孫玉慧，江澤慧，劉煥榮，孫正軍，楊曉夢(mèng)，張秀標(biāo)

竹定向刨花板(竹OSB)具有強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、材質(zhì)均勻等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，適于開發(fā)成建筑結(jié)構(gòu)中的梁、柱、墻板、地板和樓面板等［4-5］。目前，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的竹定向刨花板企業(yè)僅有云南永利發(fā)林業(yè)有限公司一家，其采用多層熱壓機(jī)生產(chǎn)的竹OSB，幅面規(guī)格為2 440 mm(長(zhǎng))×1 220 mm(寬)×h mm(厚)，主要作為室內(nèi)裝修材料和集裝箱底板使用。竹OSB在國(guó)內(nèi)大跨度、大空間結(jié)構(gòu)材領(lǐng)域中應(yīng)用較少［6-7］，主要是由于國(guó)內(nèi)竹OSB板的尺寸限制，不能滿足大跨度、大空間結(jié)構(gòu)材需要。因此對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的竹OSB在長(zhǎng)度方向上接長(zhǎng)，是竹OSB綜合利用較為有效的技術(shù)之一，為竹OSB在建筑上的有效利用開辟了一條新途徑。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)竹OSB的接長(zhǎng)尚未見報(bào)道，本研究對(duì)竹OSB的接長(zhǎng)主要參考近年竹集成材接長(zhǎng)研究和木材接長(zhǎng)的研究［8-17］。張葉田［12］等對(duì)竹集成材和竹指接材的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試件采用指榫長(zhǎng)30 mm、指頂寬2 mm、斜度1/9指接拼接，拼壓采用間苯二酚樹脂膠，施膠量約200 g·m－2，端壓 1.5 MPa，在室溫下拼壓 3～4 h，養(yǎng)護(hù)48 h。結(jié)果表明，竹指接集成材受指接的影響，其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度略低于竹集成材，但能滿足一般承重類的結(jié)構(gòu)材料使用［13］。S.RAO［14］等研究了幾種指榫類型對(duì)北美白松指接材抗拉強(qiáng)度的影響，表明指長(zhǎng) 12.7 mm、指距 3.02 mm、指頂寬0.45 mm、坡度1∶12的指榫類型具有更好的抗拉強(qiáng)度;隨著坡度降低，抗拉強(qiáng)度增加;指頂寬越大，抗拉強(qiáng)度越低。S.RAO［15］等還分析了端壓對(duì)黑云杉指接材力學(xué)性能和耐剝離性能的影響，結(jié)果顯示，8 MPa的端壓會(huì)引起指頂?shù)臄嗔眩瑥墓?jié)約能源角度上，2 MPa端壓較適宜。周志芳［16］等研究得到截面尺寸、加載方式和指接類型在特定條件下對(duì)落葉松大尺寸結(jié)構(gòu)指接材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量有顯著影響。落葉松結(jié)構(gòu)指接材完全可用作木質(zhì)工程材料，寬面承載、V形指接以及適宜的截面尺寸有利于保證結(jié)構(gòu)指接材的抗彎性能。本研究選取指榫類型、施膠量和端壓等作為主要參數(shù)，研究其對(duì)竹OSB指接材抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響，并分析了竹OSB指接材的破壞形式。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 竹定刨花板:幅面規(guī)格為2 440 mm(長(zhǎng))×1 220 mm(寬)×28 mm(厚)。竹刨花選用龍竹刨花，刨花表層和芯層垂直鋪裝竹材定向刨花板，由云南永利發(fā)林業(yè)有限公司制備。

膠黏劑:間苯二酚，上海致新材料科技有限公司生產(chǎn)，使用時(shí)主劑 ∶交聯(lián)劑=3∶1。

1.1.2 儀器與設(shè)備 多鋸片圓鋸機(jī)，指榫開榫機(jī)，指榫加工用銑刀片，單層壓機(jī)，寬帶砂光機(jī)，INSTRON 5582萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)L16(4-3)正交試驗(yàn)，研究不同指榫類型、施膠量、端壓等3種工藝參數(shù)對(duì)竹OSB的指接材的抗拉性能和抗彎性能的影響，正交試驗(yàn)表見表1，每一組試驗(yàn)重復(fù)3次。利用正交試驗(yàn)得出的最佳工藝結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證試驗(yàn)，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下制備竹OSB指接板，重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Test factors and levels in orthogonal experiment

1.3 試樣制備

竹定向刨花板通過圓鋸機(jī)和刨床加工成尺寸為400 mm(長(zhǎng))×85 mm(寬) ×28 mm(厚)的竹OSB 試件，指接時(shí)保證同一試樣的竹OSB進(jìn)行指接。開榫機(jī)上將竹OSB的一端加工成4種不同類型的水平型指榫，全肩型(側(cè)厚見指)，齒形加工形式見圖1，4種指榫類型分別對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。指接采用手工單面涂刷膠粘劑，在指榫表面形成均勻膠層?？v向壓力設(shè)定為8 MPa，調(diào)節(jié)不同的端壓，加壓4 h，指接的端壓見表1，指接后的竹OSB在室溫下養(yǎng)護(hù)72 h備用。

1.4 試樣檢測(cè)

選取未指接的竹OSB作為參照組，抗彎試樣和抗拉試樣各 6 個(gè)。參照 GB/T 1938－2009［18］，抗拉強(qiáng)度試件尺寸:370 mm(長(zhǎng))×20 mm(寬)×28 mm(厚);參照 GB/T17657－2013［19］，靜曲強(qiáng)度(MOR)和彈性能模量(MOE)試件尺寸:620 mm(長(zhǎng))×50 mm(寬)×28 mm(厚)。在圓鋸和平壓刨上將試件加工成測(cè)試尺寸，截?cái)鄷r(shí)保證指接接頭在試件中間位置。

圖1 指榫加工Fig.1 Processing diagram of fingers

2 結(jié)果與分析

2.1 竹OSB指接材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果和分析

竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，通過工藝參數(shù)對(duì)竹OSB指接材MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度影響的極差分析，得出3個(gè)指標(biāo)下的因素主次順序都是指榫類型＞施膠量＞端壓。MOR指標(biāo)下得到的最優(yōu)工藝參數(shù)是指榫類型Ⅲ、施膠量 260 g·m－2、端壓 3 MPa，MOE 指標(biāo)下得到的最優(yōu)工藝參數(shù)是指榫類型Ⅰ、施膠量260 g·m－2、端壓3 MPa，抗拉強(qiáng)度指標(biāo)下得到的最優(yōu)工藝參數(shù)是指榫類型Ⅲ、施膠量 290 g·m－2、端壓 6 MPa。3指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致，根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮，確定最優(yōu)工藝參數(shù)是指榫類型Ⅲ、施膠量 290 g·m－2、端壓 3 MPa。

2.2 最佳工藝條件下竹 OSB指接材的 MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度與未指接板的性能比較分析

表3中，以竹OSB作為參照組，測(cè)得未指接的竹OSB的 MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度分別是 78.95 MPa、10.63 GPa 和 28.71 MPa，當(dāng)選用最佳工藝條件指榫類型Ⅲ、施膠量290 g·m－2、端壓3 MPa時(shí)，竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度等3項(xiàng)綜合力學(xué)性能較高，分別達(dá)到竹 OSB未指接材的74.05%、75.73%和 64.12%。與未指接的竹 OSB 相比，對(duì)現(xiàn)有竹OSB接長(zhǎng)獲得的竹OSB指接材具有較好的抗彎性能和抗拉性能。與一般建筑用結(jié)構(gòu)材料相比，竹OSB指接材的抗拉強(qiáng)是18.41 MPa，明顯低于毛竹、落葉松和杉木［12］，MOR和MOE分別是58.46 MPa和8.05 GPa，雖低于毛竹和落葉松，但接近杉木，能經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算滿足GB 50005《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定的一般承重梁類的抗彎結(jié)構(gòu)材料使用［20］。

2.3 指榫類型對(duì)指接材MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度的影響

通過各因素對(duì)竹OSB指接材的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析表明，指榫類型對(duì)其MOR和抗拉強(qiáng)度影響顯著，對(duì)MOE的影響不顯著(圖2)，指榫類型Ⅲ對(duì)應(yīng)的MOR和抗拉強(qiáng)度較高，具有更好的抗彎性能和抗壓性能。

指榫類型Ⅱ的靜曲強(qiáng)度較低(圖2)，原因可能是指榫類型Ⅱ的齒頂寬1.5 mm，相對(duì)較鈍，鈍的頂端呈對(duì)接，不能傳遞應(yīng)力，指榫頂端斷面陡然變化引起應(yīng)力集中導(dǎo)致木材破壞時(shí)的載荷較預(yù)料的低［21］，指榫類型Ⅱ的相對(duì)膠接面積小，影響竹OSB指接材的靜曲強(qiáng)度(表1)。

指榫類型Ⅳ對(duì)應(yīng)的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度較低(圖2)，原因可能有2個(gè)，首先指榫類型Ⅳ指長(zhǎng)25 mm，銑刀在加工過程中易過熱，竹OSB中的雜質(zhì)和膠粘劑導(dǎo)致刀片變鈍或永久損壞，竹OSB指榫表面變糊，影響膠合。其次，幾種指榫類型加工出齒形Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型的邊肩寬度分別是 1.03、1.50、1.35、2.60 mm(圖 1)，在彎曲破壞試驗(yàn)中，破壞首先發(fā)生在下表面指接部位，Ⅳ型的邊肩破壞面積較大，致使MOR和MOE相對(duì)較低。

指榫類型Ⅰ對(duì)應(yīng)的MOR僅次于指榫類型Ⅲ對(duì)應(yīng)的MOR，在只對(duì)竹OSB指接材的抗彎強(qiáng)度有要求的情況下，選用齒長(zhǎng)較短的指榫類型Ⅰ，可節(jié)省竹OSB，減少刀具磨損［22-23］。

表2 竹OSB指接材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及極差分析Table 2 The results of mechanical properties of BOSB and range analysis

表3 竹OSB指接材與竹OSB未指接材和幾種建筑材料的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度對(duì)比Table 3 Comparison of MOR，MOE and tensile strength of finger-jointed bamboo OSB and unjointed BOSB and common structural lumber

2.4 施膠量對(duì)指接材MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度的影響

圖2中，施膠量在 230～320 g·m－2范圍內(nèi)，施膠量對(duì)指接竹OSB的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度影響不顯著。

為使對(duì)接的指榫牢固地結(jié)合在一起傳遞應(yīng)力，必須將適量的膠粘劑均勻地施加于指榫的表面。適宜的施膠量是保證指接強(qiáng)度的因素之一，一般施膠量過多，產(chǎn)生的膠層厚度增大，過厚的膠層反而降低了膠接強(qiáng)度，同時(shí)多余的膠液被擠出，增加膠液的消耗量;然而施膠量過少，施膠后的膠液潤(rùn)濕木材，滲透到木材中，易造成膠合面缺膠，不能形成連續(xù)的膠層，最終也降低膠接強(qiáng)度［24］。研究證明，施膠量290 g·m－2時(shí)，竹OSB指接材的MOR和抗拉強(qiáng)度較高(圖2)。

圖2 指榫類型、施膠量和端壓與靜曲強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Finger-jointing types，resin consumption and end pressure on its MOR，MOE and tensile strength

2.5 端壓對(duì)指接材MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度的影響

端壓是指沿指接件的長(zhǎng)度方向在指接件的端部施加的壓力，確保指接面充分接觸膠合，形成連續(xù)的膠層。端壓的增大，指接材的MOR和MOE有減小的趨勢(shì)，這是由于端壓6 MPa的情況下，指接壓力較大竹OSB指接邊緣處出現(xiàn)小的劈裂現(xiàn)象，可能影響指接強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要確保有一定的壓力，較小的壓力也會(huì)使得指榫沒有很好接觸，同樣影響竹OSB指接材的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。綜合考慮竹OSB指接材應(yīng)選用3 MPa的端壓。

2.6 破壞形式分析

竹OSB指接材的彎曲破壞形式主要有膠層破壞和指榫折斷［25-26］。圖3-a1為試件沿著指榫形狀膠層破壞，指榫少部分折斷;圖3-a2為指榫大部分折斷，少量膠層破壞。在抗彎試驗(yàn)中，竹OSB指接材下表面受到拉應(yīng)力，指榫邊緣部分首先出現(xiàn)沿指榫方向的膠層破壞，隨著彎曲變形的增加，竹OSB指接材出現(xiàn)指榫折斷和內(nèi)部膠層破壞現(xiàn)象。

竹OSB指接材的拉伸破壞形式主要有膠層破壞、指榫折斷和指接破壞引起的竹OSB撕裂。圖3-b1為試件指榫大部分出現(xiàn)折斷破壞;圖3-b2為指接破壞引起的基材斷裂，沿指榫形狀破壞引起竹OSB發(fā)生斷裂，破壞嚴(yán)重。

圖3 彎曲和拉伸破壞形式Fig.3 Forms of bending and tensile failure

3 結(jié)論與討論

通過正交試驗(yàn)得出:指榫類型對(duì)竹OSB指接材的MOR和抗拉強(qiáng)度影響顯著;施膠量和端壓對(duì)指接竹OSB的MOR、MOE和抗拉強(qiáng)度影響不顯著。較優(yōu)的指接工藝參數(shù)是選用指榫類型Ⅲ、施膠量290 g·m－2、端壓 3 MPa。

指榫類型Ⅰ對(duì)應(yīng)的MOR僅次于指榫類型Ⅲ對(duì)應(yīng)的MOR，在只對(duì)竹OSB指接材的抗彎性能有要求情況下，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮，可以選用指榫長(zhǎng)度較短的指榫類型Ⅰ進(jìn)行指接加工。

竹OSB指接材由于受指接的影響，彎曲和拉伸過程中指接部位應(yīng)力集中，出現(xiàn)斷裂。竹OSB指接材的彎曲破壞形式主要有膠層破壞和指榫折斷，拉伸破壞形式主要有膠層破壞、指榫折斷和指接破壞引起的基材斷裂。

對(duì)當(dāng)前小尺寸的竹OSB接長(zhǎng)處理可獲得抗彎強(qiáng)度和抗拉性能較好的竹OSB指接材，當(dāng)選用指榫類型Ⅲ、施膠量290 g·m－2、端壓3 MPa的指接工藝參數(shù)時(shí)，竹OSB指接材的MOR、MOE分別是58.46 MPa、8.05 GPa，雖低于毛竹、落葉松和水曲柳，但接近杉木，能滿足GB 50005《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定的一般承重梁類結(jié)構(gòu)材料。通過指接工藝可獲得力學(xué)強(qiáng)度較高的竹OSB指接材，促進(jìn)竹OSB高效利用，為竹OSB用于大跨度建筑和各種富有創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造型創(chuàng)造了條件。