組坯結構對竹束單板層壓板物理力學性能的影響

張文福，王 戈，程海濤，林利民，邱亞新

(1. 國際竹藤網絡中心，北京 100102；2. 黑龍江省林產工業研究所，哈爾濱 150040)

組坯結構對竹束單板層壓板物理力學性能的影響

張文福1，王 戈1，程海濤1，林利民2，邱亞新1

(1. 國際竹藤網絡中心，北京 100102；2. 黑龍江省林產工業研究所，哈爾濱 150040)

以竹束單板層壓板為研究對象，分析組坯結構對板材物理力學性能和連接性能的影響。試驗結果表明：在組坯層數相同的條件下，隨著鋪裝方向的增多，層壓板順紋的各項力學性能呈下降趨勢，采用多向鋪裝方式的板材的耐水性能低于單一鋪裝方向的性能，但板材的連接性能得到了提高。因此，實際應用中，在保證竹束單板層合板力學性能達到使用要求的條件下，可以增h層合板組坯方向，改善其連接性能，提高使用的安全性。

竹束單板；層壓板；力學性能；耐水性能；連接性能

竹束就是將竹材加工成一定寬度的竹條后，經過碾壓帚化等工藝形成通長的相互交聯并保持纖維原有排列的疏松狀單元[1]，而由竹束橫向松散連接且具有一定寬幅的單元稱為竹束單板。將竹材帚化成竹束單板，再經干燥、施膠、組坯成型后熱壓而成的板狀或其他形式的人造板，具有竹材利用率高、物理力學性能

優良、加工性能好等優點，可用做工程結構材料、裝飾材料、家具用材、地板等。目前，竹束單板主要是重組竹生產的原材料，經過層積熱壓而成。在復合材料結構力學中，將由兩層或多層的鋪層通過樹脂固化彼此黏結在一起的板材被稱為層壓板[2]，因此也可以將重組材稱為竹束單板順紋層壓板，這種由單一鋪裝方向壓制的層壓板，在纖維方向具有很高的強度和剛度，在垂直纖維方向上的強度和剛度非常低。層壓板在實際應用中，由于工藝水平的限制和使用連接的需要，大多數采用膠接、榫接、機械連接和混合連接等方式進行連接。其中機械連接中的螺栓連接是竹、木結構最常用的一種連接方式，適用于承載較高載荷的部位或強調可靠性較高的部位。實際應用證明，螺栓連接的連接部位也是整個構件中最薄弱的部分，其承載性能是影響結構受力性能的關鍵，關系到結構的安全性、可靠性和穩定性[3]。同時，根據相關學者研究表明：相對于多種鋪裝方向，采用單一鋪裝方向的層壓板連接強度較低[4]。因此，開展竹束單板層壓板組坯結構的研究對擴大其應用范圍具有重大的意義。

基于上述考慮，本文以竹束單板層壓板為研究對象，分析不同組坯結構對層壓板的順紋力學性能及連接性能的影響，以期為擴大材料的應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

梁山慈竹，采自四川省長寧縣，竹齡3～5年；水溶性酚醛樹脂膠，購于北京太爾化工有限公司，固體含量45%。

1.2 試驗設備

自主研發竹材帚化機、熱壓機(CARVER 3895)、力學試驗機(INSTRON 5582)、推臺鋸(FESTOOL CS70)、氣流式干燥箱(DHG 9240A)、力矩扳手、電子數顯卡尺等。

1.3 試驗方法

1.3.1 制作工藝

竹束單板的加工：將慈竹截成2 m長的竹筒，并剖分成四片，再使用帚化機加工成疏松片狀材料，形成縱向基本保持竹纖維強度，橫向松散連接且具有一定寬幅，厚度均勻的竹束單板，然后裁成300 mm長，氣干至含水率10%～12%，待用。

將加工好的竹束單板浸入用水稀釋至固體含量為15%的酚醛膠中，浸漬時間7 min，取出淋干后，測其浸膠量[1]，然后干燥至含水率10%～12%。測得竹束單板浸膠量為：18.13%。試驗中板材幅面設定為300 mm×140 mm，厚度為12.5 mm。板坯共7層，根據對稱鋪裝的原則進行組坯，選用三種組坯結構分別是：順紋組坯(0°)、縱橫組坯(0°、90°)、交錯組坯(0°、60°、120°)，結構示意圖如圖1所示。采用“冷進冷出”的熱壓工藝，熱壓主要參數為：熱壓壓力6 MPa，熱壓時間1 min/mm，熱壓溫度160℃。

圖1 組坯結構示意Fig. 1 Schematic illustrations of lay-up structure

1.3.2 性能測試

板材陳放24 h后即可制作試件，參照 GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[5]檢測試件的密度、靜曲強度、彈性模量、順紋抗壓強度；參照GB/T 20241-2006《單板層積材》[6]檢測試件的水平剪切強度。試驗采用兩種處理方法測試板材的耐水性能。① 63℃浸泡法處理：將試件置于pH值為7±1，溫度為63±2℃的恒溫水槽中，浸泡24 h后，參照 GB/T 17657-1999，檢測試件的吸水厚度膨脹率。② 28 h循環水煮法處理：將試件放入沸水中煮4 h，取出后直接將試件平放在（63±3）℃的干燥箱中干燥20 h，在放入沸水中煮4 h，取出后在室溫下冷卻10 min。參照GB/T 17657-1999，檢測試件的吸水厚度膨脹率。

參照GB/T 50329-2002《木結構試驗方法標準》[7]制作對稱雙剪單螺栓連接試件，選用M6螺栓進行連接，螺栓擰緊力矩為3 N·m，最大破壞強度 σ 定義為：其中，Fmaх、D、t分別為最大破壞載荷、孔直徑和板厚。

2 結果及分析

三種組坯結構竹束單板層壓板的物理力學性能檢測結果如表1所示。

2.1 力學性能

由表1可知，隨著層合板組坯方向的增加，板材的靜曲強度、彈性模量、順紋抗壓強度、水平剪切強度等力學性能指標呈遞減趨勢。但是三種板材均能達到GB/T 20241-2006中規定的結構用單板層積材彈性模量和靜曲強度指標中的140E級和結構用單板層積材水平剪切強度指標中的65V-55H級。三種板材的力學性能存在差別，主要是因為：1)所測的板材力學性能是平行于表層竹束的排列方向，隨著鋪裝方向的增多，平行于表層竹束的層數減少，因此其縱向力學性能有所下降；2)帚化的竹束采用順紋組坯的方式，板材層間纖維按照同一種方向進行排列，纖維基本保持原有的通直的形態，而采用縱橫組坯和交錯組坯的方式，板材層間纖維相互搭接，經熱壓密實化后，纖維產生彎曲，甚至折斷，降低了板材力學性能。

表1 層壓板的物理力學性能?Table 1 Mechanical properties of laminated board

2.2 耐水性能

由表1可知，板材結構的不同，對板材的耐水性能存在明顯的影響。竹材被帚化成離散狀的竹束，雖然比表面積增大，浸膠量增加，但是竹束的松散程度難以控制。采用順紋組坯的方式，竹束單元按照同一方向排列，在熱壓密實過程中，被擠壓的纖維依照最小阻力定律，向阻力較小的位置發生側移，形成較為密實的板材。而采用縱橫橫和交錯的組坯方式，層間纖維相互搭接，在熱壓密實過程中，層間纖維的摩擦力大于其側向移動的力，因此，板材內部易形成空隙，降低板材的耐水性能；同時相互搭接發生彎曲的纖維，使得板材內部產生應力，經過63℃浸泡和28 h循環水煮處理后，板材內部應力得到釋放，從而表現出耐水性能較差的現象。

2.3 連接性能

三種組坯結構竹束單板層壓板的連接性能如表2所示。

如表2所示，板材A連接性能最差，板材B和板材C的連接性能分別比板材A高32.7%和50.8%。其中，板材A主要采用順紋組坯的結構，板坯結構較為簡單，在進行連接性能測試時，試件的主材自低向上劈裂。板材B采用了縱橫垂直的組坯方式，層與層的鋪裝方向相差90°；從連接性能測試的結果來看，雖然具有較好的荷載能力，但是由于相鄰層間鋪裝方向變化較大的影響，使得層間膠合性能變差，致使側材膠層產生破壞。板材C采用了交錯組坯的方式，層與層的鋪裝方向相差60°，在進行連接性能測試的過程中，直到螺栓拉斷，試件的整體結構仍未受較大的破壞。由此可見，板材的組坯結構對板材的連接性能具有較大的影響，采用縱橫或交錯組坯的方式，板材的物理力學性能雖有一定的降低，但是在達到一定的使用要求的條件下，其連接性能優于順紋組坯的板材，保證了使用的安全性。

表2 層壓板的連接性能Table 2 Connection performance of laminated board

3 結 論

組坯結構對竹束單板層合板的物理力學性能和連接性能存在明顯的影響。在組坯層數的相同條件下，隨著鋪裝方向的增多，板材順紋的各項力學性能呈下降趨勢，采用多向鋪裝方式的板材的耐水性能低于板材單一鋪裝方向的性能，但可以提高板材的連接性能，其中采用交錯組坯結構的板材連接性能最好，其次是縱橫組坯的結構，而順紋組坯結構的板材連接性能最差。

竹束單板順紋層壓板(重組竹)的縱向力學性能較好，其靜曲強度和彈性模量、抗壓強度、水平剪切強度均超過了結構用單板層積材中最高級別的指標要求，但是連接性能較差。本研究通過改變板材的組坯結構，大大提高了板材的連接性能，故在力學性能要求相對較低的結構中，可以選用連接性能較好的組坯結構，保證使用的安全性。

[1] 趙仁杰，喻云水. 竹材人造板工藝學[M]. 北京: 中國林業出版社, 2002.

[2] 趙美英，陶梅貞. 復合材料結構力學與結構設計[M]. 西安:西北工業大學出版社, 2007.

[3] 劉柯珍，王朝暉，黃仲華. 木結構螺栓連接研究進展[J]. 木材加工機械. 2011(1): 40-42.

[4] 顧亦磊. 復合材料機械連接強度分析及影響因素研究[D]. 西安：西北工業大學, 2006

[5] 國家質量技術監督局. GB/T 17657-1999 人造板及飾面人造板理化性能試驗方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 1999.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 20241-2006 單板層積材[S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.

[7] 中華人民共和國建設部. GB/T 50329-2002 木結構試驗方法標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2002.

Effects of lay-up structure on physical and mechanical properties of laminated bamboo bundle board

ZHANG Wen-fu1, WANG Ge1, CHENG Hai-tao1, LIN Li-min2, QIU Ya-хin1
(1. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China;2. Heilongjiang Research Institute of Forest Products Industry, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

The effects of lay-up layer numbers on laminated bamboo bundle board’s physical and mechanical properties and connection performance were analyzed. The results show that under the conditions of same layer numbers, along with the increase of the lay-up directions, the bending strength, bending modulus, compression strength and horizontal shear strength of the laminated board showed a downward trend, while using non-single direction lay-up structure, the board’s waterproof property was lower than that of single layup board, but the board’s connection performance was risen. Therefore, in the real application, with the condition of guaranteeing the mechanical properties of the board to meet operating requirements, the lay-up directions should be increased to improve the board’s connection performance and to rise the board’s safety.

bamboo bundle veneer; laminated board; mechanical properties; water resistance; connection performance

S781.9

A

1673-923X(2012)02-0147-04

2011-9-15

林業公益性行業科研專項（201004005）；農業科技成果轉化資金項目(2009GB24320467)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2010AA101701-04)

張文福(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向：木材科學與技術；E-mail：zhangwenfu542697@163.com

王 戈(1965—)，男，博導，研究員；主要研究方向：木材科學與技術；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文編校：邱德勇]