竹質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、竹材重組材等現代竹質工程材料的制作工藝及其基本力學性能，并指出這三種竹質材料在現代建筑結構構件中的應用。

關鍵詞：竹簾膠合板；竹集成材；重組材；荷載-位移曲線

在當前發(fā)展低碳經濟的大環(huán)境下，綠色、生態(tài)、環(huán)保、低碳的新型建筑結構材料是可持續(xù)發(fā)展的必然方向。在現代房屋建設材料中，竹、木都是綠色環(huán)保的建筑材料，但是我國木材比較稀缺，主要依靠從國外進口。與木材相比，我國竹資源十分的豐富，產量和品質均位于世界首位。竹子的成材速度相比于樹木快了許多，屬于生長周期短的可再生利用資源，具有相當大的種植開發(fā)利用價值。竹子是自然界中效能最高的可再生材料。竹材的比強度遠高于普通木材和普通鋼材。所以，竹材具備成為工程結構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。本文進一步對相關竹質工程材料的加工工藝與基本性能進行研究分析。

1 現代竹質工程材料的工藝與用途

竹材人造板是以竹子作為原材料，經過一系列物理化學處理，根據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)點就是它合理的改變了竹子的材質不均勻、各向異性和容易干裂等缺點，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。可用于建筑結構構件的竹材產品有竹簾膠合板、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，通過細棉線或麻線將竹蔑連接成長方形的竹簾，使之作為構成單元，竹簾單元以縱橫交錯的方式組坯，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構板材。作為建筑結構材料可應用于樓、地面及墻體結構材料。

參考國標《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中抗彎強度的測定。抗彎強度試樣尺寸：長度為300mm，寬度50mm（士0.5mm），寬度為10mm，跨長為240mm。采用三點彎曲加載，得到人造板的抗彎荷載-變形曲線如圖1所示。整個曲線可以歸納為三個階段，線性階段、非線性階段和破壞階段。找出線性階段的終點的荷載，再根據此時的跨距、試樣的尺寸就可計算出竹簾層壓板的比例極限應力。

竹簾膠合板的抗彎試驗中，發(fā)現破壞形式是拉伸破壞，如圖2所示。由于竹材的抗拉強度遠遠高于抗壓強度，當施加的彎矩達到某一值時，試樣的受壓側所受的壓應力達到抗壓強度而發(fā)生破壞。此時中性軸向受拉一側移動，當繼續(xù)加大彎矩后，拉伸側也會達到試樣的抗拉強度而發(fā)生斷裂。由此，試樣最終完全破壞。由于其良好的受載能力，破壞時間長，破壞發(fā)生時的豎向位移較大。所以竹簾膠合板在樓或地面的受彎構件設計中，可以考慮以撓度或截面剛度作為控制指標進行設計，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，經過一系列的物理加工和化學處理，在一定的溫度和壓力下，利用膠粘劑或者竹材自身結合力的作用，膠合熱處理而制成的一定規(guī)格的板材和型材。用于建筑結構構件可作為梁、柱、承重墻、單向板等。因為在軸向力作用下竹集成材的應力應變的線性關系與竹材相似，所以按《竹材物理力學性能試驗方法》進行測定竹集成材的彈性模量、抗拉和抗壓強度；其中國內暫時沒有竹集成材的抗彎強度和抗剪強度的測定標準，所以試驗參照日本《結構用單板層積材標準》。其力學性能試驗結果見表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，荷載與拉應變的關系見圖3。在軸心受壓狀態(tài)下，試件的應力-應變曲線由線性階段轉為非線性階段時，有較大的變形增幅，表現出較好的延性，荷載與變形的關系見圖4。竹集成材抗剪破壞時延性很好，其在達到極限荷載時試件未發(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材重新組織并加以強化成型的一種竹質新材料，也就是將竹材加工成橫向不斷裂、縱向松散而交錯相連的竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束。經干燥后浸膠，再干燥到要求含水率，然后組坯，經高溫高壓熱固化而成的板狀或其他形狀的竹質人造復合材料。對重組竹簡支梁試件（105mm×160mm×1870mm）進行抗彎試驗，其L/4處和跨中處位移隨荷載的變化曲線如圖5所示。

從重組竹簡支梁構件的荷載～位移關系曲線中可以看出，重組竹簡支梁在整個加載過程中，荷載與位移近似呈線性關系，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，對應撓度限值（L/250）的荷載值為極限荷載的23%，所以在受彎構件設計中，可以考慮以正常使用極限狀態(tài)控制結構設計（撓度限值）。根據重組竹的特性，其可用作工程結構材料、裝飾材料、家具用材等，經過模壓還有各種其他的特殊用途。

2 結束語

竹質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。作為現代竹質工程材料構件，試驗結果表明其破壞時豎向變形較大，也就是具有良好的延性。故其設計荷載是由截面剛度控制的，如果按照現行規(guī)范的撓度限值進行設計，竹質材料的強度將不能充分利用。因此建議適當放寬撓度限值以提高材料的強度利用程度。不斷完善地竹材人造板加工技術和重組材加工技術，為竹材從天然傳統(tǒng)建筑材料向現代建筑材料轉變提供了強有力支持，為現代竹結構房屋的設計和應用奠定牢固的基礎。

參考文獻

[1]魏洋，張齊生，蔣身學，等.現代竹質工程材料的基本性能及其在建筑結構中的應用前景[J].建筑技術，2011，42（5）.

[2]蘇毅，宗生京，徐丹，等.竹集成材簡支梁抗彎性能試驗研究[J].建筑科學與工程學報，2016（1）.

[3]虞華強.分級竹簾人造板的力學性能研究[D].中國林業(yè)科學研究院，2004.

[4]張葉田，何禮平.竹集成材與常見建筑結構材力學性能比較[J].浙江林學院學報，2007，24（1）.