竹定向刨花板指接工艺的研究

孙玉慧，江泽慧，刘焕荣，孙正军，杨晓梦，张秀标

竹定向刨花板(竹OSB)具有强度高、尺寸稳定性好、材质均匀等优点［1-3］，具有优良的力学性能，适于开发成建筑结构中的梁、柱、墙板、地板和楼面板等［4-5］。目前，国内产业化生产的竹定向刨花板企业仅有云南永利发林业有限公司一家，其采用多层热压机生产的竹OSB，幅面规格为2 440 mm(长)×1 220 mm(宽)×h mm(厚)，主要作为室内装修材料和集装箱底板使用。竹OSB在国内大跨度、大空间结构材领域中应用较少［6-7］，主要是由于国内竹OSB板的尺寸限制，不能满足大跨度、大空间结构材需要。因此对市场上现有的竹OSB在长度方向上接长，是竹OSB综合利用较为有效的技术之一，为竹OSB在建筑上的有效利用开辟了一条新途径。

目前国内外对竹OSB的接长尚未见报道，本研究对竹OSB的接长主要参考近年竹集成材接长研究和木材接长的研究［8-17］。张叶田［12］等对竹集成材和竹指接材的物理力学性能进行了试验研究，试件采用指榫长30 mm、指顶宽2 mm、斜度1/9指接拼接，拼压采用间苯二酚树脂胶，施胶量约200 g·m－2，端压 1.5 MPa，在室温下拼压 3～4 h，养护48 h。结果表明，竹指接集成材受指接的影响，其抗拉强度、抗压强度和抗剪强度略低于竹集成材，但能满足一般承重类的结构材料使用［13］。S.RAO［14］等研究了几种指榫类型对北美白松指接材抗拉强度的影响，表明指长 12.7 mm、指距 3.02 mm、指顶宽0.45 mm、坡度1∶12的指榫类型具有更好的抗拉强度;随着坡度降低，抗拉强度增加;指顶宽越大，抗拉强度越低。S.RAO［15］等还分析了端压对黑云杉指接材力学性能和耐剥离性能的影响，结果显示，8 MPa的端压会引起指顶的断裂，从节约能源角度上，2 MPa端压较适宜。周志芳［16］等研究得到截面尺寸、加载方式和指接类型在特定条件下对落叶松大尺寸结构指接材抗弯强度和抗弯弹性模量有显著影响。落叶松结构指接材完全可用作木质工程材料，宽面承载、V形指接以及适宜的截面尺寸有利于保证结构指接材的抗弯性能。本研究选取指榫类型、施胶量和端压等作为主要参数，研究其对竹OSB指接材抗弯强度和抗拉强度的影响，并分析了竹OSB指接材的破坏形式。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 竹定刨花板:幅面规格为2 440 mm(长)×1 220 mm(宽)×28 mm(厚)。竹刨花选用龙竹刨花，刨花表层和芯层垂直铺装竹材定向刨花板，由云南永利发林业有限公司制备。

胶黏剂:间苯二酚，上海致新材料科技有限公司生产，使用时主剂 ∶交联剂=3∶1。

1.1.2 仪器与设备 多锯片圆锯机，指榫开榫机，指榫加工用铣刀片，单层压机，宽带砂光机，INSTRON 5582万能力学实验机。

1.2 试验设计

设计L16(4-3)正交试验，研究不同指榫类型、施胶量、端压等3种工艺参数对竹OSB的指接材的抗拉性能和抗弯性能的影响，正交试验表见表1，每一组试验重复3次。利用正交试验得出的最佳工艺结果进行补充验证试验，在最优工艺参数条件下制备竹OSB指接板，重复3次。

表1 试验因素与水平Table 1 Test factors and levels in orthogonal experiment

1.3 试样制备

竹定向刨花板通过圆锯机和刨床加工成尺寸为400 mm(长)×85 mm(宽) ×28 mm(厚)的竹OSB 试件，指接时保证同一试样的竹OSB进行指接。开榫机上将竹OSB的一端加工成4种不同类型的水平型指榫，全肩型(侧厚见指)，齿形加工形式见图1，4种指榫类型分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。指接采用手工单面涂刷胶粘剂，在指榫表面形成均匀胶层。纵向压力设定为8 MPa，调节不同的端压，加压4 h，指接的端压见表1，指接后的竹OSB在室温下养护72 h备用。

1.4 试样检测

选取未指接的竹OSB作为参照组，抗弯试样和抗拉试样各 6 个。参照 GB/T 1938－2009［18］，抗拉强度试件尺寸:370 mm(长)×20 mm(宽)×28 mm(厚);参照 GB/T17657－2013［19］，静曲强度(MOR)和弹性能模量(MOE)试件尺寸:620 mm(长)×50 mm(宽)×28 mm(厚)。在圆锯和平压刨上将试件加工成测试尺寸，截断时保证指接接头在试件中间位置。

图1 指榫加工Fig.1 Processing diagram of fingers

2 结果与分析

2.1 竹OSB指接材力学性能测试结果和分析

竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉强度的正交试验结果见表2，通过工艺参数对竹OSB指接材MOR、MOE和抗拉强度影响的极差分析，得出3个指标下的因素主次顺序都是指榫类型＞施胶量＞端压。MOR指标下得到的最优工艺参数是指榫类型Ⅲ、施胶量 260 g·m－2、端压 3 MPa，MOE 指标下得到的最优工艺参数是指榫类型Ⅰ、施胶量260 g·m－2、端压3 MPa，抗拉强度指标下得到的最优工艺参数是指榫类型Ⅲ、施胶量 290 g·m－2、端压 6 MPa。3指标单独分析出的优化条件不一致，根据因素的影响主次，综合考虑，确定最优工艺参数是指榫类型Ⅲ、施胶量 290 g·m－2、端压 3 MPa。

2.2 最佳工艺条件下竹 OSB指接材的 MOR、MOE和抗拉强度与未指接板的性能比较分析

表3中，以竹OSB作为参照组，测得未指接的竹OSB的 MOR、MOE和抗拉强度分别是 78.95 MPa、10.63 GPa 和 28.71 MPa，当选用最佳工艺条件指榫类型Ⅲ、施胶量290 g·m－2、端压3 MPa时，竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉强度等3项综合力学性能较高，分别达到竹 OSB未指接材的74.05%、75.73%和 64.12%。与未指接的竹 OSB 相比，对现有竹OSB接长获得的竹OSB指接材具有较好的抗弯性能和抗拉性能。与一般建筑用结构材料相比，竹OSB指接材的抗拉强是18.41 MPa，明显低于毛竹、落叶松和杉木［12］，MOR和MOE分别是58.46 MPa和8.05 GPa，虽低于毛竹和落叶松，但接近杉木，能经过设计计算满足GB 50005《木结构设计手册》规定的一般承重梁类的抗弯结构材料使用［20］。

2.3 指榫类型对指接材MOR、MOE和抗拉强度的影响

通过各因素对竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉强度的影响进行了分析表明，指榫类型对其MOR和抗拉强度影响显著，对MOE的影响不显著(图2)，指榫类型Ⅲ对应的MOR和抗拉强度较高，具有更好的抗弯性能和抗压性能。

指榫类型Ⅱ的静曲强度较低(图2)，原因可能是指榫类型Ⅱ的齿顶宽1.5 mm，相对较钝，钝的顶端呈对接，不能传递应力，指榫顶端断面陡然变化引起应力集中导致木材破坏时的载荷较预料的低［21］，指榫类型Ⅱ的相对胶接面积小，影响竹OSB指接材的静曲强度(表1)。

指榫类型Ⅳ对应的MOR、MOE和抗拉强度较低(图2)，原因可能有2个，首先指榫类型Ⅳ指长25 mm，铣刀在加工过程中易过热，竹OSB中的杂质和胶粘剂导致刀片变钝或永久损坏，竹OSB指榫表面变糊，影响胶合。其次，几种指榫类型加工出齿形Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型的边肩宽度分别是 1.03、1.50、1.35、2.60 mm(图 1)，在弯曲破坏试验中，破坏首先发生在下表面指接部位，Ⅳ型的边肩破坏面积较大，致使MOR和MOE相对较低。

指榫类型Ⅰ对应的MOR仅次于指榫类型Ⅲ对应的MOR，在只对竹OSB指接材的抗弯强度有要求的情况下，选用齿长较短的指榫类型Ⅰ，可节省竹OSB，减少刀具磨损［22-23］。

表2 竹OSB指接材力学性能测试结果及极差分析Table 2 The results of mechanical properties of BOSB and range analysis

表3 竹OSB指接材与竹OSB未指接材和几种建筑材料的MOR、MOE和抗拉强度对比Table 3 Comparison of MOR，MOE and tensile strength of finger-jointed bamboo OSB and unjointed BOSB and common structural lumber

2.4 施胶量对指接材MOR、MOE和抗拉强度的影响

图2中，施胶量在 230～320 g·m－2范围内，施胶量对指接竹OSB的MOR、MOE和抗拉强度影响不显著。

为使对接的指榫牢固地结合在一起传递应力，必须将适量的胶粘剂均匀地施加于指榫的表面。适宜的施胶量是保证指接强度的因素之一，一般施胶量过多，产生的胶层厚度增大，过厚的胶层反而降低了胶接强度，同时多余的胶液被挤出，增加胶液的消耗量;然而施胶量过少，施胶后的胶液润湿木材，渗透到木材中，易造成胶合面缺胶，不能形成连续的胶层，最终也降低胶接强度［24］。研究证明，施胶量290 g·m－2时，竹OSB指接材的MOR和抗拉强度较高(图2)。

图2 指榫类型、施胶量和端压与静曲强度、弹性模量和抗拉强度的关系Fig.2 Finger-jointing types，resin consumption and end pressure on its MOR，MOE and tensile strength

2.5 端压对指接材MOR、MOE和抗拉强度的影响

端压是指沿指接件的长度方向在指接件的端部施加的压力，确保指接面充分接触胶合，形成连续的胶层。端压的增大，指接材的MOR和MOE有减小的趋势，这是由于端压6 MPa的情况下，指接压力较大竹OSB指接边缘处出现小的劈裂现象，可能影响指接强度。在实际生产过程中，要确保有一定的压力，较小的压力也会使得指榫没有很好接触，同样影响竹OSB指接材的抗拉强度和抗弯强度。综合考虑竹OSB指接材应选用3 MPa的端压。

2.6 破坏形式分析

竹OSB指接材的弯曲破坏形式主要有胶层破坏和指榫折断［25-26］。图3-a1为试件沿着指榫形状胶层破坏，指榫少部分折断;图3-a2为指榫大部分折断，少量胶层破坏。在抗弯试验中，竹OSB指接材下表面受到拉应力，指榫边缘部分首先出现沿指榫方向的胶层破坏，随着弯曲变形的增加，竹OSB指接材出现指榫折断和内部胶层破坏现象。

竹OSB指接材的拉伸破坏形式主要有胶层破坏、指榫折断和指接破坏引起的竹OSB撕裂。图3-b1为试件指榫大部分出现折断破坏;图3-b2为指接破坏引起的基材断裂，沿指榫形状破坏引起竹OSB发生断裂，破坏严重。

图3 弯曲和拉伸破坏形式Fig.3 Forms of bending and tensile failure

3 结论与讨论

通过正交试验得出:指榫类型对竹OSB指接材的MOR和抗拉强度影响显著;施胶量和端压对指接竹OSB的MOR、MOE和抗拉强度影响不显著。较优的指接工艺参数是选用指榫类型Ⅲ、施胶量290 g·m－2、端压 3 MPa。

指榫类型Ⅰ对应的MOR仅次于指榫类型Ⅲ对应的MOR，在只对竹OSB指接材的抗弯性能有要求情况下，从安全和经济两方面综合考虑，可以选用指榫长度较短的指榫类型Ⅰ进行指接加工。

竹OSB指接材由于受指接的影响，弯曲和拉伸过程中指接部位应力集中，出现断裂。竹OSB指接材的弯曲破坏形式主要有胶层破坏和指榫折断，拉伸破坏形式主要有胶层破坏、指榫折断和指接破坏引起的基材断裂。

对当前小尺寸的竹OSB接长处理可获得抗弯强度和抗拉性能较好的竹OSB指接材，当选用指榫类型Ⅲ、施胶量290 g·m－2、端压3 MPa的指接工艺参数时，竹OSB指接材的MOR、MOE分别是58.46 MPa、8.05 GPa，虽低于毛竹、落叶松和水曲柳，但接近杉木，能满足GB 50005《木结构设计手册》规定的一般承重梁类结构材料。通过指接工艺可获得力学强度较高的竹OSB指接材，促进竹OSB高效利用，为竹OSB用于大跨度建筑和各种富有创意的结构设计造型创造了条件。