林晓雯 关惠元

（南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037）

竹子是一种绿色、环保、可再生材料。我国竹材资源十分丰富，竹林面积、蓄积量、竹材产量均居世界首位。据统计，我国已知的竹子有39 属，500 余种，竹林面积672.74 万hm2[1-2]。我国竹产业发展迅速，2015年竹产业总产值达2 000 亿元，比2011 年增长66.5%，预计2020 年竹产业总产值将达到3 000 亿元[1]。但竹材在家具行业的应用较少，圆竹家具的市场占有率低。圆竹直径大小不一、壁薄中空、易腐朽开裂等缺陷导致圆竹家具的生产工艺复杂、机械化程度低[3]。圆竹家具传统的连接方式主要有包接、榫接、缠接、嵌接等[4-5]，近年也有研究人员对圆竹家具的结构进行了创新性设计[6-10]。

为了将竹资源更好地应用于家具制造行业，并推动圆竹家具大规模机械化生产。本研究借鉴传统圆竹节点的塞接式连接与现代建筑中的圆管混凝土灌注技术[11-14]，在实木家具接合方式及节点局部增强方法的基础上[15-25]，采用硬质木材局部填充圆竹内腔的方法以提高圆竹构件的连接强度。

1 材料与方法

1.1 材料

基材：圆竹为毛竹（Phyllostachys heterocycla var. pubescens），产地为江苏宿迁，竹龄5 年以上且经过防腐处理，含水率为8.3 %～9.8 %，外部直径(50±2) mm，壁厚3～4 mm。

填充木：榉木（Fagus Sylvatica），产地为罗马尼亚，含水率11.9 %～12.2 %。

填充剂：石膏为郑州鹏翼化学商贸公司的α特级超硬白石膏粉，细度400 目，膨胀率0.4 %，混合时水灰比为28：100。脲醛树脂为湖州璟宝新型建材有限公司生产的璟宝牌粉状脲醛树脂，在25 ℃条件下黏度值为3 500～4 500 mPa·s，酸碱度为7.0～7.5，密度约为1.290 g/cm3，混合时水灰比为60：100。

1.2 设备

原力WPC数控切割机，加工精度为0.01 mm。日本岛津AG-X50KN精密电子万能力学试验机，载荷测定精度为0.001 N，位移精度为0.001 mm。

1.3 试验方法

1.3.1 试件制备

从圆竹截取长度为150 mm的竹筒并在底端开孔。采用数控切割机将榉木方材加工成直径为30 mm和35 mm的榉木芯，并进一步将榉木芯的一端加工成宽10 mm、高20 mm的榫头。最后，用榉木芯和填充剂填充竹筒，制成圆竹填充试件，待填充剂完全固化后进行抗拉强度测试。图1 为圆竹填充示意图。

图1 试件填充示意图Fig.1 The schematic diagram of specimen filling

1.3.2 抗拔力测试

用夹具将试件固定在万能力学试验机支座的中心位置。如图2 所示，利用自制夹具在日本岛津AGX50KN精密电子万能力学试验机上，对圆竹内腔填充试件进行极限抗拉试验。设定加载速度为5 mm/min，载荷测定精度为0.001 N，位移精度为0.001 mm。加载至试件破坏，记录极限抗拉值Fmax（N），精确至0.1 N。

图2 抗拔力测试方法Fig.2 The testing method of pull-out resistance

1.4 试验设计

1.4.1 榉木直径及填充剂对抗拔力的影响

采用30 mm和35 mm两种直径的榉木填充竹筒试件，榉木与竹筒试件内壁的间隙分别采用石膏、脲醛树脂两种填充剂填充。制备的试件在常温下存放7 d后进行抗拔强度测试。每组试验重复6 次，共计24 个试件。

1.4.2 榉木与竹筒内壁间隙大小对抗拔力的影响

采用直径35 mm的榉木填充竹筒试件，榉木与竹筒试件内壁的间隙采用脲醛树脂填充。制备的试件在常温下存放7 d后进行抗拔强度测试，共计18 个试件。由于竹筒内腔的形状类似椭圆形，且不同试件内腔大小也存在差异，因此，榉木与竹筒内壁间隙大小按式（1）计算。

式中：C为榉木与圆竹内腔间隙；D1为圆竹内腔长径；D2为圆竹内腔短径；D为榉木直径。单位均为mm。

1.4.3 填充剂配比对抗拔力的影响

采用35 mm直径榉木填充竹筒试件，榉木与竹筒试件内壁的间隙分别采用添加0 %、5 %、10 %木屑的脲醛树脂填充。制备的试件在常温下存放7 d后进行抗拔强度测试。每组试验重复6 次，共计18 个试件。

2 结果与分析

2.1 榉木直径及填充剂对抗拔力的影响

榉木直径及填充剂对抗拔力的影响如图3 所示。从图中可以看出，采用脲醛树脂和石膏作为填充剂，在直径30 mm的榉木填充时，平均抗拔力分别为2 384.5 N和468.5 N；直径35 mm的榉木填充时，平均抗拔力分别为3 797.1 N和530.2 N。由上述结果可知，使用脲醛树脂填充剂试件的抗拔力明显高于石膏填充剂，榉木直径35 mm优于直径30 mm。

图3 榉木直径及填充剂对抗拔力影响Fig.3 The effect of beech core diameters and fillers on the pull-out resistance

2.2 榉木与竹筒内壁间隙大小对抗拔力的影响

榉木与竹筒内壁间隙大小对抗拔力的影响如图4所示。从图中可以看出，间隙在1.5～3.5 mm范围内抗拔力较高。因为脲醛树脂填充剂层本身的强度不高，因此，间隙过大，易导致填充剂层较厚进而造成抗拔力下降。理论分析，间隙小，脲醛树脂填充剂层薄，抗拔力会较高，但是，制备试件时，由于受圆竹筒内腔的不规则性和填充操作等因素的影响，间隙量过小，会对抗拔力有不利影响。

图4 榉木与竹筒内壁间隙大小对抗拔力的影响Fig.4 The effect of gaps between beech core and roundbamboo on the pull-out resistance

2.3 填充剂配比对抗拔力的影响

填充剂配比对抗拔力的影响如图5 所示。从图中可以看出，使用添加0 %、5 %、10 %木屑的脲醛树脂作为填充剂，试件平均抗拔力分别为4 028.8、4 802.1 N和3 652.2 N。采用添加5 %木屑脲醛树脂填充剂时，抗拔力最大。

图5 填充剂配比对抗拔力的影响Fig.5 The effect of sawdust ratio on the pull-out resistance

3 结论

为了更好地将圆竹应用于家具制造行业，发掘圆竹家具的市场潜力，本研究用榉木局部填充圆竹内腔的方法尝试解决圆竹连接难题。研究了榉木直径、榉木与圆竹内壁间隙大小、填充剂种类以及填充剂配比对试件抗拔力的影响。通过试验得出：添加5 %木屑的脲醛树脂作为填充剂，榉木与竹筒内壁的间隙控制在1.5～3.5 mm范围时，连接件抗拔力最大。