张 丹 任文涵 陈复明 邓健超 王 戈

(国际竹藤中心，北京，100102)

表层接长方式对竹束单板层积材性能的影响1)

张 丹 任文涵 陈复明 邓健超 王 戈

(国际竹藤中心，北京，100102)

采用竹束单板纵向接长的工艺制造连续长度的竹束单板层积材，研究了对接和搭接两种单板接长方式对表层接长的竹束单板层积材力学性能及4循环加速老化耐久性能的影响。结果表明：接头置于受压侧时，板材的静曲强度表现为搭接优于对接；而置于受拉侧时，对接优于搭接；接长方式对板材的水平剪切强度无显著影响。耐久性测试结果表明：经过循环试验后，对照样及接长样的弯曲性能从大到小为对照样、搭接样、对接样，且三者静曲强度非线性曲线拟合结果符合Boltzmann模型，弹性模量符合ExpDec1模型。

竹束单板层积材；搭接；对接；力学性能；加速老化试验

Bamboo bundle veneer lengthening technology was explored to produce long-span bamboo bundle laminated veneer lumber (BLVL), and the effect of veneer-joint forms, such as butt joint and lap joint, on mechanical properties and durability of BLVL after accelerated aging test was investigated. Test results show that the modulus of rupture (MOR) of BLVL with lap joint are better than BLVL with butt joint, when the joint is on the compression side. However, BLVL with butt joint shows higher MOR, when the joint is on the tension side. Besides, the difference on horizontal shear strength of the non-jointed samples, butt joint samples and lap joint samples is not significant. The results of durability test show that after four cycles, non-jointed samples show the highest bending properties, followed by lap joint samples and butt joint samples. The nonlinear curve fitting results of MOR accords with Boltzmann model, and MOE accords with ExpDec1.

竹束单板层积材是基于传统重组竹生产工艺基础之上，同时借鉴单板层积材顺纹层积组坯的思路生产制造出的一种新型竹质结构材[1-5]，具有强度高、尺寸稳定性好、变异性小的优点，是未来竹质构件发展的重要方向。随着时代的发展，大尺寸竹质工程材料因具有整体性强、性能稳定、应用效率高等优势，市场需求量越来越大。我国生产竹材人造板产品的热压机幅面一般为1.22 m×(2.44～3.00)m，加工大尺寸产品主要以冷压拼长工艺为主，其固化时间长，生产效率低，且产品稳定性得不到保证。针对此种情况，有学者提出了通过改造现有设备，对单板进行接长组坯，并利用普通幅面的胶合板压机进行间歇式热压制造连续长度单板层积材的方法[6-9]。若能将此方法应用于竹束单板层积材的生产，则将有利于超长竹质工程材料的制造和推广应用。因此，对竹束单板接长工艺的研究成为制造超长竹质工程材料的关键。

目前，单板接长方式主要有4种：对接、搭接、指接和斜接，不同接长方式对板材的物理力学性能有显著影响[10]。鉴于帚化疏解后的竹束纤维单板形态比较疏松、端面难以加工成指形或铣削成斜面，本研究采用操作简便的对接和搭接两种接长方式制备竹束单板层积材。根据复合材料力学理论[11-12]，层合板内应力更多地发生在面层材料，其在受力过程中最能发挥作用，因此研究不同表层接长方式下竹束单板层积材的力学性能显得尤为重要。

同时，竹束单板层积材作为一种生物质复合材料，由于纤维、树脂、孔隙对温湿度具有不同程度的敏感性，容易引起基体与纤维的溶胀、内应力的产生和微裂纹沿界面的生长，进而导致材料整体力学性能降低，故研究BLVL的耐久性能是保证其在湿热环境下安全使用的前提。本研究探讨对接和搭接两种接长方式对竹束单板层积材力学性能及不同温湿度环境下耐久性的影响，以期为大跨度竹束单板层积材的生产提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)，采自四川省长宁县，竹龄3～5 a，胸径50～80 mm，竹壁厚度2～5 mm。

水溶性酚醛树脂胶(PF)：购于北京太尔化工有限公司，外观为棕色液体，pH值为10.50，黏度为33 mPa·s(25 ℃)，固体质量分数为48.40%，固化时间>7 s，游离醛0.18%，贮存期为90 d(20～25 ℃)。

自主研发竹材帚化机、热压机(CARVER-3895)、力学试验机(INSTRON-5582)、推台锯(FESTOOL-CS70)、气流式干燥箱(DHG-9240A)、电子数显卡尺等。

1.2 方法

竹束单板接长方式：竹束单板采用对接和搭接两种接长方式，其中搭接处重合长度为10 mm，对接接缝小于2 mm。

竹束单板层积材的制备：竹束单板层积材的主要工艺流程为竹材→截断→剖分→去竹隔→帚化→干燥→浸胶→干燥→组坯(接长)→热压→裁边。

在组坯工艺中，6层竹束单板顺纹组坯，组坯结构见图1。

Ⅰ型表示对照样(未接长板材)，Ⅱ型表示表层对接样，Ⅲ型表示表层搭接样。

图1 竹束单板层积材组坯结构

板材采用“热进热出”工艺，热压压力4.5 MPa，温度150 ℃，时间15 min，板材目标密度1.0 g·cm-3，板材最终尺寸为300 mm×140 mm×12.5 mm。

性能测试方法：板材在温度(23±2)℃，相对湿度(65±3)%的环境中陈放48 h后，锯制试件，试件重复数为6。依据GB/T 17657—1999[13]检测试件的弯曲性能、耐久性能，其中耐久性测试采用水煮—冰冻—干燥循环试验法，即将试件放入沸水中煮6 h，取出后放入-20 ℃条件下冰冻24 h，再在干燥箱中103 ℃干燥6 h，取出试件于室温放置30 min，测试静曲强度。依据GB/T 20241—2006[14]检测试件的水平剪切性能。

2 结果与分析

2.1 表层不同接长方式下竹束单板层积材的力学性能

表1为表层接长竹束单板层积材力学性能测试结果及多重比较，图2为受压侧表层搭接、对接竹束单板层积材弯曲应力—应变曲线，图3为受压侧表层搭接、对接竹束单板层积材弯曲破坏示意图。从表1可以看出：对接和搭接两种接长方式下板材的弯曲性能和水平剪切性能指标均低于对照，这是因为对接或搭接处理后，在长度方向上该竹束层均是不完整竹束纤维，接长部位易产生应力集中，引起试件受力的有效横截面积减小，截面惯性矩降低，最终导致强度降低。另外，在静曲强度方面，接头置于受压侧时，搭接优于对接；而接头置于受拉侧时，对接优于搭接。这是因为在弯曲测试过程中，当接头置于受压侧时，搭接试件因接头处单板层叠，竹束单板层积材为6层结构，加荷辊作用处相当于7层竹束承受载荷作用，而对接试件因接缝的存在，表层压应力向两侧传递，相当于5层单板受力，故其强度较低；当接头置于受拉侧时，搭接试件搭接层承受最大拉应力(见图3a)，由于搭接层仅具有一定的胶层结合强度，在撕拉剪切力的作用下迅速发生破坏(见图2中A点)，应力值降低，A点(应变值0.026%)之后试件的应力—应变直线关系被破坏，经过短暂的弹性阶段便开始屈服并出现屈服平台和屈服齿，塑性变形逐渐增大，材料失去强度。相比较于搭接试件，对接试件次外层(完整竹束层)承受最大拉应力(见图3b)，由图2可以看出，其弯曲应力应变曲线为一典型破坏曲线，当弯曲应力σ<σe(材料塑性变形的极限应力)时，其应力—应变基本呈弹性变化，直至σ达到σe时，应力—应变关系出现屈服现象，此时次外层竹束开始断裂，当σ>σs(材料的屈服应力)后，试件发生不均匀的变形，随着变形逐渐增大，试件断裂。

表1 表层不同接长方式板材的力学性能测试结果及多重比较分析

部位接长方式静曲强度测试值/MPa变异系数/%弹性模量测试值/GPa变异系数/%水平剪切强度测试值/MPa变异系数/%受压侧对接191．83B12．4123．28BC4．4716．95A13．36搭接226．96A9．3725．86A4．9618．20A9．61受拉侧对接167．86BC9．9222．00C7．2316．76A8．10搭接144．67C12．1725．06AB6．5716．49A9．84对 照249．98A8．7526．18A1．7818．35A8．93

注：表中字母表示多重比较结果，同列中相同字母表示差异不显著，不同字母则差异显著。

在弹性模量方面，接头置于受压侧和受拉侧时，搭接样均明显优于对接样。这是因为弹性模量主要表征材料抵抗外界变形的能力，搭接试件在加荷辊作用处密度较高，故其刚性优于对接试件[15]。在水平剪切强度方面，多重比较分析表明，对照样及接长样的水平剪切强度差异不显著(P<0.05)。这是因为水平剪切强度是采用短梁法垂直加载的方式，主要对试件在外加载荷的作用下各层单板间的胶合性能进行检测，表层接头的存在引起试件在接头处应力集中，降低其弯曲性能，但对界面胶合性能基本无影响。

图2 受拉侧表层接长板材应力—应变曲线

图3 受拉侧表层接长板材弯曲破坏示意图

2.2 表层接长竹束单板层积材水煮—冰冻—干燥循环加速老化耐久性能表征

图4、图5分别为受压侧表层采用对接和搭接两种接长方法的竹束单板层积材经过水煮—冰冻—干燥4循环加速老化后静曲强度和弹性模量变化图。可以看出，对照样、表层对接样和表层搭接样的静曲强度和弹性模量均随着循环次数的增加而逐渐降低。这主要是因为：①竹材和酚醛树脂胶中含有羟基、酚羟基等亲水基团，当环境的温度、湿度不断发生变化时，竹材和胶黏剂都不断地吸湿和解析，体积不断膨胀干缩；因二者的膨胀、干缩系数不同将产生膨胀、干缩应力，引起不同程度变形，降低材料力学性能。②热量使材料内部发生各种化学反应，如分子间的水解、热解和分子链的断裂等，使分子由大变小，且温度的提高促进水分子在竹材和胶层中的传导和扩散，水分子充满界面孔隙使竹材和胶黏剂之间产生解附作用，削弱胶合界面，增大界面应力，强度降低[16-17]。曲线降低的速率呈先急速后平缓的趋势，主要分为两个阶段，第1、第2次循环静曲强度、弹性模量变化程度较大，第3、第4次循环静曲强度、弹性模量变化程度较小。这是因为在前两次循环中，板材在较为严酷的条件下产生反应释放了较多应力，产生不可逆的形变，达到一定程度之后这种应力释放的速度会逐渐放缓，因此第3、第4次循环静曲强度、弹性模量下降速率变慢。

图4 4循环加速老化后表层接长竹束单板层积材静曲强度

图5 4循环加速老化后表层接长竹束单板层积材弹性模量

每次循环后，相比于对照样，对接样和搭接样的静曲强度和弹性模量均偏低，一方面是由于接头部位应力集中导致试件力学性能下降，另一方面接头部位孔隙的存在使水分子较易进入表层，并在表层与次表层之间的胶层界面扩散。在温湿度不断变化的条件下，水分子不断渗透与蒸发，引起界面应力的产生，最终降低试件的力学性能。另外，搭接试件的弯曲性能指标均优于对接试件，这是因为搭接试件的密度较对接试件高，密度的增加使得单位体积内竹束纤维密实度增加，板材相邻层间竹束纤维的距离被拉近，纤维之间及纤维与树脂之间的孔隙减小，因而水分子相对难以进入、渗透与扩散，试件受水分的影响相对较小，因而力学强度下降率较低。经过4次循环，三者静曲强度非线性曲线拟合符合Boltzmann模型，相关系数R2>0.96，弹性模量非线性拟合曲线符合ExpDec1模型，相关系数R2>0.97。

3 结论

表层单板接长方式对竹束单板层积材的水平剪切性能无显著影响，但是对其弯曲性能有显著影响，且接头置于受压侧时，搭接竹束单板层积材的静曲强度和弹性模量均高于对接板材；接头置于受拉侧时，搭接竹束单板层积材的弹性模量高于对接板材，而静曲强度低于对接板材。

经过水煮—冰冻—干燥4循环加速老化试验，表层接长竹束单板层积材的静曲强度和弹性模量逐渐下降，下降速率先急后缓，且循环结束后板材的弯曲性能从大到小依次为：对照样、表层搭接样、表层对接样。

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Effect of Surface Veneer Joint on Properties of Bamboo Bundle Laminated Veneer Lumber/

Zhang Dan, Ren Wenhan, Chen Fuming, Deng Jianchao, Wang Ge(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-83～85，89

Bamboo bundle laminated veneer lumber; Lap joint; Butt joint; Mechanical properties; Accelerated aging test

张丹，女，1988年4月生，国际竹藤中心，硕士研究生。

王戈，国际竹藤中心，研究员。E-mail：wangge@icbr.ac.cn。

2013 年9 月17日。

S795； TS653

1) 林业公益性行业科研专项重大项目(201204701)。

责任编辑：戴芳天。