表層接長(zhǎng)方式對(duì)竹束單板層積材性能的影響1)

張 丹 任文涵 陳復(fù)明 鄧健超 王 戈

(國(guó)際竹藤中心，北京，100102)

表層接長(zhǎng)方式對(duì)竹束單板層積材性能的影響1)

張 丹 任文涵 陳復(fù)明 鄧健超 王 戈

(國(guó)際竹藤中心，北京，100102)

采用竹束單板縱向接長(zhǎng)的工藝制造連續(xù)長(zhǎng)度的竹束單板層積材，研究了對(duì)接和搭接兩種單板接長(zhǎng)方式對(duì)表層接長(zhǎng)的竹束單板層積材力學(xué)性能及4循環(huán)加速老化耐久性能的影響。結(jié)果表明：接頭置于受壓側(cè)時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度表現(xiàn)為搭接優(yōu)于對(duì)接；而置于受拉側(cè)時(shí)，對(duì)接優(yōu)于搭接；接長(zhǎng)方式對(duì)板材的水平剪切強(qiáng)度無顯著影響。耐久性測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)過循環(huán)試驗(yàn)后，對(duì)照樣及接長(zhǎng)樣的彎曲性能從大到小為對(duì)照樣、搭接樣、對(duì)接樣，且三者靜曲強(qiáng)度非線性曲線擬合結(jié)果符合Boltzmann模型，彈性模量符合ExpDec1模型。

竹束單板層積材；搭接；對(duì)接；力學(xué)性能；加速老化試驗(yàn)

Bamboo bundle veneer lengthening technology was explored to produce long-span bamboo bundle laminated veneer lumber (BLVL), and the effect of veneer-joint forms, such as butt joint and lap joint, on mechanical properties and durability of BLVL after accelerated aging test was investigated. Test results show that the modulus of rupture (MOR) of BLVL with lap joint are better than BLVL with butt joint, when the joint is on the compression side. However, BLVL with butt joint shows higher MOR, when the joint is on the tension side. Besides, the difference on horizontal shear strength of the non-jointed samples, butt joint samples and lap joint samples is not significant. The results of durability test show that after four cycles, non-jointed samples show the highest bending properties, followed by lap joint samples and butt joint samples. The nonlinear curve fitting results of MOR accords with Boltzmann model, and MOE accords with ExpDec1.

竹束單板層積材是基于傳統(tǒng)重組竹生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)之上，同時(shí)借鑒單板層積材順紋層積組坯的思路生產(chǎn)制造出的一種新型竹質(zhì)結(jié)構(gòu)材[1-5]，具有強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、變異性小的優(yōu)點(diǎn)，是未來竹質(zhì)構(gòu)件發(fā)展的重要方向。隨著時(shí)代的發(fā)展，大尺寸竹質(zhì)工程材料因具有整體性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用效率高等優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)需求量越來越大。我國(guó)生產(chǎn)竹材人造板產(chǎn)品的熱壓機(jī)幅面一般為1.22 m×(2.44～3.00)m，加工大尺寸產(chǎn)品主要以冷壓拼長(zhǎng)工藝為主，其固化時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，且產(chǎn)品穩(wěn)定性得不到保證。針對(duì)此種情況，有學(xué)者提出了通過改造現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)單板進(jìn)行接長(zhǎng)組坯，并利用普通幅面的膠合板壓機(jī)進(jìn)行間歇式熱壓制造連續(xù)長(zhǎng)度單板層積材的方法[6-9]。若能將此方法應(yīng)用于竹束單板層積材的生產(chǎn)，則將有利于超長(zhǎng)竹質(zhì)工程材料的制造和推廣應(yīng)用。因此，對(duì)竹束單板接長(zhǎng)工藝的研究成為制造超長(zhǎng)竹質(zhì)工程材料的關(guān)鍵。

目前，單板接長(zhǎng)方式主要有4種：對(duì)接、搭接、指接和斜接，不同接長(zhǎng)方式對(duì)板材的物理力學(xué)性能有顯著影響[10]。鑒于帚化疏解后的竹束纖維單板形態(tài)比較疏松、端面難以加工成指形或銑削成斜面，本研究采用操作簡(jiǎn)便的對(duì)接和搭接兩種接長(zhǎng)方式制備竹束單板層積材。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論[11-12]，層合板內(nèi)應(yīng)力更多地發(fā)生在面層材料，其在受力過程中最能發(fā)揮作用，因此研究不同表層接長(zhǎng)方式下竹束單板層積材的力學(xué)性能顯得尤為重要。

同時(shí)，竹束單板層積材作為一種生物質(zhì)復(fù)合材料，由于纖維、樹脂、孔隙對(duì)溫濕度具有不同程度的敏感性，容易引起基體與纖維的溶脹、內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和微裂紋沿界面的生長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料整體力學(xué)性能降低，故研究BLVL的耐久性能是保證其在濕熱環(huán)境下安全使用的前提。本研究探討對(duì)接和搭接兩種接長(zhǎng)方式對(duì)竹束單板層積材力學(xué)性能及不同溫濕度環(huán)境下耐久性的影響，以期為大跨度竹束單板層積材的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)，采自四川省長(zhǎng)寧縣，竹齡3～5 a，胸徑50～80 mm，竹壁厚度2～5 mm。

水溶性酚醛樹脂膠(PF)：購(gòu)于北京太爾化工有限公司，外觀為棕色液體，pH值為10.50，黏度為33 mPa·s(25 ℃)，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.40%，固化時(shí)間>7 s，游離醛0.18%，貯存期為90 d(20～25 ℃)。

自主研發(fā)竹材帚化機(jī)、熱壓機(jī)(CARVER-3895)、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON-5582)、推臺(tái)鋸(FESTOOL-CS70)、氣流式干燥箱(DHG-9240A)、電子數(shù)顯卡尺等。

1.2 方法

竹束單板接長(zhǎng)方式：竹束單板采用對(duì)接和搭接兩種接長(zhǎng)方式，其中搭接處重合長(zhǎng)度為10 mm，對(duì)接接縫小于2 mm。

竹束單板層積材的制備：竹束單板層積材的主要工藝流程為竹材→截?cái)唷史帧ブ窀簟慊稍铩z→干燥→組坯(接長(zhǎng))→熱壓→裁邊。

在組坯工藝中，6層竹束單板順紋組坯，組坯結(jié)構(gòu)見圖1。

Ⅰ型表示對(duì)照樣(未接長(zhǎng)板材)，Ⅱ型表示表層對(duì)接樣，Ⅲ型表示表層搭接樣。

圖1 竹束單板層積材組坯結(jié)構(gòu)

板材采用“熱進(jìn)熱出”工藝，熱壓壓力4.5 MPa，溫度150 ℃，時(shí)間15 min，板材目標(biāo)密度1.0 g·cm-3，板材最終尺寸為300 mm×140 mm×12.5 mm。

性能測(cè)試方法：板材在溫度(23±2)℃，相對(duì)濕度(65±3)%的環(huán)境中陳放48 h后，鋸制試件，試件重復(fù)數(shù)為6。依據(jù)GB/T 17657—1999[13]檢測(cè)試件的彎曲性能、耐久性能，其中耐久性測(cè)試采用水煮—冰凍—干燥循環(huán)試驗(yàn)法，即將試件放入沸水中煮6 h，取出后放入-20 ℃條件下冰凍24 h，再在干燥箱中103 ℃干燥6 h，取出試件于室溫放置30 min，測(cè)試靜曲強(qiáng)度。依據(jù)GB/T 20241—2006[14]檢測(cè)試件的水平剪切性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層不同接長(zhǎng)方式下竹束單板層積材的力學(xué)性能

表1為表層接長(zhǎng)竹束單板層積材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及多重比較，圖2為受壓側(cè)表層搭接、對(duì)接竹束單板層積材彎曲應(yīng)力—應(yīng)變曲線，圖3為受壓側(cè)表層搭接、對(duì)接竹束單板層積材彎曲破壞示意圖。從表1可以看出：對(duì)接和搭接兩種接長(zhǎng)方式下板材的彎曲性能和水平剪切性能指標(biāo)均低于對(duì)照，這是因?yàn)閷?duì)接或搭接處理后，在長(zhǎng)度方向上該竹束層均是不完整竹束纖維，接長(zhǎng)部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起試件受力的有效橫截面積減小，截面慣性矩降低，最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低。另外，在靜曲強(qiáng)度方面，接頭置于受壓側(cè)時(shí)，搭接優(yōu)于對(duì)接；而接頭置于受拉側(cè)時(shí)，對(duì)接優(yōu)于搭接。這是因?yàn)樵趶澢鷾y(cè)試過程中，當(dāng)接頭置于受壓側(cè)時(shí)，搭接試件因接頭處單板層疊，竹束單板層積材為6層結(jié)構(gòu)，加荷輥?zhàn)饔锰幭喈?dāng)于7層竹束承受載荷作用，而對(duì)接試件因接縫的存在，表層壓應(yīng)力向兩側(cè)傳遞，相當(dāng)于5層單板受力，故其強(qiáng)度較低；當(dāng)接頭置于受拉側(cè)時(shí)，搭接試件搭接層承受最大拉應(yīng)力(見圖3a)，由于搭接層僅具有一定的膠層結(jié)合強(qiáng)度，在撕拉剪切力的作用下迅速發(fā)生破壞(見圖2中A點(diǎn))，應(yīng)力值降低，A點(diǎn)(應(yīng)變值0.026%)之后試件的應(yīng)力—應(yīng)變直線關(guān)系被破壞，經(jīng)過短暫的彈性階段便開始屈服并出現(xiàn)屈服平臺(tái)和屈服齒，塑性變形逐漸增大，材料失去強(qiáng)度。相比較于搭接試件，對(duì)接試件次外層(完整竹束層)承受最大拉應(yīng)力(見圖3b)，由圖2可以看出，其彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線為一典型破壞曲線，當(dāng)彎曲應(yīng)力σ<σe(材料塑性變形的極限應(yīng)力)時(shí)，其應(yīng)力—應(yīng)變基本呈彈性變化，直至σ達(dá)到σe時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，此時(shí)次外層竹束開始斷裂，當(dāng)σ>σs(材料的屈服應(yīng)力)后，試件發(fā)生不均勻的變形，隨著變形逐漸增大，試件斷裂。

表1 表層不同接長(zhǎng)方式板材的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及多重比較分析

部位接長(zhǎng)方式靜曲強(qiáng)度測(cè)試值/MPa變異系數(shù)/%彈性模量測(cè)試值/GPa變異系數(shù)/%水平剪切強(qiáng)度測(cè)試值/MPa變異系數(shù)/%受壓側(cè)對(duì)接191．83B12．4123．28BC4．4716．95A13．36搭接226．96A9．3725．86A4．9618．20A9．61受拉側(cè)對(duì)接167．86BC9．9222．00C7．2316．76A8．10搭接144．67C12．1725．06AB6．5716．49A9．84對(duì) 照249．98A8．7526．18A1．7818．35A8．93

注：表中字母表示多重比較結(jié)果，同列中相同字母表示差異不顯著，不同字母則差異顯著。

在彈性模量方面，接頭置于受壓側(cè)和受拉側(cè)時(shí)，搭接樣均明顯優(yōu)于對(duì)接樣。這是因?yàn)閺椥阅Ａ恐饕碚鞑牧系挚雇饨缱冃蔚哪芰Γ罱釉嚰诩雍奢佔(zhàn)饔锰幟芏容^高，故其剛性優(yōu)于對(duì)接試件[15]。在水平剪切強(qiáng)度方面，多重比較分析表明，對(duì)照樣及接長(zhǎng)樣的水平剪切強(qiáng)度差異不顯著(P<0.05)。這是因?yàn)樗郊羟袕?qiáng)度是采用短梁法垂直加載的方式，主要對(duì)試件在外加載荷的作用下各層單板間的膠合性能進(jìn)行檢測(cè)，表層接頭的存在引起試件在接頭處應(yīng)力集中，降低其彎曲性能，但對(duì)界面膠合性能基本無影響。

圖2 受拉側(cè)表層接長(zhǎng)板材應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 受拉側(cè)表層接長(zhǎng)板材彎曲破壞示意圖

2.2 表層接長(zhǎng)竹束單板層積材水煮—冰凍—干燥循環(huán)加速老化耐久性能表征

圖4、圖5分別為受壓側(cè)表層采用對(duì)接和搭接兩種接長(zhǎng)方法的竹束單板層積材經(jīng)過水煮—冰凍—干燥4循環(huán)加速老化后靜曲強(qiáng)度和彈性模量變化圖?？梢钥闯?，對(duì)照樣、表層對(duì)接樣和表層搭接樣的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。這主要是因?yàn)椋孩僦癫暮头尤渲z中含有羥基、酚羥基等親水基團(tuán)，當(dāng)環(huán)境的溫度、濕度不斷發(fā)生變化時(shí)，竹材和膠黏劑都不斷地吸濕和解析，體積不斷膨脹干縮；因二者的膨脹、干縮系數(shù)不同將產(chǎn)生膨脹、干縮應(yīng)力，引起不同程度變形，降低材料力學(xué)性能。②熱量使材料內(nèi)部發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，如分子間的水解、熱解和分子鏈的斷裂等，使分子由大變小，且溫度的提高促進(jìn)水分子在竹材和膠層中的傳導(dǎo)和擴(kuò)散，水分子充滿界面孔隙使竹材和膠黏劑之間產(chǎn)生解附作用，削弱膠合界面，增大界面應(yīng)力，強(qiáng)度降低[16-17]。曲線降低的速率呈先急速后平緩的趨勢(shì)，主要分為兩個(gè)階段，第1、第2次循環(huán)靜曲強(qiáng)度、彈性模量變化程度較大，第3、第4次循環(huán)靜曲強(qiáng)度、彈性模量變化程度較小。這是因?yàn)樵谇皟纱窝h(huán)中，板材在較為嚴(yán)酷的條件下產(chǎn)生反應(yīng)釋放了較多應(yīng)力，產(chǎn)生不可逆的形變，達(dá)到一定程度之后這種應(yīng)力釋放的速度會(huì)逐漸放緩，因此第3、第4次循環(huán)靜曲強(qiáng)度、彈性模量下降速率變慢。

圖4 4循環(huán)加速老化后表層接長(zhǎng)竹束單板層積材靜曲強(qiáng)度

圖5 4循環(huán)加速老化后表層接長(zhǎng)竹束單板層積材彈性模量

每次循環(huán)后，相比于對(duì)照樣，對(duì)接樣和搭接樣的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均偏低，一方面是由于接頭部位應(yīng)力集中導(dǎo)致試件力學(xué)性能下降，另一方面接頭部位孔隙的存在使水分子較易進(jìn)入表層，并在表層與次表層之間的膠層界面擴(kuò)散。在溫濕度不斷變化的條件下，水分子不斷滲透與蒸發(fā)，引起界面應(yīng)力的產(chǎn)生，最終降低試件的力學(xué)性能。另外，搭接試件的彎曲性能指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)接試件，這是因?yàn)榇罱釉嚰拿芏容^對(duì)接試件高，密度的增加使得單位體積內(nèi)竹束纖維密實(shí)度增加，板材相鄰層間竹束纖維的距離被拉近，纖維之間及纖維與樹脂之間的孔隙減小，因而水分子相對(duì)難以進(jìn)入、滲透與擴(kuò)散，試件受水分的影響相對(duì)較小，因而力學(xué)強(qiáng)度下降率較低。經(jīng)過4次循環(huán)，三者靜曲強(qiáng)度非線性曲線擬合符合Boltzmann模型，相關(guān)系數(shù)R2>0.96，彈性模量非線性擬合曲線符合ExpDec1模型，相關(guān)系數(shù)R2>0.97。

3 結(jié)論

表層單板接長(zhǎng)方式對(duì)竹束單板層積材的水平剪切性能無顯著影響，但是對(duì)其彎曲性能有顯著影響，且接頭置于受壓側(cè)時(shí)，搭接竹束單板層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均高于對(duì)接板材；接頭置于受拉側(cè)時(shí)，搭接竹束單板層積材的彈性模量高于對(duì)接板材，而靜曲強(qiáng)度低于對(duì)接板材。

經(jīng)過水煮—冰凍—干燥4循環(huán)加速老化試驗(yàn)，表層接長(zhǎng)竹束單板層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸下降，下降速率先急后緩，且循環(huán)結(jié)束后板材的彎曲性能從大到小依次為：對(duì)照樣、表層搭接樣、表層對(duì)接樣。

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Effect of Surface Veneer Joint on Properties of Bamboo Bundle Laminated Veneer Lumber/

Zhang Dan, Ren Wenhan, Chen Fuming, Deng Jianchao, Wang Ge(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-83～85，89

Bamboo bundle laminated veneer lumber; Lap joint; Butt joint; Mechanical properties; Accelerated aging test

張丹，女，1988年4月生，國(guó)際竹藤中心，碩士研究生。

王戈，國(guó)際竹藤中心，研究員。E-mail：wangge@icbr.ac.cn。

2013 年9 月17日。

S795； TS653

1) 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)重大項(xiàng)目(201204701)。

責(zé)任編輯：戴芳天。