竹材也能做结构材料？组坯结构如何影响竹束层压板的性能？

文章基本信息

• 标题：组坯结构对竹束单板层压板物理力学性能的影响

• 作者：张文福、王戈等（国际竹藤网络中心、黑龙江省林产工业研究所）

• 期刊：《中南林业科技大学学报》2012年02期

• 关键词：竹束单板、层压板、力学性能、耐水性能、连接性能

研究背景与意义

竹子作为可再生资源，具有生长快、强度高的特点。竹束单板层压板是一种新型工程材料，通过将竹材加工成松散纤维束，再热压成型，可替代传统木材或金属用于建筑、家具等领域。然而，传统顺纹层压板虽然纵向强度高，但横向连接性能差（如螺栓连接易劈裂），限制了其应用。本文通过改变组坯结构（纤维排列方向），探索如何平衡竹材层压板的强度与连接可靠性。

实验方法与关键材料

1. 材料与工艺

• 原料：梁山慈竹（3-5年生）、水溶性酚醛树脂胶。

• 加工流程：竹筒剖分→碾压成竹束单板→浸胶→干燥→组坯热压（热压机(CARVER3895)迈可诺）。

• 组坯结构：

• 顺纹组坯（0°）：所有层纤维方向一致。

• 纵横组坯（0°/90°）：相邻层纤维垂直交叉。

• 交错组坯（0°/60°/120°）：纤维方向间隔60°排列。

• 性能测试

• 力学性能：静曲强度、弹性模量、顺纹抗压强度、水平剪切强度。

• 耐水性：63℃浸泡24小时、28小时循环水煮后的吸水膨胀率。

• 连接性能：模拟螺栓连接测试，记录破坏载荷和破坏形式。

核心研究结果

1. 力学性能：多向铺装会降低强度

• 顺纹组坯（板材A）：静曲强度 201 MPa，弹性模量 21 GPa，表现最佳。

• 纵横组坯（板材B）：静曲强度下降23%（155 MPa），弹性模量下降25%。

• 交错组坯（板材C）：静曲强度仅为顺纹的68%（136 MPa）。

• 原因：多向铺装导致纤维交叉弯曲甚至断裂，削弱纵向承载能力。

2. 耐水性能：顺纹结构更优

• 顺纹组坯：吸水厚度膨胀率低至（6.82%）。

• 多向组坯：膨胀率显著增加（交错组坯达20.74%）。

• 原因：多向铺装导致内部空隙增多，水分子更易渗入。

3. 连接性能：多向铺装优势明显

• 顺纹组坯：螺栓连接易劈裂，破坏强度 120 MPa。

• 纵横组坯：破坏强度提升33%（160 MPa），但侧材胶层易破坏。

• 交错组坯：破坏强度最高（182 MPa），螺栓拉断前结构保持完整。

• 结论：多向铺装分散了应力，减少局部劈裂风险，提升连接可靠性。

结论与实用价值

1. 力学与连接的平衡：

• 若追求高强度（如承重结构），优先选择顺纹组坯。

• 若需高连接可靠性（如螺栓连接节点），推荐交错组坯。

• 竹材的环保优势：

• 竹材生长周期短（3-5年），碳排放量仅为木材的1/3，是理想的可持续建材。

• 工业应用建议：

• 建筑领域：交错组坯用于连接部位，顺纹组坯用于梁柱主体。

• 家具设计：纵横组坯兼顾美观与强度，适合桌面、柜体。

未来研究方向

• 优化组坯结构：例如混合铺层（外层顺纹、内层多向），兼顾表面强度与内部连接性。

• 树脂改性：开发耐水性更强的胶黏剂，弥补多向铺装的吸水缺陷。

• 仿生设计：借鉴竹材天然纤维排列，设计更高效的结构。

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参考文献：文中引用《竹材人造板工艺学》《木结构试验方法标准》等7篇文献，涵盖材料加工、性能测试标准等。

全文链接：点击访问

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