竹材分級研究現(xiàn)狀與展望*

蘇 勤 宗鈺容 黃愛月 張秀標(biāo) 劉煥榮

（國際竹藤中心，國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102）

我國竹材資源豐富，其種類、面積、蓄積量及年產(chǎn)量均居世界首位[1]。竹子因生長速度快、強度高、韌性好等特性而被廣泛用于家居、建筑結(jié)構(gòu)、裝飾裝修等領(lǐng)域。然而，竹材是一種天然的生物質(zhì)材料，受其種類、年齡、生長特性和外界環(huán)境等因素影響，竹稈形狀、外觀尺寸和物理力學(xué)性能都存在一定差異,對竹材加工、利用及產(chǎn)品性能都有重要影響。木材的目測和機械分級是結(jié)構(gòu)與工程木產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。竹材在結(jié)構(gòu)和工程領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙是竹材的分級方法不完善。因此，對竹材進(jìn)行科學(xué)、合理的分等分級，對高效利用竹材，提高竹材加工效率和出材率都有重要意義，同時為實現(xiàn)竹材標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化加工和生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

基于竹材尺寸、性能變異特性和分級重要性，本文綜述了國內(nèi)外圓竹、竹材加工單元和竹材人造板的尺寸和性能分級方法，以及竹材分級在單元加工和產(chǎn)品制備中的應(yīng)用情況，結(jié)合竹加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，闡述了竹材分級產(chǎn)業(yè)化的必要性，最后分析了當(dāng)前竹材分級產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵和急需解決的問題。

1 竹材變異特性

竹材為天然的生物質(zhì)材料，是經(jīng)過自然界數(shù)億年進(jìn)化的產(chǎn)物，受竹種、立地條件、年齡、部位等因素的影響，其外觀尺寸及性能存在一定的差異，主要表現(xiàn)為外觀尺寸和物理力學(xué)性能的變異性。

1.1 尺寸變異

竹稈是竹子的主要部分，其外觀呈中空壁薄、高度方向上具有一定尖削度且竹節(jié)將其分成若干個節(jié)間。以毛竹為例，彭小兵等[2]對3 種不同立地條件下的毛竹胸徑和竹高調(diào)查發(fā)現(xiàn)，胸徑和竹高的標(biāo)準(zhǔn)差分別在1.045～1.170 cm、0.610～0.797 m，變異系數(shù)分別為10.35%～12.78%、4.55%～5.45%。當(dāng)竹齡從0.5 長到6 年生時，壁厚則由6.698 mm增加到7.875 mm[3]。楊曉夢等[4-5]統(tǒng)計500 根毛竹竹稈尺寸發(fā)現(xiàn)，毛竹圍徑和壁厚均隨竹高增長而減小，且胸徑與全高、枝下高都呈線性正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)全高、枝下高分別在7.16～16.55、4.36～11 m時，胸徑分布在9.14～13.63 cm。

1.2 物理力學(xué)性能變異

研究發(fā)現(xiàn)，隨毛竹生長環(huán)境海拔升高，其基本密度由0.699 g/cm3增大到0.715 g/cm3。立地條件對竹材生長速度也有影響，通常立地條件優(yōu)異的竹材生長較快，力學(xué)強度相對降低[6-7]。隨著竹齡增長，竹材的物理力學(xué)性能變化顯著，竹齡從0.5 長到6 年生，基本密度由0.494 g/cm3增大到0.728 g/cm3，氣干體積干縮率由14.914%減小到7.881%[3]；而力學(xué)性質(zhì)則隨竹齡增加先增大后減小，如中部竹高處的竹材順紋抗拉強度從153.2 MPa（0.5 年生）增大到194.9 MPa（4 年生），而后又降為183.5 MPa（6 年生）[8]。此外，沿竹稈高度方向上，從0.5 m增加到6.5 m時，基本密度從0.696 g/cm3上升到0.793 g/cm3[9]，壓縮強度由下至上從45 MPa增加到了65 MPa[10]；沿竹壁徑向從竹青到竹黃，維管束密度梯度遞減[11]，且維管束形態(tài)從半開放型過渡到開放型，竹材的物理力學(xué)特性也隨著維管束含量而變化，竹青的氣干干縮率要比竹黃高19%[12]，由內(nèi)向外的順紋抗拉彈性模量和強度分別分布在8.49～32.49 GPa和115.94～328.15 MPa[13]。

2竹材分級方法

竹材分級是通過觀察、測量、測試或計算得到竹材樣本各種分級指標(biāo)的具體結(jié)果，對具體結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析并按照一定指標(biāo)級別區(qū)域進(jìn)行分等的過程。根據(jù)竹材單元的不同，可分為圓竹分級、竹材加工單元分級和竹材人造板分級。

2.1 圓竹分級

圓竹是采伐、修枝后保持圓形、中空、有節(jié)的竹稈，是竹子的主干，也是竹材加工的主要部分，可直接使用。圓竹是竹材原料的基本形態(tài)，無論是竹集成材、重組竹、竹膠合板還是竹定向刨花板等，均需要以圓竹為基本原料。而圓竹分級需要解決兩個難題，一是幾何尺寸的序列化和標(biāo)準(zhǔn)化；二是力學(xué)性能的快速檢測與分級。

2.1.1 外觀質(zhì)量分級

蟲眼、干枯和自然彎曲都是竹稈在立地時易出現(xiàn)的缺陷。同時，采伐過程中會發(fā)生的破裂和外傷，以及儲存中的霉變、蟲蛀等缺陷都會對竹稈的利用產(chǎn)生重要影響。GB/T 2690—2000《毛竹材》對圓竹的外觀質(zhì)量要求進(jìn)行了限定，具體如表1 所示。

表1 圓竹材質(zhì)要求Tab.1 Quality requirements of given bamboo culm

2.1.2 尺寸分級

全高、節(jié)間長度、直徑、壁厚、尖削度、彎曲度、圓度等都是圓竹的基本分級指標(biāo)， ISO/TR 22157-2:2004(E)Bamboo—Determination of physical and mechanical properties—Part2:Laboratory manual、ISO 19624:2018(E)Bamboo structures—Grading of bamboo culms—Basic principles and procedures表述了用于圓竹幾何尺寸分級指標(biāo)的測量、統(tǒng)計和計算方法。圓竹尺寸分級指標(biāo)和水平的確定通?；诤罄m(xù)加工要求、目標(biāo)產(chǎn)品尺寸規(guī)格和用途等。一般認(rèn)為，胸徑＞12 cm為大徑竹，9～11 cm為中徑竹，6～8 cm為小徑竹[14]。直徑與壁厚之比可用于圓竹厚、薄壁類型的分類，直徑/壁厚＞8為薄壁，直徑/壁厚＜8為厚壁[15]。ISO 19624:2018(E)將圓竹內(nèi)、外尖削度分為2個等級，中等水平：-0.17%～0.09%、0%～0.1%；較高水平：0.09%～0.43%、0.1%～0.5%。為制定合理的圓竹加工方案，實現(xiàn)圓竹分類加工，將胸徑在6～14 cm的圓竹分成了5個等級進(jìn)行加工，使得竹材利用率有效提高5%[16]。結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，當(dāng)竹材彎曲特性作為關(guān)鍵設(shè)計要素時，ISO 19624:2018(E)以圓竹外徑為主要分級指標(biāo)進(jìn)行分級，等級水平如表2所示?；诨⌒沃衿蛊角暗能浕|(zhì)量要求，針對毛竹圓竹壁厚尺寸，列出了圓竹的壁厚等級以制定合理軟化工藝[16-17]，等級水平見表3。

表2 圓竹外徑分級水平表Tab.2 External diameter grading level of bamboo culm

表3 圓竹壁厚分級水平表Tab.3 Wall thickness grading level of bamboo culm

2.1.3 性能分級

性能決定用途，通過圓竹性能等級劃分可以實現(xiàn)圓竹精準(zhǔn)利用，當(dāng)前對圓竹性能分級的指標(biāo)主要包括密度、彈性模量和強度、縱向端面硬度模量等。LY/T 2564—2015《圓竹物理力學(xué)性能試驗方法》、ISO 22157-1:2004(E)Bamboo—Determination of physical and mechanical properties—Part1:Requirements均針對圓竹性能分級指標(biāo)的測試和計算方法進(jìn)行了說明。以材料的可設(shè)計性和性能的均勻性為出發(fā)點，將圓竹密度分成4 個等級，選擇相同密度等級的圓竹作為制備板材或結(jié)構(gòu)材的原料，等級水平見表4[16]。瓜多竹圓竹彎曲強度和剪切強度的分布范圍分別是35～50 MPa和3～5 MPa，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用場合中分為2 個應(yīng)用強度等級[18]。印度國家建筑法規(guī)（National Building Code of India）也根據(jù)彈性模量和強度，將結(jié)構(gòu)用圓竹的應(yīng)用分成了3 個等級，等級水平見表5。圓竹硬度模量是最新提出的圓竹性能快速檢測指標(biāo)，是指利用V型壓頭在圓竹端面壓入一定深度得出的線載荷和位移關(guān)系曲線的斜率，由于其與竹材的物理力學(xué)性能有很好的相關(guān)關(guān)系，可被用來對圓竹性能進(jìn)行分級。圓竹的縱向端面硬度模量一般分布在20～80 MPa，分級參考示例如表6 所示[19]。

表4 圓竹密度分級水平表Tab.4 Density grading level of bamboo culm

表5 圓竹彈性模量和強度分級水平表Tab.5 MOR and MOE grading level of bamboo culm

表6 圓竹縱向端面硬度模量分級水平表Tab.6 Hardness modulus grading level of round bamboo culm

2.2 竹材加工單元分級

竹材人造板種類較多，不同的類型幾乎都有一個幾何形態(tài)不同的構(gòu)成單元與之相對應(yīng)。以竹簾或竹席膠合板的制備單元竹篾為例，按其橫斷面形狀可分為片篾和絲篾，片篾又可分為弦向竹篾和徑向竹篾，弦向竹篾又可以分為等寬等厚的規(guī)格竹篾和普通竹篾[20]。以竹集成材的組成單元規(guī)格竹條為例，其為圓竹通過一定切削方式加工得到的一種截面規(guī)格尺寸一定的長條狀材料，橫斷面多為矩形。在此主要以竹集成材制備單元規(guī)格竹條為例闡述竹材加工單元的分級。

2.2.1 外觀質(zhì)量分級

GB/T 26536—2011《竹條》對規(guī)格竹條的外觀質(zhì)量要求進(jìn)行了說明，以排除生長缺陷、生物危害缺陷和機械加工缺陷對規(guī)格竹條的影響，具體要求見表7。

表7 規(guī)格竹條的材質(zhì)要求Tab.7 Quality requirements of dimension bamboo strip

2.2.2 規(guī)格尺寸分級

規(guī)格竹條尺寸分級指標(biāo)的確定基于竹單元后續(xù)加工以及竹集成材尺寸規(guī)格等，包括長度、寬度、厚度以及相應(yīng)尺寸的允許偏差等。規(guī)格竹條的長度、寬度和厚度尺寸及相應(yīng)尺寸偏差如GB/T 26536—2011要求,如表8所示。若不符合相關(guān)要求，則需對竹條進(jìn)行后續(xù)的加工修整，視具體情況選擇降級處理或是用作加工廢料。

表8 規(guī)格竹條的基本尺寸及尺寸偏差Tab.8 Basic dimensions and dimensional deviations of dimension bamboo strip

規(guī)格竹條的尺寸分級，最主要的目的是檢驗規(guī)格竹條是否滿足精度要求，保證后續(xù)的系列加工和產(chǎn)品質(zhì)量，以提高工作效率。宋光喃[21]在進(jìn)行規(guī)格竹條的密度分級與力學(xué)性能評價之前，首先對竹條的材質(zhì)外觀及尺寸進(jìn)行了檢量，利用尺寸穩(wěn)定、離散系數(shù)低的竹條制備結(jié)構(gòu)用竹集成材。

2.2.3 性能分級

竹材加工單元性能及其均一性是影響竹質(zhì)人造板性能的決定性因素，同時也是實現(xiàn)竹質(zhì)人造板性能可設(shè)計的關(guān)鍵。目前，竹材加工單元的分級研究較多集中在竹篾和規(guī)格竹條上，包括基于單一性能指標(biāo)的分級以及基于多個性能指標(biāo)的綜合分級。

規(guī)格竹條性能分級指標(biāo)主要為密度、彈性模量等[22]，GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》和ISO 22157-1:2004(E)規(guī)定了竹材加工單元性能分級指標(biāo)的無損檢測和計算方法。為克服規(guī)格竹條的不均一性造成的產(chǎn)品性能不穩(wěn)定性，將規(guī)格竹條按氣干密度和抗彎彈性模量分別分為9個等級和6個等級，其中，氣干密度區(qū)間（0.50～0.95 g/cm3）按0.05 g/cm3的間隔劃分，模量區(qū)間（0.60～0.85 g/cm3）按1 GPa的間隔劃分，最終將規(guī)格竹條綜合分為3個等級[23]，如表9所示。同時，刁倩倩[24]定義模重比為抗彎彈性模量和氣干比重的比值，以1 GPa的模重比間隔，將模重比分布在6.5～17.5 GPa的規(guī)格竹條分成了11個等級，并利用高模重比竹條（11～20 GPa）制備了模量在8～14 GPa的膠合竹層板。

表9 規(guī)格竹條的密度和模量分級Tab.9 Density and MOE grading of dimensional bamboo strip

2.3 竹材人造板分級

竹材人造板是以竹材或竹材廢料為主要原料，經(jīng)過物理化學(xué)處理和機械切削，加工成不同幾何形態(tài)的構(gòu)成單元，施膠后組成不同結(jié)構(gòu)形式的板坯膠合而成的一類人造板材。其改變了竹材徑小、中空、壁薄的幾何形態(tài)，成為大幅面、高強度的平面或型面材料[20]。按照組成板材的原材料種類、構(gòu)成單元幾何形態(tài)以及板材結(jié)構(gòu)可分為竹膠合板、竹層積材、重組竹和竹木復(fù)合板等。根據(jù)用途，可分為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)竹材人造板，如結(jié)構(gòu)用竹篾層積材、結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板、竹膠合板模板等，非結(jié)構(gòu)竹材人造板包括非結(jié)構(gòu)用竹集成材、竹材刨花板等。

根據(jù)用途不同，竹材人造板的理化性能也有等級劃分，如結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板的彈性模量、靜曲強度和水平剪切強度均分為A、B、C級（GB/T 21128—2007《結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板》）。竹膠合板模板的外觀質(zhì)量和物理力學(xué)性能均有優(yōu)等品和合格品之分（JG/T 156—2004《竹膠合板模板》）。結(jié)構(gòu)用竹篾層積材，除了長度、寬度和厚度分不同等級外，其物理力學(xué)性能也有相應(yīng)的指標(biāo)要求，同時抗彎性能從80E-160E被分為7個等級（LY/T 2225—2013《結(jié)構(gòu)用竹篾層積材》）。結(jié)構(gòu)用重組竹則根據(jù)抗彎彈性模量和強度將其力學(xué)性能分成了3個強度等級：28E-165f、18E-135f、10E-90f ，并規(guī)定低于10E-90f強度級別的重組竹不宜采用（LY/T 3194—2020《結(jié)構(gòu)用重組竹》）。非結(jié)構(gòu)用竹集成材，除了規(guī)格尺寸和偏差要求外，根據(jù)其面板的材質(zhì)缺陷和加工缺陷也分為優(yōu)等品、一等品和合格品（LY/T 1815—2009《非結(jié)構(gòu)用竹集成材》）。竹材刨花板按尺寸偏差分A類和B類，并分別有不同的理化性能指標(biāo)和要求（LY/T 1842—2009《竹材刨花板》）。竹編膠合板按厚度分為薄型和厚型，同時其物理力學(xué)性能指標(biāo)也分Ⅰ類和Ⅱ類，以靜曲強度為例，厚型Ⅰ類靜曲強度要求≥60 MPa，而Ⅱ類要求≥50 MPa（GB/T 13123—2003《竹編膠合板》）。

3 竹材分級應(yīng)用

3.1 圓竹分級應(yīng)用

在圓竹性能穩(wěn)定的條件下，圓竹尺寸分級也尤為重要，如表10 中基于圓竹稈形尺寸分別應(yīng)用于不同建筑場合[25-27]。如2019 年世界園藝博覽會國際竹藤館“竹之眼”建造中，竹拱跨度達(dá)32 m，竹拱和檁條都選用了胸徑8～10 cm、長度（600±3）cm、尖削度＜2 的標(biāo)準(zhǔn)竹稈為單元，通過先進(jìn)的連接技術(shù)組成圓竹構(gòu)件[28]?；跓o刻痕竹展平生產(chǎn)過程，首先對竹材直徑和壁厚進(jìn)行分級，從而確定剖分方案和軟化工藝以及控制展平板厚度[17]。規(guī)格竹條制備過程中，依據(jù)圓竹段直徑確定剖分方案，一般小頭直徑為6～9 cm的圓竹可剖分4～5 個竹條單元，而直徑10.5～11.5 cm的圓竹則可以剖分出6～7 個竹條單元[16]。

表10 建筑場合用圓竹尺寸要求Tab.10 Dimensional requirements of round bamboo in construction

3.2 竹材加工單元分級應(yīng)用

竹材加工單元性能決定了竹材人造板理化性能，并影響其最終用途。通過對規(guī)格竹條密度和模量的綜合分級，可分為低密度（0.475～0.625 g/cm3）、普通（7.5～11.5 GPa）和高性能（11.5～14.5 GPa）竹條，可相應(yīng)制備出模量6～14 GPa，強度70～150 MPa的連續(xù)竹層板，其中普通竹層板可作為家具用材，而高性能竹層板適用于風(fēng)輪葉片、結(jié)構(gòu)用膠合竹等高性能產(chǎn)品[23-24]。此外，將竹篾從竹青到竹黃依次可分為A、B、C、D四級，其中A和B級竹篾制備的層積材模量優(yōu)于針葉材，強度是針葉材的數(shù)倍，可作為建筑結(jié)構(gòu)等高模量類構(gòu)件；而C和D級竹篾制備的層積材模量則低于針葉材，但穩(wěn)定性較好，可作為濕環(huán)境或干濕交替環(huán)境下的低縮脹類構(gòu)件[29-30]。重組竹制備過程中，一般選用平均寬度在1.86 mm的竹束更有利于樹脂滲透[31]。

3.3 竹材人造板分級應(yīng)用

竹材人造板分級主要根據(jù)最終用途確定。例如，根據(jù)竹材人造板的耐水耐候性將其分為結(jié)構(gòu)用、半結(jié)構(gòu)用和非結(jié)構(gòu)用三大類，如表11 所示[32]，其中，竹席膠合板根據(jù)板材耐水耐候性可分為露天長期使用的Ⅰ類板材和室內(nèi)長期使用的Ⅱ類板材；根據(jù)板材厚度又可分為家居裝飾、包裝類的薄型板（＜7 mm）和車廂底板、模板類的厚型板（≥7 mm）[20]。根據(jù)竹材人造板的種類、長、寬規(guī)格以及竹篾在板材中的縱向與橫向位置，便可以確定竹材人造板所用竹篾的幾何尺寸，進(jìn)而對剖篾工藝提供相應(yīng)的指導(dǎo)，如對于竹篾層積材，其構(gòu)成單元是弦向/徑向竹篾，竹篾長度應(yīng)為產(chǎn)品長度與橫向裁邊余量之和，寬、厚尺寸分別為10～20 mm、0.8～1.4 mm或5～15 mm、2.0～2.8 mm[20]。

表11 竹材人造板分類Tab.11 Classification of bamboo-based panel

4 結(jié)語

竹材是天然的生物質(zhì)材料，受內(nèi)在和外在因素影響，物理力學(xué)性能有較大差異，尤其是竹材徑向性能差異明顯。經(jīng)過分級，可得到性能均勻且多樣化的竹材加工單元及其產(chǎn)品，實現(xiàn)竹材高效、科學(xué)利用。同時，竹材分級是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)材料性能的必要手段，按照一定的分級方法將圓竹或竹材單元分等，可達(dá)到產(chǎn)品性能穩(wěn)定、實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能可設(shè)計和調(diào)整的目的。然而，現(xiàn)有的竹材分級方法多是目測分級或根據(jù)產(chǎn)品用途和現(xiàn)有加工模式在生產(chǎn)加工過程中經(jīng)驗總結(jié)的結(jié)果，要實現(xiàn)竹材及其產(chǎn)品批量生產(chǎn)，建立完整的生產(chǎn)工藝方法和規(guī)范、單元檢驗和科學(xué)分級標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵。此外，機械化程度是決定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的重要因素，研發(fā)自動化程度高的竹材分級設(shè)備是確保分級質(zhì)量和穩(wěn)定性、提高分級效率和規(guī)?；a(chǎn)的保障。