趙 堯 關(guān)惠元 付偉蓮

（南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037）

我國是竹材資源大國，竹林蓄積量和竹材產(chǎn)量均居于世界第一。第九次森林資源調(diào)查結(jié)果顯示，中國竹林面積達6.41 km2，占世界竹類資源總量的20%[1]。木材具有儲碳、減碳的作用[2]，國內(nèi)木材保有量不足[3]，而竹材作為一種可再生、生長周期短、材性優(yōu)良的生物質(zhì)材料，其力學(xué)性能優(yōu)異，可以和木材媲美，已成功應(yīng)用于竹材膠合板、竹集成材、重組竹等產(chǎn)品[4-7]。竹材在家具中的應(yīng)用廣泛，其中圓竹家具充分利用圓竹本身的形態(tài)、物理屬性、生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，并能夠展示濃厚的竹文化底蘊。圓竹家具的傳統(tǒng)連接方式有榫接[8-9]、包接[9-10]、綁扎[8,10-12]、竹銷釘連接[9]等，然而竹材薄壁中空、尖削度大、內(nèi)徑不統(tǒng)一，導(dǎo)致圓竹家具連接結(jié)構(gòu)加工不便，接合強度低。創(chuàng)新式的竹-木插接結(jié)構(gòu)則致力于解決該弊病，推動圓竹家具的發(fā)展。

竹-木插接結(jié)構(gòu)是將圓竹內(nèi)壁銑削為正圓后涂膠，與實木進行插接式連接的一種新型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。膠合性能是影響結(jié)構(gòu)節(jié)點力學(xué)性能的重要因素，目前大部分研究聚焦于膠黏劑種類[13]、含水率[14]、粗糙度[15]、竹材表面處理[16]、竹節(jié)[17]、對膠合性能的影響，以及膠黏劑在竹材表面潤濕性能[18-19]等。然而，這些研究多采用熱壓固化的手段，對室溫固化的竹-木插接式結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究鮮有報道。竹壁主要由縱向纖維組成，大致可分為維管束和基本組織兩部分。由于竹壁外側(cè)的維管束密度較大，導(dǎo)管孔徑較小，所以同一高度的竹材竹壁外側(cè)（竹青）的密度比內(nèi)側(cè)（竹黃）大[20]，竹材的密度和力學(xué)強度，均是竹壁外側(cè)大于內(nèi)側(cè)。竹-木插接結(jié)構(gòu)中，不同銑削量后的竹材內(nèi)壁的密度不同，進而會影響竹木的膠合性能。因此，針對竹壁銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響研究十分必要。

圖1 竹-木插接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bamboo-wood plug-in structure

本文首先考察竹壁銑削量（0、1、2、3、4 mm）和膠黏劑種類（聚醋酸乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯）對竹-木膠合性能（剪切強度和木破率）的影響，然后對比了不同竹壁銑削量（0、1、2 mm）下竹-木插接結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗彎性能，以期為優(yōu)化圓竹家具結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)，從而促進圓竹家具的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹（Phyllostachys pubescens），產(chǎn)自浙江安吉，竹齡5 a以上，且經(jīng)過防腐處理，包括直徑(60±2) mm、壁厚8 mm和直徑(40±1) mm、壁厚4 mm兩個尺寸，含水率約為12.1%、密度約為0.80 g/cm3。櫸木（Fagus SylvaticaL.），含水率約為13.1%，氣干密度約為0.710g/cm3。聚醋酸乙烯膠黏劑（熊貓牌，乳白色）、單組分聚氨酯膠黏劑（SINWE牌，黃色）、環(huán)氧樹脂膠黏劑（SINWE牌，雙組份透明色），深圳鑫威公司。

1.2 試驗設(shè)備

單片縱鋸機，佛山新馬木工機械公司；馬氏搖臂式圓鋸機，佛山新馬木工機械公司；精雕機（SC60M），勛川。數(shù)顯游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm，杭州德力西；精密電子萬能力學(xué)試驗機（AGS-X20KN），日本島津公司。

1.3 試件制作

1.3.1 膠合性能試件

在同一個竹筒上用圓鋸機取長為220 mm、寬為18 mm、壁厚8 mm的竹片，與圓竹原壁厚度一致。將竹片固定在精雕機上（以竹青處為基準(zhǔn)面），進行不同銑削量t（0、1、2、3、4 mm） 的銑削加工，得到不同的圓竹內(nèi)壁，并用游標(biāo)卡尺檢測其銑削前后的厚度，確保銑削量符合試驗要求。銑削完成后，將220 mm的長竹片切割成長為25 mm的竹片，如圖2所示。

圖2 竹片銑削示意圖Fig.2 Schematic diagram of bamboo milling

通過刨切加工使櫸木表面平整光滑，采用縱鋸機和圓鋸機將櫸木方材加工成長為25 mm、寬為10 mm、高為50 mm的櫸木試件。由于櫸木密度大，為使膠黏劑更好滲透進木材，涂膠前用砂紙輕微打磨櫸木接觸面。在竹片一側(cè)均勻涂膠，涂膠量約為200 g/m2，將竹片與櫸木木塊粘接，并用橡皮筋綁扎固定，制成竹木膠合試件，如圖3所示。試件共15組，每組8塊，共120件。將試件置于溫度為（22±4） ℃，相對濕度為（48±8%）的條件下陳放7 d，待竹木試件完全膠合固化后進行剪切試驗。

圖3 竹木膠合試件示意圖Fig.3 Bamboo wood glued specimen

1.3.2 抗彎性能試件

截取長為120 mm、直徑約為40 mm、壁厚約為4 mm的圓竹竹筒，從4個方向測量其直徑和壁厚，并取平均值。在圓竹面上覆蓋臨摹紙，從相互垂直的4個方向畫直線，將交點定位為圓心（加工原點），如圖4a所示。用CNC數(shù)控機床對圓竹內(nèi)壁進行銑削加工，銑削量分別為2、1、0 mm，將內(nèi)徑不均勻的圓竹內(nèi)壁銑削為正圓（直徑為D），用游標(biāo)卡尺測量銑削后圓竹內(nèi)壁的殘留壁厚，并將其記為b（b=2、3、4 mm），銑削深度為40 mm。參照圖4b所示的形狀和尺寸，用CNC數(shù)控機床對櫸木試件進行加工，設(shè)定竹木插接節(jié)點的間隙配合量為0.2 mm。涂膠后（白乳膠，施膠量約為200 g/m2）組裝竹木插接試件，如圖4c所示。試件共3組，每組8個，共24個。將試件置于溫度為（23±2） ℃，相對濕度為（60±6）%的條件下陳放7 d，待膠黏劑完全固化后進行三點彎曲試驗。

圖4 三點彎曲試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of the three-point bending test

1.4 試驗方法

1.4.1 膠合性能測試

參照GBT 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[21]進行剪切強度測試，參照LY/T 2720—2016《膠合面木破率的測定方法》[22]計算木破率，裝置如圖5所示。測試3種膠黏劑（聚醋酸乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯）、5種圓竹內(nèi)壁銑削量（0、1、2、3、4 mm）下的試件膠合性能，共15組，每組8個試件，共120個。試驗結(jié)束后，采用雙因素方差分析法對銑削量和膠黏劑對剪切強度的影響進行分析。

圖5 剪切試驗示意圖[21]Fig.5 Shear test device diagram

試件的剪切面與載荷平行，載荷加載速度為5 mm/min，記錄試件破壞時的載荷Qv，載荷測定精度為0.1 N，剪切強度按式（1）計算。

式中：fv為膠層剪切強度，MPa；Qv為膠層破壞載荷，N；Av為膠層受剪面積，mm2。

1.4.2 抗彎性能試驗

如圖6所示，參考LYT 2664—2016《圓竹物理力學(xué)性能試驗方法》[23]，將竹木插接試件固定在萬能力學(xué)試驗機上，進行三點彎曲試驗，跨距L為120 mm，加載速度為5 mm/min，記錄破壞時的載荷（精確至0.1 N）和位移（精確至0.1 mm）。

圖6 三點彎曲試驗示意圖Fig.6 Three-point bending test device

通過節(jié)點三點彎曲試驗[24-26]，測得節(jié)點試件的破壞載荷Fmax以及載荷-位移到貨時間曲線，根據(jù)公式（2）和（3）分別計算節(jié)點的抗彎彈性模量和抗彎強度。

式中：EW為試樣在含水率W%時的抗彎彈性模量，MPa；σhw為試樣在含水率W%時的抗彎強度，MPa；Fmax為試樣破環(huán)載荷，N；ΔP為上下限載荷之差P2、P1之差，N；Δf為上下限載荷對應(yīng)的變形量f2、f1之差，mm；L為兩支座間的跨距，mm；D為試樣的平均外徑，mm；t為試樣的平均壁厚，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹壁銑削量對竹木膠合性能的影響

2.1.1 試件破壞形式

竹木膠合試件的破壞形式主要有以下4 種：1）接觸面間的膠黏劑發(fā)生破壞，材料表面基本保持完好，極少數(shù)竹材或木材發(fā)生破裂（圖7a）；2）接觸面間的膠黏劑和部分竹材發(fā)生破壞（7b）；3）接觸面間的膠黏劑和部分木材發(fā)生破壞（圖7c）；4）混合破壞，即接觸面間的膠黏劑、竹材、木材混合破壞（圖7d）。多數(shù)聚氨酯膠黏劑試驗組和少數(shù)聚醋酸乙烯試驗組的破壞形式主要為1）和2）；多數(shù)環(huán)氧樹脂膠黏劑試驗組和少數(shù)聚氨酯膠黏劑試驗組的破壞形式主要為3）和4）。

圖7 試件破壞形式Fig.7 Specimen destruction form

2.1.2 竹木膠合剪切強度及木破率

膠黏劑與銑削量對竹木膠合剪切強度的雙因素方差分析結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明：膠黏劑對竹木膠合剪切強度有顯著影響（P＜0.001），這可能是因為聚氨酯和環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)、固體含量與聚醋酸乙烯有區(qū)別，造成其密度和粘合力的不同[27-28]。銑削量對竹木膠合剪切強度無顯著影響（P＞0.05），這是因為銑削后的竹壁內(nèi)表面均處于竹肉層附近，其密度差異性并不大，且由于都是用精雕機加工，其表面粗糙度基本一致。同時發(fā)現(xiàn)，兩者的交互作用對竹木膠合剪切強度無顯著影響（P＞0.05）。

表1 雙因素方差分析結(jié)果Tab.1 Two-way ANOVA results

不同膠黏劑之間的膠合剪切強度平均值及組內(nèi)多重比較結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明：聚醋酸乙烯膠黏劑的剪切強度與聚氨酯膠黏劑、環(huán)氧樹脂膠黏劑之間存在顯著性差異，其剪切強度約為后者的50%；而聚氨酯膠黏劑和環(huán)氧樹脂膠黏劑之間不存在顯著性差異。

表2 不同銑削量和膠黏劑下竹木膠合剪切強度平均值Tab.2 Average shear strength of bamboo and wood gluing under different milling amounts and adhesives

不同銑削量下，不同膠黏劑的竹木膠合剪切強度不同，總體而言，環(huán)氧樹脂膠黏劑的剪切強度最大（12 MPa左右），明顯高于聚醋酸乙烯膠黏劑（5.5 MPa左右），并略大于聚氨酯膠黏劑（11.8 MPa左右）。3種膠黏劑的木破率差別較大，總體表現(xiàn)為環(huán)氧樹脂膠黏劑＞聚氨酯膠黏劑＞聚醋酸乙烯膠黏劑，三者的木破率分別為13.89%～83.10%、5.19%～53.01%、1.0%～11.08%。這主要是因為前兩種膠黏劑對竹材的滲透深度更高，形成了更為致密的膠層[29]。

2.2 竹壁銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)彎曲性能的影響

2.2.1 試件破壞形式

不同銑削量下，竹-木插接結(jié)構(gòu)的抗彎試驗破壞形式主要有：1）竹木連接處的破壞開裂（圖8a）；2）竹壁發(fā)生順紋劈裂（圖8b）。由圖8c可知，這兩種破壞形式多集中在竹材壁厚的最薄處。

圖8 抗彎試驗破壞形式Fig.8 Bending test failure form

2.2.2 抗彎強度和抗彎彈性模量

不同銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響如圖9 所示。由數(shù)據(jù)可知，試件的抗彎強度和抗彎彈性模量隨著竹壁銑削量的增大而減小，與竹壁銑削量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。與竹壁銑削量2 mm的試件相比，1 mm和0 mm的抗彎強度分別增加13.60%和37.58%，其對應(yīng)的抗彎彈性模量分別增加13.02%和42.43%。這主要是因為家具的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與其用材量緊密相關(guān)，竹壁銑削量越小，殘留竹壁壁厚越大，接合強度則越高。因此，在竹-木插接試件加工過程中，圓竹內(nèi)壁的銑削量應(yīng)盡量保持最小，從而最大限度地保留殘留壁厚。

圖9 抗彎強度及抗彎彈性模量Fig.9 Flexural strength and flexural modulus of elasticity

3 結(jié)論

針對圓竹家具傳統(tǒng)連接方式受限于竹材尖削度大、內(nèi)徑不統(tǒng)一的弊病，本文提出了應(yīng)用于圓竹家具連接的竹-木插接結(jié)構(gòu)，考察了竹壁銑削量和膠黏劑種類對竹-木膠合性能的影響，并對不同竹壁銑削量下竹-木插接結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗彎性能進行了研究，主要得出以下結(jié)論：

1）膠黏劑種類對竹木膠合剪切強度和木破率有顯著影響（P＜0.05）。在不同銑削量下，環(huán)氧樹脂膠黏劑平均剪切強度＞聚氨酯膠黏劑＞聚醋酸乙烯膠黏劑。

2）使用同種膠黏劑的情況下，竹壁銑削量對竹木膠合剪切強度無顯著性影響（P＞0.05）。

3）抗彎性能與竹壁銑削量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即隨著竹壁銑削量的增大而減弱；與竹壁銑削量為2 mm相比，1 mm和0 mm的抗彎強度分別增加13.60%和37.58%，其對應(yīng)的抗彎彈性模量分別增加13.02%和42.43%。

4）在竹-木插接結(jié)構(gòu)加工過程中，圓竹內(nèi)壁銑削量應(yīng)盡可能小，從而最大限度地保留殘留壁厚，為節(jié)點提供足夠的強度及剛度。