工程用竹方材研究現(xiàn)狀與展望?

黃 彬 方長華 劉煥榮 陳 林 陶仁中 費本華

（1.國際竹藤中心，北京 100102；2. 中集新型環(huán)保材料股份有限公司, 廣東 東莞 523579)

木材具有質(zhì)輕、高強、美觀、加工容易、加工能耗小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于土建工程、家具和室內(nèi)裝修等領(lǐng)域。改革開放以來，我國木材加工行業(yè)迅猛發(fā)展，已成為世界最大的木材采購國家之一。據(jù)統(tǒng)計，進口木材合計（原木和鋸材、原木材積）從2016 年的0.90 億m3增長到2019 年的1.09 億m3，呈持續(xù)增長態(tài)勢。其中，建筑木方作為建筑行業(yè)的大宗供應(yīng)材料之一，其對外依賴度超過50%[1]。

我國擁有豐富的竹材資源，共計34 屬837 種[2]。竹材具有輕質(zhì)、高韌、高強特性[3-4]，如果能夠?qū)⒅癫募庸ぶ圃斐芍穹?，用以替代建筑木方，必將?jié)約大量的木材以及其他社會資源，為建設(shè)資源節(jié)約型和建筑綠色施工提供新的思路。本文對建筑模板用木方材進行概述，并對竹質(zhì)復(fù)合方材的研究進展進行整理分析，以期為建筑竹方材、竹規(guī)格材等設(shè)計提供思路。

1 建筑木方研究現(xiàn)狀

1.1 建筑木方概況

建筑施工中，鋼筋混凝土的澆筑成型普遍采用竹膠板或大型木模板等，模板的支撐和固定需要大量的楞梁-木方。目前，我國的建筑木方材主要依靠進口，樹種有輻射松、鐵杉、云杉、花旗松、樟子松等，價格為1 300～2 000 元/m3。木方長度規(guī)格有2、3、3.5、4 m等，其截面尺寸主要有38 mm×88 mm、50 mm×100 mm、100 mm×100 mm等幾種[5]。在施工中，建筑木方需二次刨削才能使用，且因其強度低、易翹曲變形、折斷、腐朽等，難以回收使用，60%屬于一次性使用，造成木材資源的大量浪費[6]。同時，由于木方質(zhì)量不穩(wěn)定，給標準化、規(guī)范化、安全施工和管理帶來諸多不便[7]。

圖1 為柱模板中建筑木方的使用示意圖。豎楞（木方）按照設(shè)計的間距要求排列在混凝土模板用膠合板（面板）外面，與柱箍（圓鋼管）和對拉螺栓一起組成混凝土模板工程系統(tǒng)[8]。

圖1 柱模板中建筑木方使用示意圖Fig.1 The schematic diagram of the use of building shuttering square timber in column formwork

1.2 建筑木方相關(guān)規(guī)范

在組模施工中，根據(jù)JGJ162—2014《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》、GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》和GB50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》

1.3 建筑木方替代品

目前，用于建筑模板支撐的除建筑木方外，還有混凝土模板用木工字梁（詳見GB/T 31265—2014）。有關(guān)建筑木方的研究主要集中在木方用料計算[5]和木方替代產(chǎn)品研究方面。對替代品的研究主要聚焦于鋼背楞模板[10]、鋁合金模板[11]、木塑木方[12]等。其中，鋼方材和鋁合金模板成本較高、重量較大、運輸和安裝過程復(fù)雜，僅在大型建筑工程中使用。近年來，國內(nèi)企業(yè)以竹材為原料，制備竹方材替代建筑木方，并初步投入使用。

2 竹材單元形態(tài)

竹材有“植物鋼鐵”之美譽，具有輕質(zhì)、高強、高彎曲延展性等優(yōu)良性能，其順紋抗拉強度、抗壓強度均優(yōu)于木材[13-16]。竹材具有成為環(huán)保性建筑結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)越條件，適合開發(fā)成梁、柱、椽、桁架、墻體等承載結(jié)構(gòu)構(gòu)件[17]。但竹子自身尖削狀的中空錐形殼體結(jié)構(gòu)，使其無法像木材那樣直接進行開料或刨削[18-19]，常常需要加工成不同的形態(tài)，制成各類竹質(zhì)工程材料，或與木材等其他材料進行復(fù)合加工，制成竹基復(fù)合材料。

竹材不同的單元形態(tài)對竹質(zhì)復(fù)合板方材的生產(chǎn)制造方式有影響，同時也決定復(fù)合板方材的物理力學(xué)性能與生產(chǎn)成本。表1 為常見的不同類型的竹材單元形態(tài)。

表1 不同類型的竹單元Tab.1 Different types of bamboo units

目前制造竹質(zhì)工程材料，竹材利用率較高的竹單元有徑向竹篾、梳解竹束、竹刨花，能較好保持竹材原態(tài)的有弧形竹片、高溫軟化竹展平材。其中，梳解竹束、竹刨花制造竹質(zhì)工程材料施膠量大，弧形竹材目前的工業(yè)化程度較低，高溫軟化竹展平材生產(chǎn)設(shè)備的投入和成本相對較高。

3 全竹復(fù)合板方材

全竹復(fù)合板方材是指由竹單元經(jīng)干燥后施膠、組坯、熱壓制備而成的竹質(zhì)人造板。不同的竹單元和組坯方式能獲得性質(zhì)各異的竹質(zhì)人造板。如竹單板層積材（Laminated Bamboo Lumber，簡稱LBL）、膠合竹材（Glubam）、平行竹束層積材（Parallel Strand Bamboo，簡稱PSB)、弧形竹片重組竹方材等，其中前3 種是常用的結(jié)構(gòu)工程材料[29-30]。

3.1 竹單板層積材

竹單板層積材是將竹筒剖分后，碾壓成竹束，制成竹束單板，由竹束單板壓制而成的竹板材[31]。Mahdavi等[32]將竹竿切成長度81.3 cm的竹段，采用砂光方式去除竹青表面的蠟質(zhì)層后將竹筒縱向劈開，再用捶擊的方式將剖分開的竹片捶成竹絲相連的碎竹片狀，然后用砂光機對竹黃表面進行砂光處理。為防止壓制過程中竹材層分離，試驗中用尼龍線對竹材進行橫向捆綁，采用有竹青側(cè)貼竹黃側(cè)的對稱組坯方式，壓制LBL，制得的板材彈性模量（MOE）最大值達到10 543.76 MPa。陳復(fù)明等[25]利用帚化梳解竹束制備竹束單板層積材。其工藝流程為：將竹筒橫截成1.35 m長的竹段，然后縱剖成等大的4 片竹片，去除竹節(jié)竹青后帚化疏解（5～7遍）成竹束，再將竹束編織成竹束單板，浸泡酚醛樹脂（PF）膠黏劑后組坯熱壓即制得竹束單板層積材，板材性能達到結(jié)構(gòu)單板層積材160E優(yōu)等品的標準。

3.2 膠合竹材

膠合竹材實質(zhì)是一種竹席膠合板，與建筑用竹席水泥模板的生產(chǎn)方式類似。生產(chǎn)流程主要為：破料→削篾→編簾→干燥→浸膠→烘干→鋪裝→預(yù)壓→熱壓→冷卻→鋸邊→包裝。制備的板材裁切后，經(jīng)梳齒、接長，可冷壓膠合成所需的膠合竹方材[33]，此類加工方式也可為建筑竹方材的制作提供思路。

3.3 平行竹束層積材

平行竹束層積材是將竹材壓碎成竹纖維束，烘干至含水率5%～10%，經(jīng)膠黏劑（如PF膠）浸漬壓制而成的板材或者方材。平行竹束層積材的竹材利用率可達80%[34]。在PSB生產(chǎn)過程中，要求用分子量2 000～3 000、固體含量45.59%、黏度36 mPa·s、pH 10～11的酚醛樹脂（PF）進行微波固化，PF樹脂用量控制在PSB干重的15%左右[35]。研究表明，竹纖維束處理溫度為170 ℃時，PSB的抗壓強度最大[36]。

3.4 弧形竹片重組竹方材

弧形竹片重組竹方材是將竹筒剖分后的弧形竹片銑削成內(nèi)弧半徑和外弧半徑相等，然后將弧形竹片按照竹青面貼竹黃面以弧形相同的朝向組坯熱壓制成板材，再將數(shù)層板材表面加工平整后同向疊放，熱壓成具有不同厚度的板材或方材[37-39]。其加工流程如圖2所示。

圖2 弧形竹片重組材加工流程Fig.2 Manufacturing process of natural arc-bamboo laminated lumber

弧形竹片加工中，不考慮加工余量時，竹材利用率為83.99%，考慮加工余量時，竹材利用率為63.83%?；⌒沃衿庸だ寐适蔷匦沃衿?.5～2倍[20]?；⌒沃衿庸み^程中，影響竹材利用率的因素有：刀具半徑、竹材厚度、竹材直徑、竹筒剖分份數(shù)、竹筒的截距。竹材的剖分份數(shù)越多，竹筒的截距越短，竹材的利用率越大。當竹材直徑為100～120 mm，厚度為12～15 mm，刀具半徑為45～50 mm時，竹材利用率最高[38]?；⌒沃衿姆值确旨壱灿绊懼癫牡睦寐蔥40]?；⌒沃衿稍镞^程中，隨著溫度的升高會逐漸出現(xiàn)皺縮、翹曲、開裂現(xiàn)象，不同部位存在的干縮差異也會導(dǎo)致弧形竹片干燥后曲率半徑的變化，在定弧時應(yīng)盡量去除竹青、竹黃和竹節(jié)[41-42]。企業(yè)標準中，弧形原態(tài)重組材所用膠黏劑為固體含量45%的酚醛（PF）樹脂或者純度為99.6%的水性異氰酸酯（P-MDI）。雙面涂膠時，P-MDI膠黏劑壓制的板材靜曲強度、彈性模量、膠合強度、密度和含水率略高于用PF膠黏劑壓制的板材，吸水厚度膨脹率略低于PF膠黏劑壓制的板材。用PF膠黏劑壓制板材，涂膠量為250 g/m2時，板材的強度最高，吸水厚度膨脹率最低?；⌒沃衿z合的施膠量約為6%～7%，采用浸膠生產(chǎn)的板材性能優(yōu)于噴膠法生產(chǎn)的板材，但浸膠后竹坯的含水率達到60%～80%，需進行干燥[43]。

4 竹木復(fù)合板方材

竹木復(fù)合板方材是指竹材與木材組坯膠合而成的板材或方材，竹材和木材不同的單元形式、組坯結(jié)構(gòu)能獲得性質(zhì)各異的復(fù)合材料[3,23]。目前，竹木復(fù)合材主要包括夾芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材、竹木復(fù)合正交膠合木(CLT)、層合結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材等。

4.1 夾芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材

夾芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材主要是以木質(zhì)膠合板、木質(zhì)刨花板等為芯材，竹材單元為面層制作的竹木復(fù)合材料，與全竹復(fù)合板方材相比具有重量輕、表面硬度高、力學(xué)性能優(yōu)異的特點。張齊生[44]以馬尾松膠合板和展平竹為原料制備的用于集裝箱底板的竹木復(fù)合材，靜曲強度優(yōu)異于阿必東膠合板。Rob[45]以楊木定向刨花板為芯層，竹席膠合板為面層，1～2 mm楊木單板為中間層制備集裝箱底板，強度可達到集裝箱底板國標要求，但生產(chǎn)周期較長，效率低，且竹席膠合板的密度難以控制，成本較高[46-47]。

4.2 竹木復(fù)合正交膠合木方材

正交膠合木（Cross-laminated Timber，簡稱CLT）通常是將厚度15～35 mm實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材（Structural Composite Lumber，簡稱SCL）通過分等、鋪層、涂膠、縱橫交錯或成一定角度層積加壓膠合而成，層數(shù)一般在3層或以上，規(guī)格可達18 m（長）×3 m （寬）×300 mm（厚度）。典型的CLT結(jié)構(gòu)如圖3a所示。CLT具有尺寸穩(wěn)定性好、承載性能強、防火性能高、隔音和保溫性能好、建造快、噪音低、應(yīng)用范圍廣、低碳、固碳、環(huán)保等優(yōu)點[48]。我國CLT的原料木材主要依賴進口，因此若將竹材與木質(zhì)材料復(fù)合制備CLT不僅能夠使CLT原料國產(chǎn)化，同時也能合理利用我國的竹材資源，利于CLT的推廣。三層竹木復(fù)合CLT方材結(jié)構(gòu)如圖3b所示，木質(zhì)材料為平行層，竹質(zhì)材料為垂直層[49]，竹材可采用竹編膠合板、竹簾膠合板、竹束單板層積材、竹重組材等。

圖3 竹木復(fù)合CLT方材Fig. 3 Bamboo-wood composite CLT square lumber

南京工業(yè)大學(xué)研制的竹木復(fù)合CLT，由多層竹材和木材交錯膠合而成，竹材和木材的主纖維方向可相互平行或交錯垂直布置，制成的CLT板材厚度為90 mm以上[50]。CLT短梁剪切試驗的破壞模式有3種，分別為底部受拉破壞、層間破壞、滾動剪切破壞[51]。Wei[52]利用平行竹束層積材（PSB）和加拿大鐵杉和冷杉壓制竹木復(fù)合CLT，木材層位于中間，PSB位于表底層，竹材良好的韌性改變了實木CLT的破壞模式，斷裂首先發(fā)生在竹材與木材的界面處。

4.3 層合結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材

使用弦向竹簾或徑向竹簾和木單板壓制成竹木復(fù)合材，目前主要用于集裝箱底板的生產(chǎn)。其弦向竹簾和徑向竹簾的竹材利用率分別約為65%和90%。國內(nèi)企業(yè)在集裝箱底板的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，采用徑向竹簾和木單板生產(chǎn)建筑模板用竹方材，生產(chǎn)流程如圖4所示。目前已初步在建筑項目當中使用，如圖5所示。

圖4 建筑竹方材生產(chǎn)流程Fig.4 Architectural bamboo square timber production process

圖5 建筑竹方材工地使用實景圖Fig. 5 The actual scene of architectural bamboo square timber in construction site

5 建筑木方與竹質(zhì)復(fù)合材性能對比

依據(jù)JGJ162—2014規(guī)定, 建筑木方物理力學(xué)性能指標主要有抗彎強度σ、彈性模量E、截面慣性矩I、截面抵抗矩Wx、截面積A。目前有關(guān)竹質(zhì)復(fù)合材料用作建筑模板楞梁的研究還較少，對于竹質(zhì)復(fù)合材料用于建筑模板楞梁的力學(xué)指標還需進一步研究。本文僅對前文所述的幾種可能適用于建筑竹方材開發(fā)的竹質(zhì)復(fù)合材料的物理力學(xué)指標進行對比分析，詳見表2。表中TC17為JGJ 162—2014中普通木模板結(jié)構(gòu)用材設(shè)計值中的強度等級木材，在建筑模板支撐驗算中木方（截面積50 mm×100 mm）的彈性模量值常取10 000 MPa[8-9]。由表2可知，幾種竹質(zhì)復(fù)合材料的彈性模量均在10 000 MPa附近，甚至優(yōu)于TC17強度等級的木材彈性模量，靜曲強度值均遠高于TC17強度等級的木材。建筑模板系統(tǒng)中用于木方強度驗算還需要截面慣性矩I、截面抵抗矩Wx、截面積A等數(shù)值，目前研制的這些竹質(zhì)復(fù)合材料尚缺乏這方面的數(shù)值研究，暫時無法與TC17強度等級的木材進行對比。

表2 建筑木方與竹基復(fù)合材力學(xué)性能對比Tab.2 The comparison of mechanical properties of building shuttering square timber and bamboo-based composites

6 結(jié)語

建筑木方目前的回收利用率和循環(huán)使用率均較低，且原料長期依賴于進口，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。因此，未來應(yīng)充分利用我國豐富的竹材資源，深入開展建筑竹方材相關(guān)研究，實現(xiàn)以竹代木，生產(chǎn)建筑模板用楞梁用材。目前可能適用于制造建筑用竹方材的竹質(zhì)復(fù)合材料有竹束單板層積材（LBL）、膠合竹材（Glubam）、平行竹束層積材（PSB）、弧形竹片重組材、夾芯結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材、竹木復(fù)合CLT、層合結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材（徑向竹簾和木單板復(fù)合而成）等，基于此，今后有關(guān)建筑竹方材的研制可從以下幾方面著手：1）從建筑模板系統(tǒng)研究出發(fā)，采取工地實地測量和有限元模型分析相結(jié)合，分析竹方材應(yīng)滿足的力學(xué)性能和使用需求。2）根據(jù)工程實際，加強竹方材的防霉防腐技術(shù)研究，以實現(xiàn)竹方材的多次循環(huán)使用。3）在現(xiàn)有竹質(zhì)復(fù)合板材基礎(chǔ)上進行組坯結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，研究出滿足建筑竹方材使用性能的組坯結(jié)構(gòu)和工藝路線。4）生產(chǎn)成本關(guān)系到竹方材的推廣和使用，因此如何控制建筑竹方材的生產(chǎn)成本也是今后研究的重要內(nèi)容之一。5）積極開展建筑竹方材物理力學(xué)性能研究，對工程應(yīng)用效果進行評價，將符合建筑施工標準要求的竹方材納入建筑施工模板相關(guān)標準中，推動建筑模板用楞梁材料的國有化。