蔣 軍 盧曉寧 沈海穎

竹材作為我國的特色資源，其種類和產(chǎn)量均居世界首位。原竹具備中空帶節(jié)、徑小壁薄的結(jié)構(gòu)特征，且在竹壁厚度方向上存在著化學(xué)成分和物理性能差異明顯的構(gòu)造形式[1]。這種特殊組織結(jié)構(gòu)，賦予原竹獨(dú)特的功能性，使其與木材相比具備比強(qiáng)度高、韌性好、隔熱吸聲等特點(diǎn)。然而，相關(guān)報(bào)道[2-3]表明：人造板行業(yè)中，竹資源利用主要集中在以毛竹為主的大徑級(jí)竹材。且除碎料板以外，其他各類竹材人造板的利用率均低于50%，綜合利用率只在40%左右[4]。造成這種低利用率現(xiàn)狀,研究者[5-6]認(rèn)為主要集中在以下幾點(diǎn): 1）竹材內(nèi)外表面含有竹黃、蠟質(zhì)層和有機(jī)硅，阻止了膠黏劑對其表面進(jìn)一步潤濕; 2）竹加工生產(chǎn)設(shè)備精度低，損耗大; 3）對小徑級(jí)竹材資源未充分高效利用；4）現(xiàn)行工藝原竹均經(jīng)過剖蔑、碾壓等處理，破壞了原竹結(jié)構(gòu)，耗時(shí)費(fèi)力，降低了產(chǎn)品效益。

在節(jié)約可再生資源的背景下，刨花板是將木材加工剩余物、小徑級(jí)木材或者非木材植物纖維原料加工成刨花(或碎料)，經(jīng)膠黏劑混合熱壓而成的一種非結(jié)構(gòu)用人造板材[7-8]。在室內(nèi)裝飾和家具制造行業(yè)，刨花板在世界范圍內(nèi)的需求量急劇增加，已經(jīng)占到人造板總體使用量的57%，并保持著每年2%～5%的穩(wěn)定增長率[9-10]。然而，空心刨花板作為刨花板的一種，其應(yīng)用同樣主要集中在裝飾性方面，力學(xué)性能方面的缺陷在一定程度上限制了其在其他應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

筆者利用小徑級(jí)原竹為增強(qiáng)相，空心刨花板為基體相，制備原竹結(jié)構(gòu)竹木復(fù)合材料。分析討論了復(fù)合材料的基本物理力學(xué)性能，并探究其作為軸向抗壓材料的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案。期望為我國竹材的綜合利用，特別是小徑級(jí)竹材利用提供新的研究思路，拓寬小徑級(jí)竹材和空心刨花板的應(yīng)用范疇。

1 材料及方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

1）淡竹(Phyllostachysglauca McClure)：3年生淡竹，竹竿外徑18～20 mm。竿徑勻稱、長度完整，砍伐于距地表以上30 cm處，發(fā)育良好且無明顯蟲害缺陷。試樣調(diào)整含水率 (12±5)%備用。

2）空心刨花板( EP)： 規(guī)格：2 100 mm (長) ×1 250 mm(寬) ×33 mm (厚)，孔徑20 mm，含水率：10%～15%；購于常熟凱旋木業(yè)有限公司。

3）共混膠黏劑：三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂膠黏劑(MUF) [山東曲阜市慧迪化工有限責(zé)任公司：n(F)/n(U)=1.2 ～1.3，w%(M)=18%～20%；pH =8.52～9.58；黏度：310 mPa·s；固含量：46.65%。自制封閉型聚氨酯發(fā)泡膠黏劑：與MUF共混質(zhì)量添加量為15%。共混膠黏劑均勻覆蓋原竹表面(膠層1～2 mm)；復(fù)合板材熱壓溫度130～135 ℃，熱壓時(shí)間20 min，熱壓壓力0.6 MPa。

4）BRP覆面改性：采用楊木單板(厚度1.3 mm; 含水率8%～12%)壓制五層LVL和膠合板對BRP進(jìn)行表層改性。膠黏劑：間苯二酚-苯酚-甲醛樹脂膠黏劑(固含量62.1%；黏度65 mPa·s；pH=9.5)。改性工藝條件：雙面施膠300 g/m2；常溫冷壓24 h；壓力0.8 MPa。

1.2 原竹增強(qiáng)空心刨花板( BRP)性能測試

測試指標(biāo)：板材密度(ρ)；縱向抗壓強(qiáng)度(CS)；長度方向尺寸變化率(LDC)；吸水厚度膨脹率(TS)；吸水量(WA); 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)；靜曲強(qiáng)度(MOR)；抗彎彈性模量(MOE)。抗壓試件：80 mm(長)×50 mm(寬)×33 mm(厚)；抗彎試件：長度：1 100 mm，橫截面尺寸(長×寬)同抗壓試件 (圖1)。

圖 1 抗壓、抗彎試件橫截面示意圖Fig. 1 Cross section diagram of specimens for compression and bending test

1.3 軸向抗壓柱設(shè)計(jì)方法

實(shí)際工程中,由于載荷作用位置偏差，結(jié)構(gòu)不均勻等原因造成的初始偏心距，在加載后會(huì)逐漸增大，造成軸向抗壓材料在強(qiáng)度破壞前就發(fā)生失穩(wěn)破壞[11]。因此，壓桿穩(wěn)定性設(shè)計(jì)尤為重要，且有歐拉公式作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[12]：σcr=Fcr/A=π2EI/(μl/i)2A≤σp；λ=μl/i；i=(I/A)1/2。式中:σcr為臨界應(yīng)力；Fcr為臨界壓力；A為截面面積；E為材料彎曲彈性模量；I為截面慣性矩；μ為長度因數(shù)；l為桿實(shí)際長度；i為截面慣性半徑（矩形截面i=0.289b;b:截面寬度）；λ為長細(xì)比；σp為壓桿比例極限。

設(shè)計(jì)假設(shè)：1）取矩形截面計(jì)算；2）定義柱的長細(xì)比為：柱無側(cè)向約束的長度與對應(yīng)的截面回轉(zhuǎn)半徑的比值, 即：λ=μl/i(μl為計(jì)算長度)；3）取單獨(dú)軸向載荷計(jì)算；4）取設(shè)計(jì)計(jì)算長度為實(shí)際長度。并依據(jù)P/φA≤[σ] ；λ=μl/i兩個(gè)方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。式中：P為設(shè)計(jì)軸向壓力；φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為軸向受壓截面面積； [σ]為材料的抗壓設(shè)計(jì)值。其中，A和i有關(guān)，φ和λ有關(guān)。

歐拉公式只有在臨界應(yīng)力小于比例極限σp時(shí)才是成立 的，即：π2EI/(μl)2A≤σp或λ≥(π2E/σp)1/2=λp。式中，σp為材料的順紋抗壓比例極限；λp為材料抗壓比例極限對應(yīng)的壓桿柔度。由此，歐拉公式的適用范圍是：λ≥λp。

木材(竹材)組織不均勻，力學(xué)性能變異性較大。當(dāng)材料處于恒定載荷時(shí)，順紋抗壓強(qiáng)度極限值σ相對于順紋抗壓(軸向)比例極限σp較容易測定，且兩者存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)用材，σp=0.8σ[13]。在恒定載荷作用下，木材抗壓強(qiáng)度比瞬時(shí)載荷作用下抗壓強(qiáng)度低的多。一般規(guī)定：σpy=0.53σp(σpy：恒定載荷作用下順紋抗壓比例極限)。從而得出：恒定載荷作用下軸向抗壓比例極限為：σpy=0.53×0.8σ=0.45σ。所以，對應(yīng)壓桿柔度取值為：λp=(π2E/0.45σ)1/2；代入相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得：λp=68；因此，該研究中，滿足歐拉公式的壓桿柔度取值必要條件是：λ≥68。

2 結(jié)果與分析

2.1 BRP物理力學(xué)性能測試

通過表1得出：保留竹青的BRP材料，CS和IB分別約為EP基材的2.3倍和2.16倍；MOR和MOE分別約是EP素材的6.4倍和5.95倍；LDC和TS相比EP素材分別降低了10.28%和2.5%。而去青BRP材料，CS和IB分別約為EP素材的2.27倍和2.53倍；MOR和MOE分別約為EP素材的6.52倍和6.16倍；LDC和TS相比EP素材分別降低9.97%和2.42%。

表1 BRP物理力學(xué)性能分析Tab.1 Physical and mechanical performance of BRP

數(shù)據(jù)分析表明:原竹結(jié)構(gòu)引入使得EP力學(xué)性能得到了明顯的改善和提高；同時(shí)在尺寸穩(wěn)定性上相比EP，BRP材料也得到較為顯著的優(yōu)化。這可能是因?yàn)椋篍P利用木材加工剩余物，以少量的膠黏劑混合攪拌，采用擠壓法成型。在人造板行業(yè)中主要用作墻板、門板、家具等非結(jié)構(gòu)用材[14]。在恒定載荷下，EP總是以脆性斷裂的形式破壞，難以維持一定的承載時(shí)間。通過引入具備良好韌性和縱向抗壓強(qiáng)度的原竹結(jié)構(gòu)，在縱向抗壓時(shí)充分發(fā)揮竹材優(yōu)越的抗壓性能，以原竹軸向受力為主；空心刨花板在原竹四周起到基體保護(hù)作用，固定原竹位置，一定程度上可以約束原竹側(cè)向彎曲。在宏觀上構(gòu)建一種原竹結(jié)構(gòu)“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”。

表2表明：竹青存在與否對IB有一定的影響，對其他力學(xué)性能影響不顯著。從P值大小反應(yīng)，竹青存在與否對以上相關(guān)性能的影響程度是：IB＞LDC＞MOE＞TS＞MOR＞CS。這可能是因?yàn)椋旱癖砻婧趸璩煞譃?.18%[1]。竹材表面竹青的存在，影響了膠黏劑在其表面的潤濕性和滲透性[15]。導(dǎo)致部分膠黏劑在竹材表面無法順利鋪展、滲入竹材內(nèi)部，不能形成有效的膠釘結(jié)構(gòu)，影響膠合效果。

表2 原竹表面形式對BRP 材性影響Tab.2 Effect of original bamboo surface on BRP properties

2.2 覆面改性對BRP材性的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：BRP最初破壞形式主要是以EP的脆性斷裂為起點(diǎn)。因此，利用五層膠合板和LVL分別對BRP表面進(jìn)行改性處理（圖1b）。

BRP尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖2a)：BRP的TS約為EP的1/3；LDC約為EP的1/4。隨著覆面材料的引入，覆面原竹增強(qiáng)空心刨花板TS和LDC相比EP整體呈下降趨勢，表明原竹材料和覆面材料的加入有助于改善EP尺寸穩(wěn)定性。且不同覆面材料對TS影響不顯著,但對LDC影響顯著。BRP抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果顯示：BRP的MOR和MOE均優(yōu)于EP，EP的MOR和MOE分別為2.47 MPa和550 MPa，而BRP相應(yīng)指標(biāo)達(dá)到16.1 MPa和3 390 MPa。且LBRP抗彎性能均優(yōu)于PBRP材料。其中LBRP材料MOR達(dá)到37.84 MPa，MOE到達(dá)14 577 MPa。表3顯示：不同覆面材料對復(fù)合材料的MOR和MOE均有顯著影響，且對MOE影響更為顯著。

圖2 不同復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性及抗彎性能Fig.2 Dimensional stability and bending properties of different composites

表3 覆面材料對BRP材性的影響Tab.3 Effect of facing material on BRP properties

綜合以上分析可以得出：覆面改性處理可降低復(fù)合板WA，從而降低TS和LDC，提高BRP材料尺寸穩(wěn)定性；LVL覆面改性更有利于提高BRP材抗彎性能。其原因可能是LVL或膠合板由單板壓制而成，阻礙了水直接從空心刨花板表層碎料空隙滲入，減少了水分快速滲入途徑，從而在一定時(shí)間范圍內(nèi)降低了WA。此外，同等材質(zhì)和工藝條件下制備的LVL與膠合板相比，LVL具備更好的抗彎特性[16]。因此，更有利于提高BRP材抗彎性能。

2.3 軸向抗壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

基于GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，材料設(shè)計(jì)TC17B( CS≥15 MPa)和TB15(CS≥14 MPa)類別要求。假設(shè)軸壓截面尺寸：長邊為a，短邊為b，a/b=c≥1。

1）TC17 B類

① 當(dāng)λ＞75

聯(lián)立（4）、（5）兩式，解得：

即：若，軸壓構(gòu)件軸向力P滿足（6）式，并λ＞75，則BRP軸壓柱為大柔度柱，且截面尺寸滿足（4）式設(shè)計(jì)；反之則為中等柔度柱。

②當(dāng) 68≤λ≤75

聯(lián)立（8）、（9）兩式，解得：

若，軸壓構(gòu)件軸向力P滿足中等柔度柱取值時(shí)，則BRP軸壓柱的截面尺寸應(yīng)符合(10)取值范圍。

2）TB15類

① 當(dāng)λ＞91

即：若，軸壓構(gòu)件軸向力P滿足（14）式，并λ＞ 91，則BRP軸壓柱，為大柔度桿件，且截面尺寸滿足（12）式；反之則為中等柔度柱。

② 當(dāng)68≤λ≤91

聯(lián)立(16)、(17)兩式，解得

若，軸壓構(gòu)件軸向力P滿足中等柔度取值，并68≤λ≤91，則BRP軸壓柱，截面尺寸應(yīng)滿足(18)式。

故，BRP軸壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 原竹增強(qiáng)空心刨花板軸向抗壓尺寸設(shè)計(jì)參考范圍Tab.4 Reference values of stability design for longitudinal compression

3 結(jié)論

1）原竹結(jié)構(gòu)引入對EP材性有顯著影響，力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性均顯著提高；

2）原竹和覆面材料的加入有助于綜合改善EP尺寸穩(wěn)定性和抗彎特性。LVL或膠合板阻礙了水從刨花板表層碎料空隙直接滲入，減少了水分快速滲入途徑，從而在一定時(shí)間范圍內(nèi)降低了WA，提高了復(fù)合材料整體尺寸穩(wěn)定性。不同覆面材料對TS影響不顯著，但對LDC影響顯著；

3）LBRP抗彎性能優(yōu)于PBRP材料。其中LBRP的MOR達(dá)到37.84 MPa，MOE達(dá)到14 577 MPa；不同覆面材料對MOR和MOE均有顯著影響，但對MOE影響更為顯著；

4）依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對BRP作為軸向抗壓材料進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，得出其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)的參考取值范圍。

[1] 蔣軍, 盧曉寧, 羅海, 等. 淡竹主要理化性能及纖維形態(tài)研究[J]. 竹子研究匯刊, 2014, 33(2):34-40.

[2] Nordin K, Wahab R, Jamaludin M A, et al. Strength Properties of Glued Laminated Bamboo (Gigantochloascortechinnii) Strips for Furniture[J].Using Wood Composites as a Tool for Sustainable Forestry, 2005:83.

[3] Nakajma M, Kojiro K, Sugimoto H, et al. Studies on bamboo for sustainable and advanced utilization[J]. Energy, 2011, 36(4):2049-2054.

[4] 張應(yīng)鶴. 竹材人造板發(fā)展的思考[J]. 木材加工機(jī)械, 2004, 15(2):26-28.

[5] 王小青, 趙行志. 竹木復(fù)合是高效利用竹材的重要途徑[J]. 木材加工機(jī)械, 2002, 13(4):25-27.

[6] Ghalehno M D, Madhoushi M, Tabarsa T, et al. The manufacture of particleboards using mixture of reed (surface layer) and commercial species (middle layer)[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2011, 69(3):341-344.

[7] 蔣軍, 王志強(qiáng), 那斌, 等. 響應(yīng)曲面法在刨花板制造中的應(yīng)用[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2015, 42(2):23-28.

[8] Yang T H, Lin C J, Wang S Y, et al. Characteristics of particleboard made from recycled wood-waste chips impregnated with phenol formaldehyde resin[J]. Building and Environment, 2007, 42(1):189-195.

[9] 周定國. 人造板工藝學(xué)[M]. 第二版. 北京:中國林業(yè)出版社, 2011.

[10] Nirdosha G, Setunge S, Jollands M, et al. Properties of hardwood saw mill residue-based particleboards as affected by processing parameters[J].Industrial crops and products, 2009, 29(1): 248-254.

[11] 王震鳴. 復(fù)合材料力學(xué)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1991:149-186.

[12] 劉鴻文. 材料力學(xué)( 第四版) [M]. 北京:高等教育出版社, 1994.

[13] 成俊清. 木材學(xué)[M]. 北京:中國林業(yè)出版社, 1985.

[14] 錢利霞, 姚壽康. 空心刨花板生產(chǎn)技術(shù)與市場分析[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2008, 36(3):44-45.

[15] 江澤慧, 于文吉, 余養(yǎng)倫. 竹材化學(xué)成分分析和表面性能表征[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 34(4):1-3.

[16] Tenorio C, Moya R, Mu?oz F. Comparative study on physical and mechanical properties of laminated veneer lumber and plywood panels made of wood from fast-growing Gmelinaarborea trees[J]. Journal of Wood Science, 2011,57(2):134-139.