèi)壁間隙大小對抗拔力的影響

采用直徑35 mm的櫸木填充竹筒試件，櫸木與竹筒試件內(nèi)壁的間隙采用脲醛樹脂填充。制備的試件在常溫下存放7 d后進行抗拔強度測試，共計18 個試件。由于竹筒內(nèi)腔的形狀類似橢圓形，且不同試件內(nèi)腔大小也存在差異，因此，櫸木與竹筒內(nèi)壁間隙大小按式（1）計算。

式中：C為櫸木與圓竹內(nèi)腔間隙；D1為圓竹內(nèi)腔長徑；D2為圓竹內(nèi)腔短徑；D為櫸木直徑。單位均為mm。

1.4.3 填充劑配比對抗拔力的影響

采用35 mm直徑櫸木填充竹筒試件，櫸木與竹筒試件內(nèi)壁的間隙分別采用添加0 %、5 %、10 %木屑的脲醛樹脂填充。制備的試件在常溫下存放7 d后進行抗拔強度測試。每組試驗重復6 次，共計18 個試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 櫸木直徑及填充劑對抗拔力的影響

櫸木直徑及填充劑對抗拔力的影響如圖3 所示。從圖中可以看出，采用脲醛樹脂和石膏作為填充劑，在直徑30 mm的櫸木填充時，平均抗拔力分別為2 384.5 N和468.5 N；直徑35 mm的櫸木填充時，平均抗拔力分別為3 797.1 N和530.2 N。由上述結(jié)果可知，使用脲醛樹脂填充劑試件的抗拔力明顯高于石膏填充劑，櫸木直徑35 mm優(yōu)于直徑30 mm。

圖3 櫸木直徑及填充劑對抗拔力影響Fig.3 The effect of beech core diameters and fillers on the pull-out resistance

2.2 櫸木與竹筒內(nèi)壁間隙大小對抗拔力的影響

櫸木與竹筒內(nèi)壁間隙大小對抗拔力的影響如圖4所示。從圖中可以看出，間隙在1.5～3.5 mm范圍內(nèi)抗拔力較高。因為脲醛樹脂填充劑層本身的強度不高，因此，間隙過大，易導致填充劑層較厚進而造成抗拔力下降。理論分析，間隙小，脲醛樹脂填充劑層薄，抗拔力會較高，但是，制備試件時，由于受圓竹筒內(nèi)腔的不規(guī)則性和填充操作等因素的影響，間隙量過小，會對抗拔力有不利影響。

圖4 櫸木與竹筒內(nèi)壁間隙大小對抗拔力的影響Fig.4 The effect of gaps between beech core and roundbamboo on the pull-out resistance

2.3 填充劑配比對抗拔力的影響

填充劑配比對抗拔力的影響如圖5 所示。從圖中可以看出，使用添加0 %、5 %、10 %木屑的脲醛樹脂作為填充劑，試件平均抗拔力分別為4 028.8、4 802.1 N和3 652.2 N。采用添加5 %木屑脲醛樹脂填充劑時，抗拔力最大。

圖5 填充劑配比對抗拔力的影響Fig.5 The effect of sawdust ratio on the pull-out resistance

3 結(jié)論

為了更好地將圓竹應用于家具制造行業(yè)，發(fā)掘圓竹家具的市場潛力，本研究用櫸木局部填充圓竹內(nèi)腔的方法嘗試解決圓竹連接難題。研究了櫸木直徑、櫸木與圓竹內(nèi)壁間隙大小、填充劑種類以及填充劑配比對試件抗拔力的影響。通過試驗得出：添加5 %木屑的脲醛樹脂作為填充劑，櫸木與竹筒內(nèi)壁的間隙控制在1.5～3.5 mm范圍時，連接件抗拔力最大。