側(cè)壓型竹層板用竹條分級研究

謝力生,陶鈞,廖彬彬,劉嘉誠,朱芳鈺

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410004)

竹子生長速度快、強度高、資源豐富,以竹代木生產(chǎn)需求日益增長的結(jié)構(gòu)用集成材具有重要意義。從竹筒加工獲得的竹條具有各向異性、帶竹節(jié)、徑向材質(zhì)差異大等特點[1-3],直接用竹條組坯制造集成材,產(chǎn)品難以達(dá)到結(jié)構(gòu)用材要求,竹條需要進行分級使用[4-5]。研究表明,竹條的密度與其徑向彈性模量和抗彎強度均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系[6],但密度分級只能在一定程度上優(yōu)化竹條的力學(xué)性能[7];而竹條的徑向彈性模量與其抗彎靜曲強度呈顯著的線性關(guān)系[8-10]。竹條弦向和徑向(含青面朝上和朝下)任意2個彈性模量之間都存在較強的線性相關(guān)性[11],由一個方向的彈性模量可以推測出另外2個方向上的彈性模量。由此可知,采用彈性模量對竹條分級具有科學(xué)合理性。但前述竹條分級研究成果均是依據(jù)測試竹條某一節(jié)間的抗彎靜曲強度和彈性模量而獲得的,沒有考慮竹節(jié)和測試部位的影響。

用竹條制造竹集成材,其層板有平壓型(竹條平置窄面膠合)和側(cè)壓型(竹條側(cè)立寬面膠合)2種;側(cè)壓型竹層板的抗彎力學(xué)性能優(yōu)于平壓型,結(jié)構(gòu)用竹集成材一般采用側(cè)壓型竹層板[12-13]。組成側(cè)壓型竹層板的竹條在層板受彎時承受弦向荷載,故最好依據(jù)其弦向抗彎靜曲強度來進行分級。對于側(cè)立的竹條,其寬度(約為5.5 mm)只有其高度的1/4左右,且多有側(cè)向彎曲或扭曲,很容易傾倒,不易測試其抗彎彈性模量和靜曲強度。若能找出竹條徑向抗彎彈性模量與其弦向抗彎彈性模量和靜曲強度之間的關(guān)系,并建立其數(shù)學(xué)模型,則理論上可以通過測試竹條的徑向抗彎彈性模量來預(yù)測其弦向靜曲強度,實現(xiàn)其分級,從而解決測試難的問題。經(jīng)過精刨而成的規(guī)格竹條,人眼或機器不容易準(zhǔn)確地判別其近青面和近黃面,而竹條徑向兩面的抗彎彈性模量是不同的。若將徑向兩面的抗彎彈性模量平均值作為竹條徑向抗彎彈性模量值,則不必判別近青面或近黃面,為竹條徑向抗彎彈性模量的測試提供了方便。整根竹條的不同部位其徑向抗彎彈性模量一般都是不同的,如何快速獲得代表整根竹條的徑向抗彎彈性模量一直困擾著相關(guān)研究者。若竹節(jié)的影響可忽略不計,竹條長度方向中心位置的徑向抗彎彈性模量可以作為整根竹條的代表值,則竹條可以實現(xiàn)在線快速測試、分級。為此,筆者就相關(guān)內(nèi)容開展了研究,期望能為側(cè)壓型竹層板用竹條實現(xiàn)可靠、實用的在線快速分級提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

精刨碳化竹條,由湖南省益陽市某竹材公司提供,由4～6年生毛竹為原材料制作而成,含水率約為10%,尺寸為21.5 mm(寬)×5.6 mm(厚)×1 200 mm(長)。

單組分聚氨酯膠黏劑,由廣東清遠(yuǎn)容能化工有限公司生產(chǎn),型號為ZA-302,固含量≥60%,黏度500～1 500 mPa·s。

1.2 儀器設(shè)備

木工精密圓鋸機、木工小型帶鋸機、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、G字形木工夾等。萬能力學(xué)試驗機,由濟南試金試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn),型號為MWD-50。木工平刨床,由佛山億邁通設(shè)備有限公司生產(chǎn),型號為MB504。

1.3 試驗方法

任取竹條15根,按照GB/T 17657—2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的三點彎曲法測試竹條中部節(jié)間中點位置的徑向抗彎性能,觀察荷載-位移曲線,發(fā)現(xiàn)荷載小于250 N時,竹條均處于彈性變形階段。由此確定,測定竹條徑向彈性模量時,加載荷載至250 N,取下限荷載140 N和上限荷載240 N時的位移值計算抗彎彈性模量。再任取竹條15根,將竹條從寬度方向一分為二(便于竹條側(cè)立),按前述方法測試竹條中部節(jié)間中點位置的弦向抗彎性能,觀察載荷-位移曲線,發(fā)現(xiàn)荷載小于100 N時,竹條均處于彈性變形階段。由此確定,測定竹條弦向彈性模量時,加載荷載至100 N,取下限荷載30 N和上限荷載80 N時的位移值,計算抗彎彈性模量。

任取竹條30根,先按前述方法測試各竹條距端部大于220 mm(為了滿足試件的跨度要求)的各節(jié)間中點位置(共計102個)的徑向兩面(近竹青面和近竹黃面分別在拉伸側(cè))抗彎彈性模量;然后將各竹條從寬度方向一分為二,分別取其中一根按相同方法測試竹條各對應(yīng)節(jié)間中點位置(102個)的弦向抗彎彈性模量;再分別取其中另一根按照GB/T 17657—2022中的方法測試竹條中部1個節(jié)間中點位置(共計30個)的弦向靜曲強度。測試所得各抗彎彈性模量和弦向靜曲強度分別記入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中,處理、分析測試數(shù)據(jù),探討竹條節(jié)間中點位置徑向兩面抗彎彈性模量之間、徑向兩面抗彎彈性模量平均值與弦向抗彎彈性模量之間、弦向靜曲強度與弦向抗彎彈性模量之間,以及弦向靜曲強度與徑向兩面抗彎彈性模量平均值之間的關(guān)系,分別建立回歸模型。

任取竹條90根,先按前述方法測試各竹條距端部大于220 mm的各節(jié)部中點位置(共計245個)和節(jié)間中點位置(共計248個)的徑向(近竹青面在拉伸側(cè))抗彎彈性模量;然后將各竹條從寬度方向一分為二,分別取其中一根先按前述方法測試竹條各對應(yīng)節(jié)部中點位置(245個)和節(jié)間中點位置(248個)的弦向抗彎彈性模量,接著按前述方法測試竹條中部節(jié)間中點位置(共計90個)的弦向靜曲強度;取其中另一根按相同方法測試竹條中部節(jié)部中點位置(共計90個)的弦向靜曲強度;測試所得各抗彎彈性模量和弦向靜曲強度分別記入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中;處理、分析測試數(shù)據(jù),探討竹條中部節(jié)間(或節(jié)部)中間點弦向抗彎彈性模量與竹條多點(整根竹條上的所有節(jié)間和節(jié)部位置測試點)弦向抗彎彈性模量平均值、竹條中間點徑向抗彎彈性模量與竹條多點徑向抗彎彈性模量平均值和多點弦向抗彎彈性模量平均值之間的關(guān)系,分別建立其數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)前述90根竹條所測得的竹條中間點的徑向抗彎彈性模量和弦向靜曲強度,以0.5 GPa為間距對彈性模量在8.0～11.0 GPa范圍的竹條進行分級,可分為E80、E85、E90、E95、E100、E105和E110 7個等級;根據(jù)各等級竹條所對應(yīng)的弦向靜曲強度,繪制不同等級竹條的弦向靜曲強度箱形圖;探討通過測試竹條徑向中間點抗彎彈性模量對竹條分級的有效性。

任取竹條128根,按照前述方法對竹條中部位置進行徑向兩面抗彎彈性模量測試,記錄試驗數(shù)據(jù)并計算兩面抗彎彈性模量的平均值;參照前述竹條分級方法,依據(jù)兩面抗彎彈性模量的平均值對竹條進行分級;從分級竹條中挑選出E85至E110共6個等級竹條各10根(共60根),另外隨機抽取20根不分級的竹條;在竹條的近青面手工涂刷單組分聚氨酯膠黏劑(施膠量為180 g/m2),相鄰竹條均以近青面與近黃面貼合層疊組坯,用G字形木工夾側(cè)向夾緊,24 h后缷下夾具,最終制得6塊不同等級的側(cè)壓型竹層板和2塊對照組竹層板(寬56 mm、厚21.5 mm、長1 200 mm);放置48 h后,按照GB/T 17657—2022中的方法測試各竹層板的抗彎彈性模量和靜曲強度;分析竹層板的抗彎彈性模量和靜曲強度與竹條等級之間的內(nèi)在聯(lián)系,驗證采用竹條中間部位的徑向抗彎彈性模量對側(cè)壓型竹層板竹條進行分級的有效性和可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹條節(jié)間中心各方向彈性模量之間的關(guān)系

根據(jù)30根竹條102個節(jié)間中心位置各向抗彎彈性模量的測試數(shù)據(jù),可以得到徑向兩面(近青面和近黃面)抗彎彈性模量之間的數(shù)據(jù)散點圖(圖1),以及徑向兩面抗彎彈性模量平均值與弦向抗彎彈性模量之間的數(shù)據(jù)散點圖(圖2)。

圖1 徑向近黃面與近青面抗彎彈性模量的關(guān)系Fig. 1 The relationship between radial MOE near the bamboo yellow and radial MOE near the bamboo green

圖2 弦向MOE與徑向兩面MOE平均值的關(guān)系 Fig. 2 The relationship between tangential MOE and the average about both side of radial MOE

從圖1可以看出,竹條節(jié)間中心徑向兩面的抗彎彈性模量之間存在極顯著的線性關(guān)系(r=0.951 8),徑向近青面抗彎彈性模量隨著近黃面抗彎彈性模量的增加而增大。近黃面抗彎彈性模量Eh與近青面抗彎彈性模量Eq的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為Eh=1.049Eq-0.759(R2=0.906)。從圖2可以看出,徑向節(jié)間中心兩面抗彎彈性模量的平均值與弦向抗彎彈性模量之間存在較顯著的線性關(guān)系(r=0.901 1),竹條弦向抗彎彈性模量隨徑向兩面抗彎彈性模量平均值的增加而增大。弦向抗彎彈性模量Ex與徑向兩面抗彎彈性模量平均值Ep的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為Ex=0.939Ep-0.637(R2=0.812)。可見,竹條同一節(jié)間中心位置各方向的抗彎彈性模量之間均存在顯著的線性關(guān)系,測試其中一個方向的抗彎彈性模量即可推測出其他方向的抗彎彈性模量;通過測試竹條節(jié)間中心徑向兩面的抗彎彈性模量并計算其平均值,可以很好地預(yù)測出對應(yīng)節(jié)間中心的弦向抗彎彈性模量。宋光喃[11]研究發(fā)現(xiàn),竹條任意2個彈性模量之間都存在較強的線性相關(guān)性,與本研究的結(jié)論一致。

2.2 竹條節(jié)間中心位置不同方向的彈性模量與弦向靜曲強度之間的關(guān)系

根據(jù)30根竹條的中部節(jié)間中心位置的弦向抗彎彈性模量、靜曲強度和徑向兩面抗彎彈性模量平均值,可以得到弦向抗彎彈性模量與其靜曲強度的關(guān)系數(shù)據(jù)散點圖(圖3)和徑向兩面抗彎彈性模量平均值與弦向靜曲強度關(guān)系的數(shù)據(jù)散點圖(圖4)。

圖3 弦向靜曲強度與弦向抗彎彈性模量的關(guān)系Fig. 3 The relationship between tangential MOR and tangential MOE

圖4 弦向靜曲強度與徑向兩面抗彎彈性模量的關(guān)系Fig. 4 The relationship between tangential MOR and radial bending MOE on both sides

30根竹條中部節(jié)間中心位置的弦向靜曲強度為97～145 MPa,弦向抗彎彈性模量為5.72～10.87 GPa,徑向兩面抗彎彈性模量的平均值為7.15～11.73 GPa,均相差很大,這充分說明竹條分級使用的必要性。只有分級使用,才能做到有效使用和安全使用。

由圖3可以看出,竹條中部節(jié)間中心位置的弦向靜曲強度與其抗彎彈性模量之間存在極顯著的線性關(guān)系(r=0.954 5),竹條弦向靜曲強度隨著其抗彎彈性模量的增大而增大,這也與宋光喃[11]的研究結(jié)論一致。弦向靜曲強度Rx與其抗彎彈性模量Ex之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為Rx=8.896Ex+44.77(R2=0.911)。可見,通過測量竹條弦向抗彎彈性模量可以很準(zhǔn)確地推測其靜曲強度。由圖4可以看出,竹條中部節(jié)間中心位置的弦向靜曲強度與其徑向兩面抗彎彈性模量平均值之間存在較顯著的線性關(guān)系(r=0.908 3),竹條弦向靜曲強度隨著徑向兩面抗彎彈性模量平均值的增大而增大。弦向靜曲強度Rx與徑向兩面抗彎彈性模量平均值Ep之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為Rx=10.61Ep+18.26(R2=0.825)?？梢?通過測量竹條徑向兩面抗彎彈性模量并計算其平均值,可以很好地推測其弦向靜曲強度;或者說明通過對竹條徑向兩面抗彎彈性模量平均值進行分等,可以很好地實現(xiàn)對竹條弦向靜曲強度的分級。

2.3 竹節(jié)對竹條彈性模量的影響

對90根竹條的248和245個節(jié)部測試位置所測得的弦向抗彎彈性模量和徑向(近青面受拉)抗彎彈性模量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計(表1)和分析,可以得到多點弦向抗彎彈性模量平均值(整根竹條上所有測試位置的抗彎彈性模量平均值)與中間點抗彎彈性模量關(guān)系(圖5)、多點徑向抗彎彈性模量平均值與中間點抗彎彈性模量關(guān)系(圖6),以及多點弦向抗彎彈性模量平均值與中間點徑向抗彎彈性模量關(guān)系(圖7)的數(shù)據(jù)散點圖。

表1 竹條各點抗彎彈性模量Table 1 MOE of bamboo strips at each point

圖5 多點弦向MOE平均值與中間點弦向MOE的關(guān)系Fig. 5 The relationship of all test points tangential MOE and the middle test point tangential MOE

圖6 多點徑向MOE平均值與中間點徑向MOE的關(guān)系Fig. 6 The relationship of all test points radial MOE and the middle test point radial MOE

圖7 多點弦向MOE平均值與中間點徑向MOE的關(guān)系Fig. 7 The relationship of all test points tangential MOE and the middle test point radial MOE

從表1可以看出,對于全體試件,竹條中部的抗彎彈性模量(無論是節(jié)間還是節(jié)部或是節(jié)部和節(jié)間中點的平均值,也不論是弦向還是徑向)與多點抗彎彈性模量的平均值,其大小范圍、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都相差甚微。這說明總體而言,竹節(jié)對竹條抗彎彈性模量的影響很小,竹條中部的抗彎彈性模量可以代表整根竹條的抗彎彈性模量。有研究表明,帶節(jié)竹材的抗彎強度與節(jié)間相比有一定程度降低的趨向,但差異不顯著[14];竹條節(jié)部的彎曲強度較節(jié)間大約3.14%[15]。總之,節(jié)部與節(jié)間的彎曲強度差異很小,與本研究的結(jié)果具有一致性。

從圖5可以看出,竹條多點弦向抗彎彈性模量平均值與竹條節(jié)間或節(jié)部中間點弦向抗彎彈性模量之間存在較顯著的線性關(guān)系(r=0.917 1)。竹條多點弦向抗彎彈性模量平均值Exd隨著竹條節(jié)間或節(jié)部中間點弦向抗彎彈性模量Exz的增大而增大,一元線性經(jīng)驗回歸方程為Exd=0.816Exz+1.771(R2=0.841)。這說明僅測量竹條中間點(無論是節(jié)間還是節(jié)部)的弦向抗彎彈性模量就能較好地推測出整根竹條的弦向抗彎彈性模量(多點的平均值)。

從圖6可以看出,竹條多點徑向(近青面受拉)抗彎彈性模量平均值與竹條節(jié)間或節(jié)部中間點徑向抗彎彈性模量之間存在顯著的線性關(guān)系(r=0.934 3)。竹條多點徑向抗彎彈性模量平均值Ejd隨著竹條節(jié)間或節(jié)部中間點徑向抗彎彈性模量Ejz的增大而增大,一元線性經(jīng)驗回歸方程為Ejd=0.867Ejz+1.267(R2=0.873)。這說明僅測量竹條中間點(無論是節(jié)間還是節(jié)部)的徑向抗彎彈性模量就能較好地推測出整根竹條的徑向抗彎彈性模量(多點的平均值)。

從圖7可以看出,竹條多點弦向抗彎彈性模量平均值與竹條節(jié)間或節(jié)部中間點徑向(近青面受拉)抗彎彈性模量之間存在較好的線性關(guān)系(r=0.822 8)。竹條多點弦向抗彎彈性模量平均值隨著竹條節(jié)間或節(jié)部中間點徑向抗彎彈性模量增大而增大,一元線性經(jīng)驗回歸方程為Exd=0.659Ejz+ 3.419(R2=0.677)。這說明僅測量竹條中間點(無論是節(jié)間還是節(jié)部)的徑向抗彎彈性模量就能較好地推測出整根竹條的弦向抗彎彈性模量(多點的平均值)。

2.4 中間點徑向抗彎彈性模量對竹條分級的有效性

90根竹條所測得的竹條中間點徑向抗彎彈性模量為6.1～12.1 GPa,以0.5 GPa為間距對彈性模量在8.0～11.0 GPa范圍的竹條進行分級,各等級(E80～E110)竹條所對應(yīng)的試件量和弦向靜曲強度統(tǒng)計如表2所示,不同等級竹條的弦向靜曲強度箱形圖如圖8所示。

表2 不同等級竹條的弦向靜曲強度Table 2 Tangential MOR of bamboo strips of different grades

圖8 不同等級竹條的弦向靜曲強度Fig. 8 Tangential MOR of bamboo strips of different grades

由表2可知,E80～E110七等級竹條共計80根,占總數(shù)的88.89%。其中,E90～E105 4個等級的竹條共計61根,占總數(shù)的67.78%。

由表2和圖8可知,隨著竹條徑向抗彎彈性模量等級的增大,各等級竹條弦向靜曲強度的平均值呈近似直線增大。從E80到E110,竹條的弦向靜曲強度平均值從124.76 MPa增大到156.00 MPa,增長了25.04%;竹條每提高一個等級,其弦向靜曲強度平均增加4.17%。這說明具有很好的分級效果,即通過竹條中間點徑向抗彎彈性模量分等可以對竹條的弦向靜曲強度進行有效分級。

2.5 側(cè)壓型竹層板用竹條分級效果驗證

制造不同等級側(cè)壓型竹層板的竹條,其徑向抗彎彈性模量統(tǒng)計如表3所示。由表3可知,未經(jīng)分級的竹條變異系數(shù)達(dá)11.29%,而經(jīng)過分級之后,不同等級的竹條變異系數(shù)均穩(wěn)定在2%以內(nèi),降低了82%以上。由此可知,通過分級可以顯著降低竹層板組成單元——竹條之間徑向抗彎彈性模量的差異。

表3 不同等級竹條的徑向抗彎彈性模量Table 3 Radial MOE of bamboo strips of different grades

由各等級竹條制備的竹層板抗彎彈性模量和靜曲強度如圖9所示。由圖9可知:竹層板的抗彎彈性模量和靜曲強度與竹條等級均呈現(xiàn)正相關(guān)性;隨著竹條等級的提高,竹層板的抗彎彈性模量和靜曲強度成比例地增大。由此可知,對于側(cè)壓型竹層板用竹條,采用中間點徑向抗彎彈性模量進行分級效果顯著。

圖9 不同等級竹層板的抗彎彈性模量和靜曲強度Fig. 9 MOE and MOR of different bamboo laminates grade

3 結(jié) 論

通過研究竹條節(jié)間中心各方向彈性模量之間及其與弦向靜曲強度之間的關(guān)系,以及竹節(jié)對竹條彈性模量的影響,并對竹條采用中間點徑向抗彎彈性模量分級的有效性和對側(cè)壓型竹層板的抗彎性能進行驗證,得到以下結(jié)論:

1)通過測量竹條節(jié)間徑向兩面抗彎彈性模量,可以較準(zhǔn)確地推測其弦向抗彎彈性模量;

2)通過測試竹條某節(jié)間徑向兩面抗彎彈性模量,可以很好地預(yù)測該位置的弦向靜曲強度;

3)僅測量竹條中間點(無論是節(jié)間還是節(jié)部)的徑向抗彎彈性模量,就能較好地推測出代表整根竹條的弦向抗彎彈性模量;

4)采用竹條中間點徑向抗彎彈性模量分等,可以實現(xiàn)對竹條(弦向靜曲強度)的有效分級;

5)按竹條中間部位的徑向抗彎彈性模量對竹條進行分級,其側(cè)壓型竹層板的分級效果顯著。