组坯结构对竹束单板层压板物理力学性能的影响

张文福，王 戈，程海涛，林利民，邱亚新

(1. 国际竹藤网络中心，北京 100102；2. 黑龙江省林产工业研究所，哈尔滨 150040)

组坯结构对竹束单板层压板物理力学性能的影响

张文福1，王 戈1，程海涛1，林利民2，邱亚新1

(1. 国际竹藤网络中心，北京 100102；2. 黑龙江省林产工业研究所，哈尔滨 150040)

以竹束单板层压板为研究对象，分析组坯结构对板材物理力学性能和连接性能的影响。试验结果表明：在组坯层数相同的条件下，随着铺装方向的增多，层压板顺纹的各项力学性能呈下降趋势，采用多向铺装方式的板材的耐水性能低于单一铺装方向的性能，但板材的连接性能得到了提高。因此，实际应用中，在保证竹束单板层合板力学性能达到使用要求的条件下，可以增h层合板组坯方向，改善其连接性能，提高使用的安全性。

竹束单板；层压板；力学性能；耐水性能；连接性能

竹束就是将竹材加工成一定宽度的竹条后，经过碾压帚化等工艺形成通长的相互交联并保持纤维原有排列的疏松状单元[1]，而由竹束横向松散连接且具有一定宽幅的单元称为竹束单板。将竹材帚化成竹束单板，再经干燥、施胶、组坯成型后热压而成的板状或其他形式的人造板，具有竹材利用率高、物理力学性能

优良、加工性能好等优点，可用做工程结构材料、装饰材料、家具用材、地板等。目前，竹束单板主要是重组竹生产的原材料，经过层积热压而成。在复合材料结构力学中，将由两层或多层的铺层通过树脂固化彼此黏结在一起的板材被称为层压板[2]，因此也可以将重组材称为竹束单板顺纹层压板，这种由单一铺装方向压制的层压板，在纤维方向具有很高的强度和刚度，在垂直纤维方向上的强度和刚度非常低。层压板在实际应用中，由于工艺水平的限制和使用连接的需要，大多数采用胶接、榫接、机械连接和混合连接等方式进行连接。其中机械连接中的螺栓连接是竹、木结构最常用的一种连接方式，适用于承载较高载荷的部位或强调可靠性较高的部位。实际应用证明，螺栓连接的连接部位也是整个构件中最薄弱的部分，其承载性能是影响结构受力性能的关键，关系到结构的安全性、可靠性和稳定性[3]。同时，根据相关学者研究表明：相对于多种铺装方向，采用单一铺装方向的层压板连接强度较低[4]。因此，开展竹束单板层压板组坯结构的研究对扩大其应用范围具有重大的意义。

基于上述考虑，本文以竹束单板层压板为研究对象，分析不同组坯结构对层压板的顺纹力学性能及连接性能的影响，以期为扩大材料的应用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

梁山慈竹，采自四川省长宁县，竹龄3～5年；水溶性酚醛树脂胶，购于北京太尔化工有限公司，固体含量45%。

1.2 试验设备

自主研发竹材帚化机、热压机(CARVER 3895)、力学试验机(INSTRON 5582)、推台锯(FESTOOL CS70)、气流式干燥箱(DHG 9240A)、力矩扳手、电子数显卡尺等。

1.3 试验方法

1.3.1 制作工艺

竹束单板的加工：将慈竹截成2 m长的竹筒，并剖分成四片，再使用帚化机加工成疏松片状材料，形成纵向基本保持竹纤维强度，横向松散连接且具有一定宽幅，厚度均匀的竹束单板，然后裁成300 mm长，气干至含水率10%～12%，待用。

将加工好的竹束单板浸入用水稀释至固体含量为15%的酚醛胶中，浸渍时间7 min，取出淋干后，测其浸胶量[1]，然后干燥至含水率10%～12%。测得竹束单板浸胶量为：18.13%。试验中板材幅面设定为300 mm×140 mm，厚度为12.5 mm。板坯共7层，根据对称铺装的原则进行组坯，选用三种组坯结构分别是：顺纹组坯(0°)、纵横组坯(0°、90°)、交错组坯(0°、60°、120°)，结构示意图如图1所示。采用“冷进冷出”的热压工艺，热压主要参数为：热压压力6 MPa，热压时间1 min/mm，热压温度160℃。

图1 组坯结构示意Fig. 1 Schematic illustrations of lay-up structure

1.3.2 性能测试

板材陈放24 h后即可制作试件，参照 GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[5]检测试件的密度、静曲强度、弹性模量、顺纹抗压强度；参照GB/T 20241-2006《单板层积材》[6]检测试件的水平剪切强度。试验采用两种处理方法测试板材的耐水性能。① 63℃浸泡法处理：将试件置于pH值为7±1，温度为63±2℃的恒温水槽中，浸泡24 h后，参照 GB/T 17657-1999，检测试件的吸水厚度膨胀率。② 28 h循环水煮法处理：将试件放入沸水中煮4 h，取出后直接将试件平放在（63±3）℃的干燥箱中干燥20 h，在放入沸水中煮4 h，取出后在室温下冷却10 min。参照GB/T 17657-1999，检测试件的吸水厚度膨胀率。

参照GB/T 50329-2002《木结构试验方法标准》[7]制作对称双剪单螺栓连接试件，选用M6螺栓进行连接，螺栓拧紧力矩为3 N·m，最大破坏强度 σ 定义为：其中，Fmaх、D、t分别为最大破坏载荷、孔直径和板厚。

2 结果及分析

三种组坯结构竹束单板层压板的物理力学性能检测结果如表1所示。

2.1 力学性能

由表1可知，随着层合板组坯方向的增加，板材的静曲强度、弹性模量、顺纹抗压强度、水平剪切强度等力学性能指标呈递减趋势。但是三种板材均能达到GB/T 20241-2006中规定的结构用单板层积材弹性模量和静曲强度指标中的140E级和结构用单板层积材水平剪切强度指标中的65V-55H级。三种板材的力学性能存在差别，主要是因为：1)所测的板材力学性能是平行于表层竹束的排列方向，随着铺装方向的增多，平行于表层竹束的层数减少，因此其纵向力学性能有所下降；2)帚化的竹束采用顺纹组坯的方式，板材层间纤维按照同一种方向进行排列，纤维基本保持原有的通直的形态，而采用纵横组坯和交错组坯的方式，板材层间纤维相互搭接，经热压密实化后，纤维产生弯曲，甚至折断，降低了板材力学性能。

表1 层压板的物理力学性能†Table 1 Mechanical properties of laminated board

2.2 耐水性能

由表1可知，板材结构的不同，对板材的耐水性能存在明显的影响。竹材被帚化成离散状的竹束，虽然比表面积增大，浸胶量增加，但是竹束的松散程度难以控制。采用顺纹组坯的方式，竹束单元按照同一方向排列，在热压密实过程中，被挤压的纤维依照最小阻力定律，向阻力较小的位置发生侧移，形成较为密实的板材。而采用纵横横和交错的组坯方式，层间纤维相互搭接，在热压密实过程中，层间纤维的摩擦力大于其侧向移动的力，因此，板材内部易形成空隙，降低板材的耐水性能；同时相互搭接发生弯曲的纤维，使得板材内部产生应力，经过63℃浸泡和28 h循环水煮处理后，板材内部应力得到释放，从而表现出耐水性能较差的现象。

2.3 连接性能

三种组坯结构竹束单板层压板的连接性能如表2所示。

如表2所示，板材A连接性能最差，板材B和板材C的连接性能分别比板材A高32.7%和50.8%。其中，板材A主要采用顺纹组坯的结构，板坯结构较为简单，在进行连接性能测试时，试件的主材自低向上劈裂。板材B采用了纵横垂直的组坯方式，层与层的铺装方向相差90°；从连接性能测试的结果来看，虽然具有较好的荷载能力，但是由于相邻层间铺装方向变化较大的影响，使得层间胶合性能变差，致使侧材胶层产生破坏。板材C采用了交错组坯的方式，层与层的铺装方向相差60°，在进行连接性能测试的过程中，直到螺栓拉断，试件的整体结构仍未受较大的破坏。由此可见，板材的组坯结构对板材的连接性能具有较大的影响，采用纵横或交错组坯的方式，板材的物理力学性能虽有一定的降低，但是在达到一定的使用要求的条件下，其连接性能优于顺纹组坯的板材，保证了使用的安全性。

表2 层压板的连接性能Table 2 Connection performance of laminated board

3 结 论

组坯结构对竹束单板层合板的物理力学性能和连接性能存在明显的影响。在组坯层数的相同条件下，随着铺装方向的增多，板材顺纹的各项力学性能呈下降趋势，采用多向铺装方式的板材的耐水性能低于板材单一铺装方向的性能，但可以提高板材的连接性能，其中采用交错组坯结构的板材连接性能最好，其次是纵横组坯的结构，而顺纹组坯结构的板材连接性能最差。

竹束单板顺纹层压板(重组竹)的纵向力学性能较好，其静曲强度和弹性模量、抗压强度、水平剪切强度均超过了结构用单板层积材中最高级别的指标要求，但是连接性能较差。本研究通过改变板材的组坯结构，大大提高了板材的连接性能，故在力学性能要求相对较低的结构中，可以选用连接性能较好的组坯结构，保证使用的安全性。

[1] 赵仁杰，喻云水. 竹材人造板工艺学[M]. 北京: 中国林业出版社, 2002.

[2] 赵美英，陶梅贞. 复合材料结构力学与结构设计[M]. 西安:西北工业大学出版社, 2007.

[3] 刘柯珍，王朝晖，黄仲华. 木结构螺栓连接研究进展[J]. 木材加工机械. 2011(1): 40-42.

[4] 顾亦磊. 复合材料机械连接强度分析及影响因素研究[D]. 西安：西北工业大学, 2006

[5] 国家质量技术监督局. GB/T 17657-1999 人造板及饰面人造板理化性能试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 1999.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 20241-2006 单板层积材[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

[7] 中华人民共和国建设部. GB/T 50329-2002 木结构试验方法标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 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

林业公益性行业科研专项（201004005）；农业科技成果转化资金项目(2009GB24320467)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2010AA101701-04)

张文福(1987—)，男，硕士研究生。主要研究方向：木材科学与技术；E-mail：zhangwenfu542697@163.com

王 戈(1965—)，男，博导，研究员；主要研究方向：木材科学与技术；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文编校：邱德勇]