竹质材料的工艺及基本性能的分析研究

李添炉+周一鸿+王晨星

摘 要：通过分析研究竹帘胶合板、竹集成材、竹材重组材等现代竹质工程材料的制作工艺及其基本力学性能，并指出这三种竹质材料在现代建筑结构构件中的应用。

关键词：竹帘胶合板；竹集成材；重组材；荷载-位移曲线

在当前发展低碳经济的大环境下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是可持续发展的必然方向。在现代房屋建设材料中，竹、木都是绿色环保的建筑材料，但是我国木材比较稀缺，主要依靠从国外进口。与木材相比，我国竹资源十分的丰富，产量和品质均位于世界首位。竹子的成材速度相比于树木快了许多，属于生长周期短的可再生利用资源，具有相当大的种植开发利用价值。竹子是自然界中效能最高的可再生材料。竹材的比强度远高于普通木材和普通钢材。所以，竹材具备成为工程结构建筑材料的先天条件，如果将其开发成合理的建筑用材，就能够充分的发挥竹材的性能，为充分利用丰富的竹资源提供合理有效的途径。本文进一步对相关竹质工程材料的加工工艺与基本性能进行研究分析。

1 现代竹质工程材料的工艺与用途

竹材人造板是以竹子作为原材料，经过一系列物理化学处理，根据一定要求而加工成不同形状的单元體，然后涂胶烘干后组合成竹材板坯，板坯最后再按一定要求胶合而成的一种人造板材。竹材人造板的主要优点就是它合理的改变了竹子的材质不均匀、各向异性和容易干裂等缺点，使之成为一种不易遭受虫蛀、不易发生霉变和尺寸稳定性良好的理想的建筑材料。可用于建筑结构构件的竹材产品有竹帘胶合板、竹集成材、重组竹材等。

1.1 竹帘胶合板

竹帘胶合板是以我国资源丰富的毛竹为原料，将原竹弦向剖切成一定厚宽竹蔑，通过细棉线或麻线将竹蔑连接成长方形的竹帘，使之作为构成单元，竹帘单元以纵横交错的方式组坯，施加具有优良耐水、耐气性的中温固化树脂胶粘剂，通过浸胶热压形成的结构板材。作为建筑结构材料可应用于楼、地面及墙体结构材料。

参考国标《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中抗弯强度的测定。抗弯强度试样尺寸：长度为300mm，宽度50mm（士0.5mm），宽度为10mm，跨长为240mm。采用三点弯曲加载，得到人造板的抗弯荷载-变形曲线如图1所示。整个曲线可以归纳为三个阶段，线性阶段、非线性阶段和破坏阶段。找出线性阶段的终点的荷载，再根据此时的跨距、试样的尺寸就可计算出竹帘层压板的比例极限应力。

竹帘胶合板的抗弯试验中，发现破坏形式是拉伸破坏，如图2所示。由于竹材的抗拉强度远远高于抗压强度，当施加的弯矩达到某一值时，试样的受压侧所受的压应力达到抗压强度而发生破坏。此时中性轴向受拉一侧移动，当继续加大弯矩后，拉伸侧也会达到试样的抗拉强度而发生断裂。由此，试样最终完全破坏。由于其良好的受载能力，破坏时间长，破坏发生时的竖向位移较大。所以竹帘胶合板在楼或地面的受弯构件设计中，可以考虑以挠度或截面刚度作为控制指标进行设计，这样才能充分利用竹帘胶合板的特性。

1.2 竹集成材

竹集成材是将一定规格的竹蔑，经过一系列的物理加工和化学处理，在一定的温度和压力下，利用胶粘剂或者竹材自身结合力的作用，胶合热处理而制成的一定规格的板材和型材。用于建筑结构构件可作为梁、柱、承重墙、单向板等。因为在轴向力作用下竹集成材的应力应变的线性关系与竹材相似，所以按《竹材物理力学性能试验方法》进行测定竹集成材的弹性模量、抗拉和抗压强度；其中国内暂时没有竹集成材的抗弯强度和抗剪强度的测定标准，所以试验参照日本《结构用单板层积材标准》。其力学性能试验结果见表1。

试件在轴心受拉状态下大部分区段都近似处于弹性工作阶段，并有明显的塑性变形流幅，其破坏是一种塑性破坏，荷载与拉应变的关系见图3。在轴心受压状态下，试件的应力-应变曲线由线性阶段转为非线性阶段时，有较大的变形增幅，表现出较好的延性，荷载与变形的关系见图4。竹集成材抗剪破坏时延性很好，其在达到极限荷载时试件未发生瞬间破坏，故是一种塑性破坏。因此竹集成材构件之间的连接比较适合采用铰接或者刚接。

1.3 重组竹材

重组竹，是一种将竹材的低质材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料，也就是将竹材加工成横向不断裂、纵向松散而交错相连的竹篾、竹丝或碾碎成竹丝束。经干燥后浸胶，再干燥到要求含水率，然后组坯，经高温高压热固化而成的板状或其他形状的竹质人造复合材料。对重组竹简支梁试件（105mm×160mm×1870mm）进行抗弯试验，其L/4处和跨中处位移随荷载的变化曲线如图5所示。

从重组竹简支梁构件的荷载～位移关系曲线中可以看出，重组竹简支梁在整个加载过程中，荷载与位移近似呈线性关系，在相同的位移中，1/4部位处的荷载大于跨中的荷载。梁底部竹纤维受拉断裂破坏，瞬间发生断裂，随后，在竹材的裂缝顶部水平方向发生剥离式撕裂破坏，承载力急剧下降，对应挠度限值（L/250）的荷载值为极限荷载的23%，所以在受弯构件设计中，可以考虑以正常使用极限状态控制结构设计（挠度限值）。根据重组竹的特性，其可用作工程结构材料、装饰材料、家具用材等，经过模压还有各种其他的特殊用途。

2 结束语

竹质工程材料是一种可持续利用，绿色环保的新型工程材料。作为现代竹质工程材料构件，试验结果表明其破坏时竖向变形较大，也就是具有良好的延性。故其设计荷载是由截面刚度控制的，如果按照现行规范的挠度限值进行设计，竹质材料的强度将不能充分利用。因此建议适当放宽挠度限值以提高材料的强度利用程度。不断完善地竹材人造板加工技术和重组材加工技术，为竹材从天然传统建筑材料向现代建筑材料转变提供了强有力支持，为现代竹结构房屋的设计和应用奠定牢固的基础。

参考文献

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