陶 鈞 謝力生 劉嘉誠(chéng) 沈夢(mèng)陽(yáng)

（中南林業(yè)科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410004）

竹子生長(zhǎng)周期短，3～5 年便可成材，一次造林成功，即可年年擇伐，持續(xù)利用[1]。我國(guó)竹林面積641.16萬(wàn)hm2，其中毛竹林467.78 萬(wàn)hm2，毛竹株數(shù)141.25 億株[2]；年產(chǎn)竹材約15 億根（其中毛竹超過(guò)10 億根）[3]，相當(dāng)于2 300 多萬(wàn)m3的木材量。竹材具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量及硬度等約為一般中軟闊葉樹(shù)木材和針葉樹(shù)木材的2 倍，性能可與麻櫟等硬闊葉樹(shù)木材相媲美[4-6]；雖然竹材密度僅為鋼材的1/8，但其順紋抗壓強(qiáng)度為鋼材的1/5，順紋抗拉強(qiáng)度為鋼材的1/2[7]。目前，我國(guó)工業(yè)用木材十分緊缺，特別是工程結(jié)構(gòu)用木材主要依賴進(jìn)口，以竹代木具有顯著的生態(tài)效益和廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。用竹篾或竹片（條）層積膠合而成的膠合竹材（層板）具有很好的強(qiáng)度性能，保守估計(jì)其設(shè)計(jì)值可達(dá)TC17A標(biāo)準(zhǔn)（TC17 為針葉樹(shù)種木材最高強(qiáng)度等級(jí)，A為分組）[10]，完全可以作為工程結(jié)構(gòu)材替代高等級(jí)木材[11]。竹集成材的開(kāi)發(fā)，對(duì)緩解我國(guó)木材供需矛盾、維護(hù)國(guó)家木材安全具有重大意義。

竹材主要由承力的纖維厚壁細(xì)胞和起連接作用并傳遞載荷的薄壁細(xì)胞基體組成[12]。各項(xiàng)力學(xué)性能自下而上、自內(nèi)向外逐漸提高；此外，竹材力學(xué)性能隨著竹齡的增大而逐漸增加，4 年生毛竹材的力學(xué)性能最佳，之后則呈下降趨勢(shì)[13]。竹節(jié)是竹子為適應(yīng)生存環(huán)境而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化形成的特殊構(gòu)造，對(duì)提高竹子的剛度與穩(wěn)定性至關(guān)重要，對(duì)竹材順紋抗拉強(qiáng)度有著不容忽視的影響[14]。竹材的物理力學(xué)性能還受生長(zhǎng)條件的影響[15]，其生物特性和構(gòu)造特性決定了竹材個(gè)體差異性較大，難以滿足結(jié)構(gòu)用竹集成材等竹質(zhì)工程材料要求的材質(zhì)均勻性和穩(wěn)定性，特別是安全性與可靠性。為此，有學(xué)者進(jìn)行了竹片（條）的分級(jí)研究，以期實(shí)現(xiàn)調(diào)控結(jié)構(gòu)用竹集成材力學(xué)性能。影響竹材力學(xué)性能的因素有很多，且各要素相互關(guān)聯(lián)，錯(cuò)綜復(fù)雜。本文主要對(duì)竹節(jié)、竹齡、部位和含水率等對(duì)毛竹竹材物理力學(xué)性能的影響，及毛竹片密度與力學(xué)性能之間的關(guān)系等相關(guān)研究進(jìn)行歸納總結(jié)；分析比較了幾種常見(jiàn)的竹集成材，重點(diǎn)介紹了結(jié)構(gòu)用竹集成材中最具開(kāi)發(fā)潛力的側(cè)壓型規(guī)格竹片集成材，并對(duì)規(guī)格竹片接長(zhǎng)與分級(jí)，以及分級(jí)竹片或竹層板與產(chǎn)品力學(xué)性能的相關(guān)性等研究進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1 毛竹材物理力學(xué)性能

1.1 竹節(jié)對(duì)力學(xué)性能的影響

曾其蘊(yùn)等[16]對(duì)浙江7 齡毛竹材的主要力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：竹節(jié)能明顯提高竹材抗劈裂和橫紋抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)影響竹片的抗彎、順紋抗壓、抗剪、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。邵卓平等[14]研究發(fā)現(xiàn)，竹節(jié)不會(huì)降低竹片的抗彎強(qiáng)度、順紋剪切強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能，相反還有不同程度的增強(qiáng)作用。李旭[17]對(duì)湖南4 齡毛竹的順紋抗拉性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有節(jié)試件相對(duì)于無(wú)節(jié)試件，強(qiáng)度降低了16.86%～33.42%，且竹材強(qiáng)度與測(cè)試時(shí)的夾持面和加載速率有關(guān)，弦面夾持時(shí)的降低率約為徑面夾持時(shí)的2 倍，加載速率較低時(shí)降低率較??；有節(jié)試件的彈性模量比無(wú)節(jié)的降低10.24%，降低幅度明顯小于順紋抗拉強(qiáng)度。郝際平等[18]研究了井岡山地區(qū)4 齡毛竹的力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果表明：竹節(jié)削弱了竹材的順紋抗拉強(qiáng)度7.9%，但提高了順紋抗壓強(qiáng)度5.9%。

1.2 竹齡和部位等對(duì)物理力學(xué)性能的影響

竹齡和部位對(duì)毛竹材力學(xué)性能的影響較大，且與各力學(xué)性能之間相關(guān)性較好。竹材密度的變化是由于其細(xì)胞壁及其內(nèi)容物的變化和充實(shí)所引起的[19]。竹齡、部位和高度對(duì)毛竹材氣干密度的影響很大，由竹青到竹黃，其氣干密度整體呈逐漸減小的趨勢(shì)[13]。此外，毛竹在夏季和冬季的生長(zhǎng)條件不同，所產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物及內(nèi)容物有所差異，從而同一竹齡的毛竹在冬、夏兩季密度也會(huì)產(chǎn)生差異[20]。倪林[21]測(cè)定了浙江新昌4 齡毛竹規(guī)格竹條（厚6 mm）的氣干密度，竹材密度大致在0.51～0.84 g/cm3之間，密度分布范圍很廣。安徽黃山4 齡毛竹（胸徑 12 cm）從基部至梢部氣干密度、抗彎強(qiáng)度及彈性模量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，梢部力學(xué)性能最優(yōu)[22]，桿高3～9 m處密度增大趨勢(shì)較緩，氣干密度值基本保持不變。董敦義等[23]測(cè)試了不同竹齡毛竹的硬度，發(fā)現(xiàn)除當(dāng)年生以外，硬度差異不顯著，其中10 齡毛竹材硬度最大；竹材硬度隨竹桿高度的增加而顯著提高。此外，竹材青面密度較大、材質(zhì)致密，而黃面密度較小、材質(zhì)疏松，因而膠液潤(rùn)濕性能差異顯著，竹青面的潤(rùn)濕性能比竹黃面差[24-26]。竹材的含水率對(duì)其順紋抗拉強(qiáng)度的影響與對(duì)其他力學(xué)性能的影響有所不同：當(dāng)含水率高于20%時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨含水率的增大而降低；低于20%時(shí)，抗拉強(qiáng)度反而隨含水率的增大而提高[27]。綜上，影響毛竹材物理力學(xué)性能的因素很多，如竹節(jié)、竹齡、部位、生長(zhǎng)條件和含水率等，其中特別需要注意竹材含水率對(duì)其力學(xué)性能的影響。

1.3 竹片密度與力學(xué)性能的關(guān)系

將浙江安吉5～6 齡毛竹[28]加工成厚度為2 mm的3 種不同等級(jí)的弦向矩形薄竹片，I、II和III級(jí)竹片分別取自近竹青、竹肉和近竹黃部位，平均密度分別為0.68、0.54 g/cm3和0.50 g/cm3，I級(jí)竹片平均順紋抗拉強(qiáng)度和彈性模量最大，II級(jí)次之，III級(jí)最小。不同等級(jí)竹材力學(xué)性能與密度隨徑向部位變化的趨勢(shì)一致，但順紋抗拉性能差異顯著。李俊[29]測(cè)定了毛竹矩形青片（厚3 mm）的氣干密度和徑向與弦向的靜曲彈性模量（MOE）和靜曲強(qiáng)度（MOR），結(jié)果表明：隨著氣干密度的增大，竹青片兩方向的MOE和MOR呈線性增長(zhǎng)；施加竹青面在上（下）的徑向加載時(shí)，MOE比弦向加載小2.57% (7.81%)，MOR比弦向加載大0.95% (8.24%)，竹青面在下時(shí)的MOE比竹青面在上時(shí)小5.37%，而MOR則大7.23%。陳國(guó)寧[30]對(duì)市售厚6 mm、密度0.70 g/cm3的毛竹竹條和定制的厚4 mm、密度0.83 g/cm3靠竹青面的毛竹竹條進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：密度較小的市售毛竹竹條的拉伸剪切強(qiáng)度、弦向抗彎強(qiáng)度和彈性模量均明顯小于密度較大的定制竹條。值得注意的是，竹片的MOE和MOR等力學(xué)性能值的測(cè)定部位基本為某一竹間局部，這種以局部測(cè)定值來(lái)評(píng)估竹片整體的性能尚有待探討。

對(duì)毛竹優(yōu)良的物理、力學(xué)性能廣泛而深入的研究，為利用其制造竹集成材奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 竹集成材主要種類

2.1 竹篾層積集成材

竹篾層積集成材是指將寬約20 mm、厚約1 mm的竹篾經(jīng)干燥后編制成竹簾或捆扎成束，然后浸漬酚醛樹(shù)脂膠黏劑，再經(jīng)干燥后同向（少數(shù)層可垂直）組坯層積熱壓制成的一定厚度的竹簾層積材（或竹簾膠合板、竹篾積成材），厚度一般不超過(guò)20 mm，以之為層板用間苯二酚樹(shù)脂等室溫固化膠黏劑按同向順紋層疊膠合制備具有較大厚度的板材或方材，這種板材亦稱為格魯斑（Glubam）膠合竹[10]。壓制竹簾膠合板的熱壓溫度為130～140 ℃，壓力約3 MPa，要求冷進(jìn)、冷出，因此生產(chǎn)過(guò)程中有升溫、保溫和冷卻三個(gè)步驟。制備的板材密度為0.95～1.05 g/cm3；由于竹篾厚薄均勻度難以控制，板材內(nèi)部應(yīng)力較大；此外由于竹材密度和硬度較高，不適于使用鋸、刨和銑削等加工工藝，釘釘也很困難[31]。早期對(duì)該工程膠合竹材的研究和應(yīng)用較多。其水平剪切強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)性能非常優(yōu)越，抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)良好，是一種綜合力學(xué)性能很好的建筑結(jié)構(gòu)材料[32]，但抗老化性能和抗浸漬剝離性能較差[33]。由于竹簾膠合板制造能耗高，板材密度偏大，機(jī)械加工性能不良，產(chǎn)品物理力學(xué)性能不易控制等原因，該產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)已越來(lái)越少。

2.2 規(guī)格竹片集成材

將一定規(guī)格（一般截面寬約20 mm、厚約6 mm）的弦向竹片條干燥后涂膠，然后沿纖維方向平行拼寬組坯熱壓成一定寬度的板材，以其為層板用室溫固化膠黏劑沿同向順紋層疊膠合制成具有較大厚度的板材或方材[34]，稱為規(guī)格竹片集成材。竹層板有竹片條平置、窄面膠合的平壓型和竹片條側(cè)立、寬面膠合的側(cè)壓型兩種，如圖1 所示。平壓竹集成材強(qiáng)度相對(duì)較低，多應(yīng)用于板材構(gòu)件；側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能較好，可以應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件[35-38]。規(guī)格竹片集成材的順紋抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比竹篾簾膠合竹材分別高約20%和40%，其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)119.19 MPa和51.41 MPa，對(duì)應(yīng)彈性模量分別為10.02 GPa和8.71 GPa，比例極限為34.43 MPa[39]，它更適于制作結(jié)構(gòu)用骨架構(gòu)件[8]。規(guī)格竹片集成材是一種很好的建筑材料，可作為建筑結(jié)構(gòu)材料替代普通木材[40]。Nugroho等[41]采用與膠合木生產(chǎn)類似的工藝制作了竹集成材板和梁，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)竹片集成材的受彎性能與膠合木相當(dāng)，但當(dāng)竹片集成材膠層側(cè)立時(shí)，梁的極限承載力更大。

圖1 規(guī)格竹片集成層板的類型Fig.1 The type of bamboo lamination produced by dimensional bamboo strip

2.3 展平竹片集成材

展平竹片集成材是將弧形竹片（一般為1/4 竹筒）進(jìn)行預(yù)應(yīng)力展平、熱處理定形、去除竹青和竹黃表層、刨削成一定寬度和厚度的展平竹片后，進(jìn)行干燥、施膠并按順纖維方向?qū)盈B組坯，采用雙向加壓的粘接工藝和粘接設(shè)備制造而成的具有較大厚度的板材或方材[42]。在對(duì)弧形竹片進(jìn)行預(yù)應(yīng)力展平時(shí)，竹青面受到壓縮應(yīng)力，竹黃面受到拉伸應(yīng)力，展平后的竹片不可避免地殘留了一定的內(nèi)應(yīng)力。因此，必須對(duì)其進(jìn)行熱處理以提高尺寸穩(wěn)定性。研究表明：展平竹片經(jīng)高溫處理后，其物理、力學(xué)及化學(xué)性能都發(fā)生了變化，這在一定程度上影響了展平竹片的表面潤(rùn)濕性能，進(jìn)而影響竹片間的粘接，并在一定程度上導(dǎo)致其強(qiáng)度下降[42]。高溫處理過(guò)程中，熱處理時(shí)間對(duì)展平后竹片的回彈影響最為顯著，竹片的弧度次之。熱處理溫度以180 ℃為宜，熱處理壓力不宜過(guò)大或過(guò)小[43]。展平竹片集成材層板的組坯方式和前述規(guī)格竹片集成材的平壓型竹層板相同，但展平竹片的寬度更大。由于弧形竹片展平過(guò)程中，竹黃側(cè)受拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生許多細(xì)小的裂縫，破壞竹片本身的結(jié)構(gòu)，降低了竹材力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)竹材內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力殘留使展平竹片集成材的膠合性能，特別是膠縫浸漬剝離率，難以滿足要求[42]。因此，展平竹片集成材的力學(xué)性能低于平壓型規(guī)格竹片集成材，難以作為結(jié)構(gòu)用集成材使用。目前，展平竹片集成材的膠合工藝也還不成熟，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

比較竹篾層積集成材、規(guī)格竹片集成材和展平竹片集成材可知，側(cè)壓型規(guī)格竹片集成材在結(jié)構(gòu)用集成材領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Γ曛塾诖说难芯恳草^多，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。下面重點(diǎn)就結(jié)構(gòu)用側(cè)壓型規(guī)格竹片集成材的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

3 結(jié)構(gòu)用竹集成材相關(guān)研究

3.1 竹片接長(zhǎng)

考慮到竹筒的出材率，規(guī)格竹片的長(zhǎng)度一般不會(huì)超過(guò)3 m。因此，當(dāng)竹集成材層板較長(zhǎng)或制造連續(xù)型竹集成材層板時(shí)，就需要接長(zhǎng)規(guī)格竹片，規(guī)格竹片的接合質(zhì)量對(duì)竹集成材梁的抗彎力學(xué)性能具有較大影響，特別是對(duì)抗彎竹集成材梁的表面竹層板，尤其是受拉側(cè)。常見(jiàn)的竹片接長(zhǎng)工藝有對(duì)接、指接和卡扣接3 種[35]，如圖2 所示。加工竹片指榫，指接刀應(yīng)有較大的齒頂寬（2 mm）和刃口后角（6°～8°），指榫長(zhǎng)度要長(zhǎng)（31.5 mm），斜度要小（1/9），嵌合度需合適，一組指榫加工后對(duì)接，用手壓合，其指榫間隙一般為指榫長(zhǎng)度的5%～7%。同時(shí)，為了確保材料膠合性能，指接壓力應(yīng)控制在5～8 MPa[31]?？劢硬捎每凼浇宇^?？凼浇宇^[44]指通過(guò)在竹片端部加工出相配合的卡扣，將竹片從長(zhǎng)度方向鎖緊而不產(chǎn)生離縫，并在膠合時(shí)壓縮斜面和卡扣，從而制得抗拉強(qiáng)度更高的接長(zhǎng)竹條?？凼浇宇^已投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，但相關(guān)研究還較少。圖2 所示的卡扣接一，接合方便、穩(wěn)固[45]，適合手工組坯接合，但其接頭長(zhǎng)、浪費(fèi)材料。黃宇翔等[46]利用3 塊規(guī)格竹片，中間的竹片有接頭，接口不施膠，側(cè)壓膠合制作試件，并測(cè)試其與膠層垂直方向的抗彎性能，研究圖2 所示的對(duì)接、指接二和卡扣接一3 種竹片接頭形式對(duì)側(cè)壓竹層板抗彎性能的影響，結(jié)果表明：與對(duì)照試樣相比，接頭會(huì)降低側(cè)壓竹層板的抗彎強(qiáng)度（小于20%），而不同接頭（無(wú)膠）形式之間沒(méi)有顯著差異。研究認(rèn)為：竹片對(duì)接易于加工，但組坯繁雜；卡扣接需要專門(mén)的刀具，但竹片不需要膠黏劑即可實(shí)現(xiàn)接長(zhǎng)。綜合考慮竹片加工與涂膠組坯的難易程度，卡扣型接頭是較理想的接頭形式。目前，指接式和卡扣式接頭也常被用于竹層板和竹集成材的接長(zhǎng)[47]。

圖2 竹片接長(zhǎng)常見(jiàn)接頭形式Fig.2 Joint form of bamboo strip for connection

3.2 規(guī)格竹片分級(jí)

倪林[21]研究認(rèn)為，可以通過(guò)對(duì)規(guī)格竹條密度分級(jí)控制規(guī)格竹條的力學(xué)性能變異性，他將密度分布在0.5～0.95 g/cm3區(qū)間的規(guī)格竹條以0.05 g/cm3為梯度劃分成D50～D90 的9 個(gè)密度等級(jí)，研究發(fā)現(xiàn)，規(guī)格竹條的密度與彈性模量和抗彎強(qiáng)度都呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，彈性模量和抗彎強(qiáng)度呈顯著的線性關(guān)系，規(guī)格竹條密度等級(jí)由2 級(jí)（D85）到7 級(jí)（D60），其彈性模量由10.18 GPa下降到5.63 GPa，對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度從139.52 MPa下降到了85.4 MPa。李俊等[29]以氣干密度和弦向加載時(shí)的MOE為依據(jù)對(duì)竹青片進(jìn)行分級(jí)，獲得了性能均勻穩(wěn)定的分級(jí)竹青片。宋光喃等[48-49]對(duì)厚度為6 mm的4 齡毛竹片，進(jìn)行弦向和徑向（又分竹青面朝上和竹黃面朝上兩種情況）抗彎彈性模量及弦向抗彎強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)竹片密度與抗彎模量之間線性相關(guān)性明顯低于抗彎彈性模量與抗彎強(qiáng)度的線性相關(guān)性；相同密度范圍內(nèi)，規(guī)格竹條其抗彎彈性模量的離散性較大，氣干密度較大區(qū)域離散性更為明顯；相同模量范圍內(nèi)的規(guī)格竹條其密度分布也較大；任意兩個(gè)方向的彈性模量之間均存在較強(qiáng)的線性相關(guān)性，由一個(gè)方向的彈性模量值可以推知另外兩個(gè)方向上的彈性模量。需要注意的是，這里的密度均為規(guī)格竹片的平均密度，而抗彎強(qiáng)度和彈性模量值僅為規(guī)格竹片某一位置的測(cè)量值。

3.3 分級(jí)竹片與層板力學(xué)性能

倪林[21]將規(guī)格竹條分成9 個(gè)密度等級(jí)，竹條接長(zhǎng)采用對(duì)接，相鄰接頭間距300 mm，分別組坯壓制竹層板，研究表明竹層板的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均與竹層板密度正相關(guān)，不同密度等級(jí)的竹層板彎曲性能和拉伸強(qiáng)度存在明顯的差別。姚遲強(qiáng)[28]將毛竹片按近青部位、中間部位和近黃部位進(jìn)行分等，并分別壓制側(cè)壓竹層板，研究表明不同等級(jí)（部位）竹片的層板其靜曲強(qiáng)度和彈性模量與其密度呈高度線性正相關(guān)。宋光喃[48]按彈性模量對(duì)規(guī)格竹條進(jìn)行分級(jí)，并分別制造膠合竹層板，結(jié)果表明：竹層板順紋抗拉彈性模量值較對(duì)應(yīng)等級(jí)的規(guī)格竹條僅略有下降，而順紋抗拉強(qiáng)度下降了約25%～40%；層板的順紋抗拉彈性模量與其密度之間具有較好的線性相關(guān)性（R2=0.79），而與其抗拉強(qiáng)度之間的線性相關(guān)性稍弱（R2=0.66）；有接縫的竹層板與無(wú)接縫竹層板相比，其抗彎彈性模量基本相同，但抗彎強(qiáng)度明顯下降。刁倩倩等[50]將4 齡毛竹規(guī)格竹條（2 100 mm×20 mm×6 mm）按密度分級(jí)，分別組坯制備竹層板，并對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：竹層板的密度與相應(yīng)的規(guī)格竹條密度具有一致性；竹層板的順紋抗拉強(qiáng)度與彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與彈性模量等均隨其密度的增大而增加；不同密度竹層板力學(xué)性能指標(biāo)出現(xiàn)交叉，相同密度等級(jí)的竹層板力學(xué)性能指標(biāo)變異性較大。采用密度分級(jí)的規(guī)格竹條制造層板，能夠有效控制其密度，但并不能精確控制其力學(xué)性能，只能在一定程度上優(yōu)化其力學(xué)性能[50]。

3.4 竹層板分級(jí)

陳國(guó)寧等[51]先用1 800 mm×15 mm×4 mm的規(guī)格竹片組坯，相鄰竹片接縫間距100 mm，制造12 000 mm× 60 mm×15 mm的側(cè)壓竹層板試件，兩面刨削后層板最終厚度為13 mm，然后對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分等。結(jié)果表明：膠合竹層板的抗彎彈性模量數(shù)值較均勻，不同部位的MOE值差異不顯著（在11.8～15.4 GPa之間，平均13.5 GPa）；膠合竹層板的應(yīng)力等級(jí)平均分布在1.9E LAM級(jí)和2.0E LAM級(jí)。陳國(guó)寧[30]采用厚6 mm的市售毛竹規(guī)格竹片和厚4 mm的定制近青面毛竹規(guī)格竹片分別壓制側(cè)壓竹層板，按應(yīng)力將其分為1.0E LAM級(jí)和1.8E～2.3E LAM級(jí)共7 個(gè)等級(jí)，并測(cè)定其強(qiáng)度性能，研究表明：竹層板的應(yīng)力等級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度值就越高，但壓縮強(qiáng)度與應(yīng)力等級(jí)相關(guān)性不大，差異主要表現(xiàn)在竹片種類的不同，選用近青面的定制竹片制作的膠合竹層板，其抗壓強(qiáng)度更高。

3.5 竹層板膠合工藝

姚遲強(qiáng)[28]采用脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂膠黏劑，分別對(duì)厚度為16.5 mm的室內(nèi)用和室外用規(guī)格竹片側(cè)壓板膠合工藝進(jìn)行了研究，較佳的膠合工藝為：熱壓溫度115/135 ℃、壓力1.0/0.9 MPa、涂膠量150 g/m2、熱壓時(shí)間0.9 min/mm。刁倩倩等[50]用2 100 mm×20 mm×6 mm規(guī)格竹條與酚醛樹(shù)脂膠黏劑制備側(cè)壓型竹層板，其較優(yōu)熱壓工藝為：熱壓溫度135 ℃，正壓力1.0 MPa，側(cè)壓力1.2 MPa，熱壓時(shí)間20 min。朱益萍等[52]對(duì)截面尺寸為22 mm×7 mm的毛竹規(guī)格竹片不同側(cè)面的膠合性能進(jìn)行研究，采用的膠合工藝為：?jiǎn)蚊嫱磕z量180 g/m2、熱壓溫度125 ℃（脲醛樹(shù)脂膠黏劑）或145 ℃（酚醛樹(shù)脂膠黏劑）、熱壓壓力2.5 MPa、熱壓時(shí)間為80 s/mm。結(jié)果表明：兩竹青側(cè)弦切面間的膠合強(qiáng)度最差，而兩竹黃側(cè)弦切面間的膠合強(qiáng)度最好。張秀標(biāo)等[53]用水溶性酚醛樹(shù)脂（浸膠量約6%）壓制4 齡2 000 mm×7.5 mm× 3 mm毛竹規(guī)格竹青片側(cè)壓型竹層板，組坯時(shí)浸膠竹條和非浸膠竹條交替排列，接頭呈梯形布置，相鄰間距為90 mm，采用單層熱壓機(jī)連續(xù)熱壓，熱壓溫度130 ℃，熱壓時(shí)間10 min，主壓力2.5 MPa，側(cè)壓力2 MPa。制得的竹層板順紋拉伸強(qiáng)度均值達(dá)121.74 MPa，拉伸剪切強(qiáng)度均值達(dá)5.51 MPa，主要破壞發(fā)生在竹材而非膠層。Rosa等[54]采用間苯二酚甲醛樹(shù)脂膠黏劑和三聚氰胺脲醛樹(shù)脂膠黏劑制造竹集成材，得到的竹集成材性能優(yōu)良。上述研究的熱壓試驗(yàn)中采用的主壓力和側(cè)壓力值大多相差較大，值得進(jìn)一步探討。

3.6 分級(jí)竹層板與竹集成材力學(xué)性能

陳國(guó)寧[30]采用應(yīng)力分級(jí)的規(guī)格竹片側(cè)壓竹層板，并參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D245 與《Development Of Design Stresses For Glulam Timber In The United States》中對(duì)膠合木層板的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行組坯設(shè)計(jì)，如應(yīng)力等級(jí)高的竹層板置于表層，抗拉側(cè)表層采用最高等級(jí)層板，中心層用應(yīng)力等級(jí)低的層板；相鄰層板間采用不同版型，避免應(yīng)力集中，制成的工程膠合竹材（結(jié)構(gòu)用竹集成材）符合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)強(qiáng)度82.65 MPa，設(shè)計(jì)模量12.56 GPa。

4 展望

非結(jié)構(gòu)用竹集成材膠合工藝等生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其產(chǎn)品性能滿足非結(jié)構(gòu)用材要求。而結(jié)構(gòu)用竹集成材要求其產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠，強(qiáng)度可設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)，尺寸不受限制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，目前尚處在研發(fā)之中，諸多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，可著重從以下幾方面進(jìn)行研究：

1）規(guī)格竹片分級(jí)。實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度可設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)用竹集成材的規(guī)格竹片進(jìn)行準(zhǔn)確分級(jí)。目前，規(guī)格竹片分級(jí)主要以密度和彈性模量為主，分級(jí)效果均不理想。主要原因在于竹片密度是平均密度（包含竹間和竹節(jié)），而所測(cè)彈性模量和靜曲強(qiáng)度實(shí)際上是竹片某一位置的值；彈性模量和靜曲強(qiáng)度值來(lái)自竹片的同一位置，因而具有很好的線性關(guān)系。今后開(kāi)展規(guī)格竹片分級(jí)研究，應(yīng)考慮局部與整體的關(guān)系、竹間與竹節(jié)的不同，選取能代表竹片整體強(qiáng)度性能的取值方法，以提高規(guī)格竹片分級(jí)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2）規(guī)格竹片接長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)用竹集成材要求其尺寸不受限制，當(dāng)集成材長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)格竹片長(zhǎng)度時(shí)，需要對(duì)規(guī)格竹片進(jìn)行接長(zhǎng)。如采用集成材接長(zhǎng)的方法，集成材接口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)削弱整體強(qiáng)度；采用竹層板接長(zhǎng)的方法生產(chǎn)集成材，則可以分散接口，減小接口處的應(yīng)力，改善材料強(qiáng)度性能，但在集成材層數(shù)不多時(shí)，接口處的強(qiáng)度削弱仍不可忽視；采用規(guī)格竹片接長(zhǎng)組坯制造長(zhǎng)竹層板，再由長(zhǎng)層板層疊膠合成集成材，可最大限度均勻分散接頭，保證各部分強(qiáng)度穩(wěn)定一致，是結(jié)構(gòu)用竹集成材應(yīng)該采用的理想方法。目前，對(duì)規(guī)格竹片錯(cuò)縫（對(duì)接，不施膠）組坯制造側(cè)壓竹層板有所研究，但關(guān)于規(guī)格竹片膠合接長(zhǎng)還鮮有報(bào)道。今后有必要從以下幾方面開(kāi)展進(jìn)一步研究：①規(guī)格竹片對(duì)接接縫（不施膠）及錯(cuò)縫間距對(duì)側(cè)壓竹層板力學(xué)性能，特別是對(duì)抗彎性能的影響；②對(duì)接、指接和卡扣接等各種接頭及其形狀和尺寸對(duì)規(guī)格竹片粘接接長(zhǎng)力學(xué)性能的影響比較；③綜合考慮加工、組坯、加壓和性能等，探討合適的規(guī)格竹片接長(zhǎng)工藝。

3）組坯機(jī)械化。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)用竹集成材機(jī)械化生產(chǎn)，可保障產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠。目前，規(guī)格竹片已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工，側(cè)壓竹層板熱壓已有雙向加壓的單層平壓機(jī)。但規(guī)格竹片接長(zhǎng)和組坯還停留在手工階段，嚴(yán)重影響其生產(chǎn)效率，也無(wú)法保障產(chǎn)品性能的穩(wěn)定與可靠性。對(duì)于規(guī)格竹片無(wú)需接長(zhǎng)的側(cè)壓竹層板的組坯，已有專利[55]提出了機(jī)械化組坯方案。而關(guān)于規(guī)格竹片接長(zhǎng)（粘接）裝備和規(guī)格竹片錯(cuò)縫組坯的機(jī)械化裝備亟待進(jìn)一步研發(fā)。