原竹增强空心刨花板材性分析及其轴向抗压稳定性设计

蒋 军 卢晓宁 沈海颖

竹材作为我国的特色资源，其种类和产量均居世界首位。原竹具备中空带节、径小壁薄的结构特征，且在竹壁厚度方向上存在着化学成分和物理性能差异明显的构造形式[1]。这种特殊组织结构，赋予原竹独特的功能性，使其与木材相比具备比强度高、韧性好、隔热吸声等特点。然而，相关报道[2-3]表明：人造板行业中，竹资源利用主要集中在以毛竹为主的大径级竹材。且除碎料板以外，其他各类竹材人造板的利用率均低于50%，综合利用率只在40%左右[4]。造成这种低利用率现状,研究者[5-6]认为主要集中在以下几点: 1）竹材内外表面含有竹黄、蜡质层和有机硅，阻止了胶黏剂对其表面进一步润湿; 2）竹加工生产设备精度低，损耗大; 3）对小径级竹材资源未充分高效利用；4）现行工艺原竹均经过剖蔑、碾压等处理，破坏了原竹结构，耗时费力，降低了产品效益。

在节约可再生资源的背景下，刨花板是将木材加工剩余物、小径级木材或者非木材植物纤维原料加工成刨花(或碎料)，经胶黏剂混合热压而成的一种非结构用人造板材[7-8]。在室内装饰和家具制造行业，刨花板在世界范围内的需求量急剧增加，已经占到人造板总体使用量的57%，并保持着每年2%～5%的稳定增长率[9-10]。然而，空心刨花板作为刨花板的一种，其应用同样主要集中在装饰性方面，力学性能方面的缺陷在一定程度上限制了其在其他应用领域的进一步发展。

笔者利用小径级原竹为增强相，空心刨花板为基体相，制备原竹结构竹木复合材料。分析讨论了复合材料的基本物理力学性能，并探究其作为轴向抗压材料的稳定性设计方案。期望为我国竹材的综合利用，特别是小径级竹材利用提供新的研究思路，拓宽小径级竹材和空心刨花板的应用范畴。

1 材料及方法

1.1 主要实验材料

1）淡竹(Phyllostachysglauca McClure)：3年生淡竹，竹竿外径18～20 mm。竿径匀称、长度完整，砍伐于距地表以上30 cm处，发育良好且无明显虫害缺陷。试样调整含水率 (12±5)%备用。

2）空心刨花板( EP)： 规格：2 100 mm (长) ×1 250 mm(宽) ×33 mm (厚)，孔径20 mm，含水率：10%～15%；购于常熟凯旋木业有限公司。

3）共混胶黏剂：三聚氰胺-尿素-甲醛树脂胶黏剂(MUF) [山东曲阜市慧迪化工有限责任公司：n(F)/n(U)=1.2 ～1.3，w%(M)=18%～20%；pH =8.52～9.58；黏度：310 mPa·s；固含量：46.65%。自制封闭型聚氨酯发泡胶黏剂：与MUF共混质量添加量为15%。共混胶黏剂均匀覆盖原竹表面(胶层1～2 mm)；复合板材热压温度130～135 ℃，热压时间20 min，热压压力0.6 MPa。

4）BRP覆面改性：采用杨木单板(厚度1.3 mm; 含水率8%～12%)压制五层LVL和胶合板对BRP进行表层改性。胶黏剂：间苯二酚-苯酚-甲醛树脂胶黏剂(固含量62.1%；黏度65 mPa·s；pH=9.5)。改性工艺条件：双面施胶300 g/m2；常温冷压24 h；压力0.8 MPa。

1.2 原竹增强空心刨花板( BRP)性能测试

测试指标：板材密度(ρ)；纵向抗压强度(CS)；长度方向尺寸变化率(LDC)；吸水厚度膨胀率(TS)；吸水量(WA); 内结合强度(IB)；静曲强度(MOR)；抗弯弹性模量(MOE)。抗压试件：80 mm(长)×50 mm(宽)×33 mm(厚)；抗弯试件：长度：1 100 mm，横截面尺寸(长×宽)同抗压试件 (图1)。

图 1 抗压、抗弯试件横截面示意图Fig. 1 Cross section diagram of specimens for compression and bending test

1.3 轴向抗压柱设计方法

实际工程中,由于载荷作用位置偏差，结构不均匀等原因造成的初始偏心距，在加载后会逐渐增大，造成轴向抗压材料在强度破坏前就发生失稳破坏[11]。因此，压杆稳定性设计尤为重要，且有欧拉公式作为设计准则[12]：σcr=Fcr/A=π2EI/(μl/i)2A≤σp；λ=μl/i；i=(I/A)1/2。式中:σcr为临界应力；Fcr为临界压力；A为截面面积；E为材料弯曲弹性模量；I为截面惯性矩；μ为长度因数；l为杆实际长度；i为截面惯性半径（矩形截面i=0.289b;b:截面宽度）；λ为长细比；σp为压杆比例极限。

设计假设：1）取矩形截面计算；2）定义柱的长细比为：柱无侧向约束的长度与对应的截面回转半径的比值, 即：λ=μl/i(μl为计算长度)；3）取单独轴向载荷计算；4）取设计计算长度为实际长度。并依据P/φA≤[σ] ；λ=μl/i两个方程进行设计。式中：P为设计轴向压力；φ为稳定系数；A为轴向受压截面面积； [σ]为材料的抗压设计值。其中，A和i有关，φ和λ有关。

欧拉公式只有在临界应力小于比例极限σp时才是成立 的，即：π2EI/(μl)2A≤σp或λ≥(π2E/σp)1/2=λp。式中，σp为材料的顺纹抗压比例极限；λp为材料抗压比例极限对应的压杆柔度。由此，欧拉公式的适用范围是：λ≥λp。

木材(竹材)组织不均匀，力学性能变异性较大。当材料处于恒定载荷时，顺纹抗压强度极限值σ相对于顺纹抗压(轴向)比例极限σp较容易测定，且两者存在一定的数学关系。对于传统结构用材，σp=0.8σ[13]。在恒定载荷作用下，木材抗压强度比瞬时载荷作用下抗压强度低的多。一般规定：σpy=0.53σp(σpy：恒定载荷作用下顺纹抗压比例极限)。从而得出：恒定载荷作用下轴向抗压比例极限为：σpy=0.53×0.8σ=0.45σ。所以，对应压杆柔度取值为：λp=(π2E/0.45σ)1/2；代入相关试验数据得：λp=68；因此，该研究中，满足欧拉公式的压杆柔度取值必要条件是：λ≥68。

2 结果与分析

2.1 BRP物理力学性能测试

通过表1得出：保留竹青的BRP材料，CS和IB分别约为EP基材的2.3倍和2.16倍；MOR和MOE分别约是EP素材的6.4倍和5.95倍；LDC和TS相比EP素材分别降低了10.28%和2.5%。而去青BRP材料，CS和IB分别约为EP素材的2.27倍和2.53倍；MOR和MOE分别约为EP素材的6.52倍和6.16倍；LDC和TS相比EP素材分别降低9.97%和2.42%。

表1 BRP物理力学性能分析Tab.1 Physical and mechanical performance of BRP

数据分析表明:原竹结构引入使得EP力学性能得到了明显的改善和提高；同时在尺寸稳定性上相比EP，BRP材料也得到较为显著的优化。这可能是因为：EP利用木材加工剩余物，以少量的胶黏剂混合搅拌，采用挤压法成型。在人造板行业中主要用作墙板、门板、家具等非结构用材[14]。在恒定载荷下，EP总是以脆性断裂的形式破坏，难以维持一定的承载时间。通过引入具备良好韧性和纵向抗压强度的原竹结构，在纵向抗压时充分发挥竹材优越的抗压性能，以原竹轴向受力为主；空心刨花板在原竹四周起到基体保护作用，固定原竹位置，一定程度上可以约束原竹侧向弯曲。在宏观上构建一种原竹结构“纤维增强复合材料”。

表2表明：竹青存在与否对IB有一定的影响，对其他力学性能影响不显著。从P值大小反应，竹青存在与否对以上相关性能的影响程度是：IB＞LDC＞MOE＞TS＞MOR＞CS。这可能是因为：淡竹表面含二氧化硅成分为0.18%[1]。竹材表面竹青的存在，影响了胶黏剂在其表面的润湿性和渗透性[15]。导致部分胶黏剂在竹材表面无法顺利铺展、渗入竹材内部，不能形成有效的胶钉结构，影响胶合效果。

表2 原竹表面形式对BRP 材性影响Tab.2 Effect of original bamboo surface on BRP properties

2.2 覆面改性对BRP材性的影响

试验发现：BRP最初破坏形式主要是以EP的脆性断裂为起点。因此，利用五层胶合板和LVL分别对BRP表面进行改性处理（图1b）。

BRP尺寸稳定性试验结果显示(图2a)：BRP的TS约为EP的1/3；LDC约为EP的1/4。随着覆面材料的引入，覆面原竹增强空心刨花板TS和LDC相比EP整体呈下降趋势，表明原竹材料和覆面材料的加入有助于改善EP尺寸稳定性。且不同覆面材料对TS影响不显著,但对LDC影响显著。BRP抗弯性能试验结果显示：BRP的MOR和MOE均优于EP，EP的MOR和MOE分别为2.47 MPa和550 MPa，而BRP相应指标达到16.1 MPa和3 390 MPa。且LBRP抗弯性能均优于PBRP材料。其中LBRP材料MOR达到37.84 MPa，MOE到达14 577 MPa。表3显示：不同覆面材料对复合材料的MOR和MOE均有显著影响，且对MOE影响更为显著。

图2 不同复合材料尺寸稳定性及抗弯性能Fig.2 Dimensional stability and bending properties of different composites

表3 覆面材料对BRP材性的影响Tab.3 Effect of facing material on BRP properties

综合以上分析可以得出：覆面改性处理可降低复合板WA，从而降低TS和LDC，提高BRP材料尺寸稳定性；LVL覆面改性更有利于提高BRP材抗弯性能。其原因可能是LVL或胶合板由单板压制而成，阻碍了水直接从空心刨花板表层碎料空隙渗入，减少了水分快速渗入途径，从而在一定时间范围内降低了WA。此外，同等材质和工艺条件下制备的LVL与胶合板相比，LVL具备更好的抗弯特性[16]。因此，更有利于提高BRP材抗弯性能。

2.3 轴向抗压稳定性设计

基于GB 50005—2003《木结构设计规范》中，材料设计TC17B( CS≥15 MPa)和TB15(CS≥14 MPa)类别要求。假设轴压截面尺寸：长边为a，短边为b，a/b=c≥1。

1）TC17 B类

① 当λ＞75

联立（4）、（5）两式，解得：

即：若，轴压构件轴向力P满足（6）式，并λ＞75，则BRP轴压柱为大柔度柱，且截面尺寸满足（4）式设计；反之则为中等柔度柱。

②当 68≤λ≤75

联立（8）、（9）两式，解得：

若，轴压构件轴向力P满足中等柔度柱取值时，则BRP轴压柱的截面尺寸应符合(10)取值范围。

2）TB15类

① 当λ＞91

即：若，轴压构件轴向力P满足（14）式，并λ＞ 91，则BRP轴压柱，为大柔度杆件，且截面尺寸满足（12）式；反之则为中等柔度柱。

② 当68≤λ≤91

联立(16)、(17)两式，解得

若，轴压构件轴向力P满足中等柔度取值，并68≤λ≤91，则BRP轴压柱，截面尺寸应满足(18)式。

故，BRP轴压稳定性设计参数见表4。

表4 原竹增强空心刨花板轴向抗压尺寸设计参考范围Tab.4 Reference values of stability design for longitudinal compression

3 结论

1）原竹结构引入对EP材性有显著影响，力学性能和尺寸稳定性均显著提高；

2）原竹和覆面材料的加入有助于综合改善EP尺寸稳定性和抗弯特性。LVL或胶合板阻碍了水从刨花板表层碎料空隙直接渗入，减少了水分快速渗入途径，从而在一定时间范围内降低了WA，提高了复合材料整体尺寸稳定性。不同覆面材料对TS影响不显著，但对LDC影响显著；

3）LBRP抗弯性能优于PBRP材料。其中LBRP的MOR达到37.84 MPa，MOE达到14 577 MPa；不同覆面材料对MOR和MOE均有显著影响，但对MOE影响更为显著；

4）依据实验结果，对BRP作为轴向抗压材料进行稳定性设计，得出其稳定性设计参数的参考取值范围。

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