竹質(zhì)材料的工藝及基本性能的分析研究

李添爐+周一鴻+王晨星

摘 要：通過分析研究竹簾膠合板、竹集成材、竹材重組材等現(xiàn)代竹質(zhì)工程材料的制作工藝及其基本力學(xué)性能，并指出這三種竹質(zhì)材料在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：竹簾膠合板；竹集成材；重組材；荷載-位移曲線

在當(dāng)前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，綠色、生態(tài)、環(huán)保、低碳的新型建筑結(jié)構(gòu)材料是可持續(xù)發(fā)展的必然方向。在現(xiàn)代房屋建設(shè)材料中，竹、木都是綠色環(huán)保的建筑材料，但是我國(guó)木材比較稀缺，主要依靠從國(guó)外進(jìn)口。與木材相比，我國(guó)竹資源十分的豐富，產(chǎn)量和品質(zhì)均位于世界首位。竹子的成材速度相比于樹木快了許多，屬于生長(zhǎng)周期短的可再生利用資源，具有相當(dāng)大的種植開發(fā)利用價(jià)值。竹子是自然界中效能最高的可再生材料。竹材的比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通木材和普通鋼材。所以，竹材具備成為工程結(jié)構(gòu)建筑材料的先天條件，如果將其開發(fā)成合理的建筑用材，就能夠充分的發(fā)揮竹材的性能，為充分利用豐富的竹資源提供合理有效的途徑。本文進(jìn)一步對(duì)相關(guān)竹質(zhì)工程材料的加工工藝與基本性能進(jìn)行研究分析。

1 現(xiàn)代竹質(zhì)工程材料的工藝與用途

竹材人造板是以竹子作為原材料，經(jīng)過一系列物理化學(xué)處理，根據(jù)一定要求而加工成不同形狀的單元體，然后涂膠烘干后組合成竹材板坯，板坯最后再按一定要求膠合而成的一種人造板材。竹材人造板的主要優(yōu)點(diǎn)就是它合理的改變了竹子的材質(zhì)不均勻、各向異性和容易干裂等缺點(diǎn)，使之成為一種不易遭受蟲蛀、不易發(fā)生霉變和尺寸穩(wěn)定性良好的理想的建筑材料?？捎糜诮ㄖY(jié)構(gòu)構(gòu)件的竹材產(chǎn)品有竹簾膠合板、竹集成材、重組竹材等。

1.1 竹簾膠合板

竹簾膠合板是以我國(guó)資源豐富的毛竹為原料，將原竹弦向剖切成一定厚寬竹蔑，通過細(xì)棉線或麻線將竹蔑連接成長(zhǎng)方形的竹簾，使之作為構(gòu)成單元，竹簾單元以縱橫交錯(cuò)的方式組坯，施加具有優(yōu)良耐水、耐氣性的中溫固化樹脂膠粘劑，通過浸膠熱壓形成的結(jié)構(gòu)板材。作為建筑結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用于樓、地面及墻體結(jié)構(gòu)材料。

參考國(guó)標(biāo)《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中抗彎強(qiáng)度的測(cè)定?？箯潖?qiáng)度試樣尺寸：長(zhǎng)度為300mm，寬度50mm（士0.5mm），寬度為10mm，跨長(zhǎng)為240mm。采用三點(diǎn)彎曲加載，得到人造板的抗彎荷載-變形曲線如圖1所示。整個(gè)曲線可以歸納為三個(gè)階段，線性階段、非線性階段和破壞階段。找出線性階段的終點(diǎn)的荷載，再根據(jù)此時(shí)的跨距、試樣的尺寸就可計(jì)算出竹簾層壓板的比例極限應(yīng)力。

竹簾膠合板的抗彎試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)破壞形式是拉伸破壞，如圖2所示。由于竹材的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)施加的彎矩達(dá)到某一值時(shí)，試樣的受壓側(cè)所受的壓應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度而發(fā)生破壞。此時(shí)中性軸向受拉一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)繼續(xù)加大彎矩后，拉伸側(cè)也會(huì)達(dá)到試樣的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。由此，試樣最終完全破壞。由于其良好的受載能力，破壞時(shí)間長(zhǎng)，破壞發(fā)生時(shí)的豎向位移較大。所以竹簾膠合板在樓或地面的受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)中，可以考慮以撓度或截面剛度作為控制指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能充分利用竹簾膠合板的特性。

1.2 竹集成材

竹集成材是將一定規(guī)格的竹蔑，經(jīng)過一系列的物理加工和化學(xué)處理，在一定的溫度和壓力下，利用膠粘劑或者竹材自身結(jié)合力的作用，膠合熱處理而制成的一定規(guī)格的板材和型材。用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可作為梁、柱、承重墻、單向板等。因?yàn)樵谳S向力作用下竹集成材的應(yīng)力應(yīng)變的線性關(guān)系與竹材相似，所以按《竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定竹集成材的彈性模量、抗拉和抗壓強(qiáng)度；其中國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒有竹集成材的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，所以試驗(yàn)參照日本《結(jié)構(gòu)用單板層積材標(biāo)準(zhǔn)》。其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

試件在軸心受拉狀態(tài)下大部分區(qū)段都近似處于彈性工作階段，并有明顯的塑性變形流幅，其破壞是一種塑性破壞，荷載與拉應(yīng)變的關(guān)系見圖3。在軸心受壓狀態(tài)下，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由線性階段轉(zhuǎn)為非線性階段時(shí)，有較大的變形增幅，表現(xiàn)出較好的延性，荷載與變形的關(guān)系見圖4。竹集成材抗剪破壞時(shí)延性很好，其在達(dá)到極限荷載時(shí)試件未發(fā)生瞬間破壞，故是一種塑性破壞。因此竹集成材構(gòu)件之間的連接比較適合采用鉸接或者剛接。

1.3 重組竹材

重組竹，是一種將竹材的低質(zhì)材重新組織并加以強(qiáng)化成型的一種竹質(zhì)新材料，也就是將竹材加工成橫向不斷裂、縱向松散而交錯(cuò)相連的竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束。經(jīng)干燥后浸膠，再干燥到要求含水率，然后組坯，經(jīng)高溫高壓熱固化而成的板狀或其他形狀的竹質(zhì)人造復(fù)合材料。對(duì)重組竹簡(jiǎn)支梁試件（105mm×160mm×1870mm）進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，其L/4處和跨中處位移隨荷載的變化曲線如圖5所示。

從重組竹簡(jiǎn)支梁構(gòu)件的荷載～位移關(guān)系曲線中可以看出，重組竹簡(jiǎn)支梁在整個(gè)加載過程中，荷載與位移近似呈線性關(guān)系，在相同的位移中，1/4部位處的荷載大于跨中的荷載。梁底部竹纖維受拉斷裂破壞，瞬間發(fā)生斷裂，隨后，在竹材的裂縫頂部水平方向發(fā)生剝離式撕裂破壞，承載力急劇下降，對(duì)應(yīng)撓度限值（L/250）的荷載值為極限荷載的23%，所以在受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)中，可以考慮以正常使用極限狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（撓度限值）。根據(jù)重組竹的特性，其可用作工程結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料、家具用材等，經(jīng)過模壓還有各種其他的特殊用途。

2 結(jié)束語

竹質(zhì)工程材料是一種可持續(xù)利用，綠色環(huán)保的新型工程材料。作為現(xiàn)代竹質(zhì)工程材料構(gòu)件，試驗(yàn)結(jié)果表明其破壞時(shí)豎向變形較大，也就是具有良好的延性。故其設(shè)計(jì)荷載是由截面剛度控制的，如果按照現(xiàn)行規(guī)范的撓度限值進(jìn)行設(shè)計(jì)，竹質(zhì)材料的強(qiáng)度將不能充分利用。因此建議適當(dāng)放寬撓度限值以提高材料的強(qiáng)度利用程度。不斷完善地竹材人造板加工技術(shù)和重組材加工技術(shù)，為竹材從天然傳統(tǒng)建筑材料向現(xiàn)代建筑材料轉(zhuǎn)變提供了強(qiáng)有力支持，為現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定牢固的基礎(chǔ)。

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