竹-橡胶木复合正交胶合木的制备和性能.pdf

林业工程学报，（）：收稿日期：修回日期：基金项目：云南省新型生物质预制建材研发创新团队项目（）。作者简介：董浩，男，研究方向为木质复合材料。通信作者：黄素涌，女，副教授。：竹橡胶木复合正交胶合木的制备和性能董浩，黄素涌，肖岩，王建和，缪本浩（西南林业大学材料与化学工程学院，昆明；浙江大学（宁海）生物质材料与碳中和建设联合研究中心，宁海；宁波中加低碳新技术研究院有限公司，宁海）摘 要：以锯材为基本单元的正交胶合木是具有广泛应用前景的重型木结构建筑材料。为减少对国外树种的进口和依赖，首次采用竹篾层积材与橡胶木 种本土层板原料，以相同制备工艺（胶黏剂为单组分聚氨酯，施胶量为 ，冷压时间 ，压力为 ），在大幅面压机上压制尺寸为 的三层竹木复合正交胶合木（，）以及另外 种不同复合形式的（纯木、木竹复合、纯竹），通过对竹木复合 强轴方向的抗弯弹性模量、抗弯强度、胶层剪切强度、层间剪切强度和浸渍剥离率等性能的评估和不同复合形式 弯曲性能差异的分析，研究国内树种与竹材制备足尺竹木复合 的可行性。结果表明：采用单组分聚氨酯制备的竹木复合，其干态和真空加压状态下的强度、木破率以及浸渍剥离率均符合 “”中使用环境 的要求；抗弯性能和剪切性能测试值均能达到以上标准和 正交胶合木标准中 等级性能的要求。上述试验研究和分析为竹木复合 在建筑工程中的应用提供了设计参考及理论依据。关键词：正交胶合木；竹篾层积材；橡胶木；竹木复合；抗弯弹性模量；抗弯强度；胶层剪切；浸渍剥离中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），（，；（），；，）：（），（，）（，），林 业 工 程 学 报第 卷 ，：；正交胶合木（，）是一种由欧洲较早开发的三层及以上锯材以正交组坯的方式制成的重型木结构产品，主要优势体现在绿色低碳、轻质高强、保温隔热性能好、可预制、组装快速方便及耐久性优异等方面。但我国的木材资源相对短缺，随着天然林保护工程的实施，国内木材的供应量进一步下降，供需矛盾突出，因此国内生产 所用的规格材大部分从国外进口，高额的运输成本和贸易壁垒成为 在中国推广受限的重要因素。我国竹材资源十分丰富，由此发展而来的竹产品更是多种多样，主要包括重组竹、竹胶板和集成竹等，且强度高、韧性好，物理力学性能优异。竹产品的出现满足了现代竹结构建筑对建筑材料力学性能及尺寸等方面的要求，解决了原竹不能用于现代竹结构建筑的问题。因此，为了降低运输成本和碳排放，减少对国外木材的依赖，充分利用国内树种及竹材资源制备 是科学、合理地开发利用竹材资源及推动 国产化进程的有效途径。国内针对竹木复合材料的研究在广度和深度上都超出国外水平，但目前仍然集中于产品开发和生产工艺研究。张齐生等的研究集中于集装箱底板，使竹木复合材料成为一个研究热点。王志强等研究了不同树种复合制备 的力学性能。等、等和张齐生等在国际上较早提出了利用竹木复合来生产轻质高强建筑预制板 竹木复合 的想法，并获得了中国发明专利。等和 等研究了不同结构的竹材层板与木材复合制备 的可行性，结果表明：竹篾重组材、三层正交展平竹、竹帘竹席复合材与进口铁杉复合制备 在工业上是可行的。但以上研究均未考虑采用国产工业或经济树种与竹材复合制备。笔者采用国产竹材制备的竹篾层积材与云南产橡胶木复合制备新型竹木复合，以探索其生产的可行性。竹篾层积材是采用径向竹篾通过编织得到竹帘后，再通过浸胶、干燥、热压等工序制成的层积板材，目前国内主要运用于集装箱底板和车厢底板；而橡胶树是我国云南和海南等地的重要工业或经济树种，每年有 万 万 的种植量，居世界第 位。云南地区目前有超过 万 的橡胶树林区，橡胶树在种植、采胶 后需更新，待更新的橡胶木是一种具有很高利用价值的木材，因其颜色浅白、纹理通直、材质均匀、加工性能好等优点主要运用于家具及家具部件制造、室内装饰材。但竹材和橡胶木鲜见在建筑领域制备复合材，而采用新树种和竹材复合材料作为 层板制造的原材料，加工工艺和参数应严格控制，否则新型竹木复合 产品性能参数不能满足建筑和结构工程的应用要求。因此，笔者测试并分析了新型竹木复合 材料强轴方向的抗弯弹性模量、抗弯强度、剪切强度、胶层剪切强度和胶合耐久性，判断其性能是否满足相关标准要求，从而为建筑工程的实际应用打下基础。图 竹篾层积材示意图 材料与方法 试验材料竹材层板采用的竹篾层积材产自湖南桃花江，共 层，外层为竹篾经过编织后得到的竹帘材料，内层按照 的比例正交组坯（图），保证了一定的主次强度。竹篾层积材尺寸为 ，气干密度为 ，含水率为，平面弯曲弹性模量均值为 ，侧面弯曲弹性模量均值为 ，抗弯强度均值为，变异系数均小于。因此，本研究中竹篾层积材按照 工程竹材全部统一为 等级，为后续足尺竹木复合 计算提供力学数据基础。第 期董浩，等：竹橡胶木复合正交胶合木的制备和性能木材原料采用橡胶树（）锯材，产地为云南省西双版纳州，尺寸规格为 ，平均含水率为，气干密度均 值 为 ，顺 纹 弹 性 模 量 均 值 为，抗弯强度均值为 ，变异系数为。将 根规格材橡胶木按照 结构用木材强度等级，通过应力分等，以抗弯弹性模量平均值和抗弯强度特征值为参数分为、个等级。制备工艺本试验选取的胶黏剂为单组分聚氨酯树脂（浅黄色液体，黏度 ，固含量），陈放时间 ，采用冷压时间 、冷压压力 工艺制备竹木复合。不同复合方式制备的 如表 所示，为了对比不同复合方式对 力学性能的影响，选用、个等级橡胶木与竹篾层积材，采用相同的制备工艺制造出 种不同复合方式的：竹木复合（以下简称）、纯木（以下简称）、木竹复合（竹材在芯层，以下简称）、纯竹（以下简称）。本试验在宁波中加低碳新技术研究院有限公司完成。新型竹木复合 主要制备工艺流程如图 所示。表 种不同复合形式 尺寸参数 类型平行层层板选择平行层厚度垂直层层板选择垂直层厚度尺寸结构示意图竹篾层积材橡胶木 橡胶木橡胶木 橡胶木竹篾层积材 竹篾层积材竹篾层积材 图 新型竹木复合 生产工艺流程 图 新型竹木复合 结构示意图 通过上述生产工艺流程制备的竹木复合 结构示意图如图 所示。其中分等是为了确保锯材的力学性能达到制备竹木复合 楼板或墙板的要求，层板刨光和砂光可统一规格材尺寸并消除表面氧化层，提高胶合性能。通过刨光将层板厚度控制在（），通过砂光可将竹篾层积材表面不利于胶黏剂渗透的竹青砂掉，而喷雾（喷雾量为 ）可较好改善竹木复合胶合界面的含水率状况，促进 均匀并充分发泡，从而提高胶合性能。抗弯性能测试及等效刚度计算试件锯割示意图见图。将制备好的竹木复合 锯割为所需尺寸，如图 区域所示，每块板材取 个试件。锯割完成后，利用万能力学性能试验机（济南天辰公司）进行测试。测试时跨距取 倍试件厚林 业 工 程 学 报第 卷注：和 分别为剪切试验与浸渍试验取样区域长度和宽度，；为试件中心与取样区域边缘的距离，；其中 和 均为 ，为 。图 试件锯割示意图 度（），加载点之间的距离为 ，观察并分析竹木复合 试件在试验过程中的破坏模式，记录竹木复合 试件破坏并失效时的最大破坏载荷，计算出弯曲强度和模量，并与表 所示中不同复合形式的 进行弯曲性能的对比。考虑到竹篾层积材制造工艺的影响，竹材层板厚度与木材不同，因此，需要考虑层板厚度对竹木复合 弹性模量的影响。依据 正交胶合木中的剪切类比法，以 为对照组，再对不同复合形式的 进行等效刚度的计算，分析竹篾层积材厚度与 力学性能的关系。竹木复合 层间剪切强度测试根据 标准规定，测试时跨距取 倍试件厚度（）。试验过程中时刻观察试件破坏形式与位置，直到试件破坏为止。测试结束时，记录试件破坏一瞬间的最大载荷，计算竹木复合 层间剪切强度。竹木复合 胶层剪切强度及木破率测试如图 区域所示，根据 标准规定制备试件，每块板材取 个试件，进一步加工成楼梯状试件（尺寸为 ）。运用块状剪切法（）测试了竹木复合 试件在干湿两态条件下的胶层剪切强度和木破率。测试前，用游标卡尺测量剪切面的尺寸并记录，并对不同试件的每个胶合界面进行编号。浸渍剥离测试如图 区域所示，依据 “”及 标准锯割试件，每块板材取 个试件，用自制的真空加压罐通过浸渍的方法处理后进行测试。测试设备包括真空压力罐（）、真空泵、空气压缩设备以及气管若干（图）。具体试验方法：将试件放入可施加真空和压力的密闭容器中，并加入足量的（）水，使试件完全浸没；施加（）的真空并维持；释放真空，施加 的压力并维持；取出试件，将试件放置于 的烘箱中干燥 ，试件质量达到初始质量的 即可认为试验结束。图 浸渍剥离测试 结果与分析 抗弯性能竹木复合 抗弯性能测试载荷位移曲线及破坏模式见图。通过分析可得，竹木复合 梁在抗弯受力过程中，其面外四点弯曲破坏过程大致可以分为 个阶段（图）。第 阶段为弹性阶段，跨中位移随载荷的增加而增加，载荷位移曲线的斜率基本不变。第 阶段为弹塑性阶段，当载荷增加到弹性阶段最大值后，跨中位移随载荷增加而加速度增大，载荷位移曲线的斜率略微减小，发生竹篾层积材的胶层破坏，分析原因为竹篾层积材表面孔隙率较大，层板有效胶合面积较小，载荷不断地施加容易导致应力集中于胶合较弱或未胶合处。第 阶段为破坏阶段，竹木复合 梁即将到达极限载荷前，发出一系列密集的响声，并在一声较大声响后试件发生层间剪切破坏，载荷迅速下降。竹木复合 梁的芯层橡胶木层板横纹强度较低，导致竹木复合 梁整体抗弯承载力下降。第 期董浩，等：竹橡胶木复合正交胶合木的制备和性能图 竹木复合 抗弯性能测试载荷位移曲线及破坏模式 竹木复合 与不同复合形式的 抗弯性能对比结果见表。通过表 分析可得，竹木复合 的弯曲强度和弹性模量均优于 及，与王韵璐等研究的三层加拿大铁杉 抗弯模量结果相似，与 等研究的 与加拿大杉木复合制备竹木复合 抗弯弹性模量相比高约。证明将竹篾层积材放在三层 的平行层可以充分发挥其竹篾层积材抗弯性能优异的优势，改善整体构件的性能，其抗弯强度高出 约，高出 约，而抗弯弹性模量与 相似，但高出 约。纯竹 在弯曲强度上优于竹木复合，但弹性模量低于竹木复合，因此还有待进一步研究。将橡胶木作为平行层制备的 其弯曲强度变异性较大，分析原因为橡胶木指接材工艺目前还不完善，需要进一步改善。表 抗弯性能对比 类型密度（）含水率 弯曲强度弹性模量平均值 标准差 变异系数 平均值 标准差 变异系数 节中 种不同复合形式的 等效刚度计算结果见表。分析可知，和 均需要竹材达到 厚时才能达到 的等效力学性能，考虑成本等因素，这两种复合形式不可取。竹木复合 竹篾层积材厚度为 时，其等效刚度和承载力均超过，因此可在的基础上将平行层方向 厚的木材层板更换为 厚的竹材层板，从而减少板厚并有效利用竹材。表 不同厚度层板制备 的等效刚度计算 类型竹篾层积材厚度等效弯曲承载力（）等效弯曲刚度（）等效剪切刚度（）层间剪切性能竹木复合 短梁三点弯曲层间剪切试验的典型载荷位移曲线及破坏模式见图。依据 标准中层间剪切强度计算公式，计算竹木复合 三点弯曲测试的层间剪切强度，分析了竹木复合 层间剪切性能测试的载荷位移曲线及破坏模式。通过计算得到竹木复合 的层间剪切强度平均值为 ，与 等研究的 与加拿大杉木复合制备竹木复合 层间剪切强度相林 业 工 程 学 报第 卷图 竹木复合 层间剪切性能测试载荷位移曲线及破坏模式 似。由图 可以发现，与面外四点弯曲试验一样，三点弯曲试验的破坏也可分为 个阶段。第 阶段为弹性阶段，试件的载荷位移曲线斜率基本不变，载荷随着位移的增加而增大。第 阶段为弹塑性阶段，试件在所承受的载荷到达比例极限后进入弹塑性阶段，随着位移的增加，荷载挠度曲线的斜率不断减小，同样先发生胶层破坏。分析原因为竹篾层积材孔隙率较大，在层板内部的有效胶合面积较小，不断施加载荷容易导致应力集中于未胶合图 竹木复合 干态及真空加压状态下胶层剪切强度及木破率 处，导致胶层的破坏；竹木复合 梁在弹塑性阶段中后期平行层会因为孔隙率较大，受压产生连续声响。第 阶段为破坏阶段，竹木复合 梁到达极限荷载时，芯层木材产生的滚动剪切破坏裂纹向胶层处迅速发展，导致竹木复合胶合界面破坏，从而发生层间剪切破坏，且试验过程中层间剪切破坏主要发生在试件支撑点附近的位置，且一般位于竹木复合交界面上，且偏向木材较多。根据剪应力互等定理，破坏面偏向于界面的纵向层或横向层是与各自层板的剪切模量和剪切强度有关的，经前期试验测得木材剪切模量为 ，竹材剪切模量为 高于木材，因此破坏主要发生在木材。从材料力学角度分析，在三点加载的弯曲试验测试下，由于测试跨距较短，试件受剪力影响较大，对试件施加一个处于跨距中点且方向向下的载荷，个支座都会对竹木复合 试件产生与载荷方向相反的约束力。因此，试件在尤为靠近 个支座内侧的部位假想切开，从而使其发生剪切变形。胶层剪切强度及木破率干态及真空加压状态下剪切强度及木破率结果见图。依据 记录试件的破坏载荷，根据计算公式算得竹木复合 干态和真空加压状态下的胶层剪切强度，再根据每个试件 第 期董浩，等：竹橡胶木复合正交胶合木的制备和性能 个胶合界面的胶合强度及木破率变异系数分析其所有竹木复合 试件的胶合耐久及耐候性。通过计算分析可得：在干态下，竹木复合 的胶层剪切强度均值为 ，木破率均值为；在真空加压状态下，竹木复合 的胶层剪切均值为 ，木破率均值为，与 等测试的规格材加拿大杉木 胶层剪切强度类似。种状态下的胶层剪切强度以及木破率变异系数都较高，原因可能为橡胶木的复杂性及各向异性，同时橡胶木密度较大，胶合性能差。相比干态条件，真空加压条件处理后竹木复合 的胶层剪切强度下降了，而木破率降低了，产生上述现象的原因为：木材顺纹湿胀远小于横纹湿胀，将橡胶木作为竹木复合 芯层时，横纹湿胀应力较大，湿胀率为；竹篾层积材主要以轴向竹材组坯，其湿胀应力较小，湿胀率为。部分湿应力抵消后仍有较大应力，因此湿强度下降较多。这证明胶合界面附近竹木材料力学性能受真空加压处理的影响比胶层本身更为显著，且单组分 胶黏剂的耐候耐久性能达到 标准中使用环境 的相关要求。浸渍剥离浸渍剥离率结果见图，根据 标准中规定的计算方法，计算干燥达到指定质量的试件胶层剥离率，同时计算了变异系数。竹木复合 浸渍剥离率均值为，满足标准规定值，其变化区间为 ，与王建和等采用加拿大西部铁杉制备的 浸渍剥离率相似，因此竹木复合 的耐久耐候性能达到实际项目的应用要求。尽管浸渍剥离率在不同试件间变异较大，但导致胶层剥离的机理对于所有试件而言极有可能是一样的。对于大多数试验而言，浸渍剥离发生在单侧胶层。由于真空加压循环导致图 竹木复合 浸渍剥离率 木材弦向和径向膨胀远大于长度方向的膨胀，且木材的湿胀大于竹材，这会导致胶合界面形成层间剪切正应力。但仍有个别试件浸渍剥离率高于标准值，且变异系数较大，考虑因素：竹篾层积材孔隙较多，有效胶合面积小，且橡胶木本身胶合性能较差，其干缩应力大于胶合强度导致试件剥离；较低胶合压力下，胶黏剂渗透木材较浅，胶层较厚，会导致更多的胶接面直接暴露于水中导致浸渍剥离率增加。此外，可以和水发生化学反应，所以使用 作为 胶黏剂时，适当增加压力可提高胶合的耐久性。因此，后续将对竹篾层积材孔隙率及胶合工艺参数做进一步研究。结 论通过对新型竹木复合 强轴方向的弯曲模量、弯曲强度、剪切强度、胶合质量及胶层的耐候耐久性系统地测评和剖析，结果表明，利用竹篾层积材与橡胶木层板单元制备竹木复合 是可行的。主要结论如下：）竹篾层积材、橡胶木规格材所制备的竹木复合 主要性能测试值均能达到 和 等标准的相关要求。）用单组份 胶黏剂制备的竹木复合 符合建筑和结构工程使用时对竹木复合 胶合耐久性的要求。其干态下胶层剪切强度均值为，真空加压状态下均值为 ，较干态下降了，说明环境湿度变化对竹木复合 胶合质量影响很大。）竹木复合 梁的平均弹性模量是 ，平均抗弯强度是 ，均高于其他以橡胶木和竹篾层积材为层板原料制备的，且破坏模式没有平行层拉伸断裂破坏。证明将竹材放在 表面能充分发挥竹材弯曲强度较高的优势，使得三层竹木复合 的弯曲性能得到充分保障。）三层竹木复合（）在竹材层板厚度为 时就能达到纯木 层板厚度为 时的承载刚度要求，因此竹木复合 不仅可充分利用竹材优势，减少 的板厚，还可推进 生产原料的国产化。致谢：对宁波中加低碳新技术研究院有限公司为本项目提供试验场所，以及浙江大学（宁海）生物质材料和碳中和建设联合研究中心为本项目提供竹篾层积材表示感谢，同时感谢宁波中加低碳新技术研究院有限公司员工对本项目研究的支持和建议。林 业 工 程 学 报第 卷参考文献（）：曹瑜，王韵璐，王正，等 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