斜接竹材与指接竹材的力学性能对比

　　竹材以其生长速度快、强度高、韧性好等优点，在我国结构与工程材料领域被广泛应用。为了实现竹材的高效利用，并满足工业化应用的要求，常需对竹材进行接长处理。

　　接长方式包括指接、斜接、搭接、对接等多种[1].在单板类材料中，对接、搭接应用较多，而在结构用木材层板加工中，多用指接。但已有研究表明，接长木材的指接处为最脆弱的部位[2].目前，斜接的研究与应用较少，仅有研究发现涂胶量、斜接角度对木材力学性能有明显影响[3];在竹束单板层积材中，斜接材的性能不及指接材[1].
　　
　　鉴于目前鲜见竹材斜接的研究报道，笔者探索了竹材的斜接工艺，并对斜接竹材与指接竹材的力学性能进行了对比，旨在确定斜接竹材的生产工艺，拓展竹材的结构用途。
　　
　　1 试验材料与方法

　　1.1试验材料

　　1）毛竹（Phyllostachys pubescens）：采购自福建某公司。在毛竹竹黄侧，用刀片平行纤维方向划若干短线，经水热处理后，将竹材展开，竹黄与竹青两侧进行刨平加工。展开后的竹片规格为：厚度6.5mm,宽度105mm,长度1 050mm,含水率5.21%.将展开竹片裁制成宽度50mm、长度500mm的试件，预接长部分的端部避开竹节。

　　2）聚氨酯胶：大连某公司提供，普邦HB S309,黏度6 500mPa·s,固体含量50%.

　　1.2试验设备

　　万能力学试验机、集成材拼板机、指接机。

　　1.3试验方法

　　1.3.1竹材斜接根据竹材斜接的理论分析，斜接角度≤6.26°时，斜接竹材的拉伸强度与原竹的顺纹拉伸强度相当[4].依此设定两种加工斜率：K=1/10与1/15,对应的加工角度分别为5.71°、3.81°。按竹青、竹黄面两两组坯，确保拼接后试件的竹青、竹黄面同侧。参考胶黏剂厂家提供的工艺参数，在同一斜率下，冷压压力分别选用1.0、1.2、1.5 MPa共3个水平。其他工艺参数固定为：环境温度23℃,相对湿度60%,加压时间为3h,斜接面涂胶量200g/m2.每种压力条件下压制10个试件。

　　1.3.2竹材指接选用齿长16mm的刀具，在竹材端面开垂直型（V型）指榫，指榫处单面涂胶量与斜接试件同为200g/m2,制备指接接长竹材。试验用指接机液压缸直径5cm,加压压力2.5MPa.

　　1.4性能检测经3天 养 生 后，根 据ASTM D 3500-90（Reapproved 2003）Standard Test Methods forStructural Panels in Tension,测试拉伸强度。试件尺寸采用A型，每组测试6个试件：根据GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》测试抗弯强度，在竹青、竹黄受拉两种条件下，各测试4个试件。

　　2 试验结果及分析

　　2.1斜接工艺对竹材性能的影响

　　不同斜接工艺下，各试件的拉伸强度和抗弯强度检测结果，列于表1.【1】

　　
　　2.1.1拉伸强度从表1可知，在两种斜接角度下，均以1.2 MPa压力斜接材的拉伸强度最大；在相同压力下，斜接角度为3.81°试件的拉伸强度较高。从试验过程分析，可能是因为斜接角度为3.81°时，胶合面积更大。5.71°角度斜接试件拉伸破坏时的断裂方式，如图2所示。由于加工精度等原因导致的胶合面缺陷，对斜接角度大（即斜接面积小）的试件影响更突出，造成实际胶合面积变小，胶合强度降低，拉伸断裂出现图2a的情况；而斜接角度亦存在加工误差，斜接角顶端易出现应力集中而发生断裂（图2b）.

　　2.1.2抗弯强度当竹青为受拉侧，斜接角度为5.71°与3.81°时，试件的抗弯强度分别在1.5MPa、1.0MPa压力下最大。当竹黄为受拉侧时，两种角度斜接试件均在1.2MPa压力时达到最大抗弯强度。其原因除了试件加工精度的影响外，可能是竹青密度大，质地致密，不利于胶黏剂的渗透，造成竹青与胶黏剂的有效界面弱于竹黄。具体原因还需进一步验证分析。

　　2.2斜接材与指接材的性能对比

　　2.2.1拉伸强度两种角度斜接竹材与指接竹材、原竹的拉伸强度测试结果，列于表2.【2】

　　
　　表2结果表明，两种角度斜接竹材的拉伸强度均高于指接竹材。主要原因是斜接面的破坏主要靠拉伸时沿胶合面的剪力，面积越大，剪力越小；而指接试件指接处的胶合面积小，指接处应力集中，特别容易出现脱指接破坏（图3）。当斜接角度为3.81°时，斜接竹材的拉伸强度接近于原竹。2.2.2抗弯性能两种角度斜接竹材与指接竹材、原竹的抗弯强度测试结果，列于表3.【3】

　　
　　表3数据表明，无论以竹青或竹黄作为受拉侧时，斜接角度为3.81°试件的抗弯强度，均大于5.71°斜接竹材与指接竹材试件，并且接近于原竹。而指接竹材的抗弯强度只达到了原竹的约70%（竹青侧抗拉）、62%（竹黄侧抗拉），远低于斜接竹材。

　　从抗弯弹性模量分析，大体呈现出3.81°斜接竹材>5.71°斜接竹材>指接竹材>原竹的趋势。

　　3 结论

　　1）在本试验条件下，综合力学性能数据，在1.2MPa压力下，斜接竹材可获得最大拉伸强度；斜接角度为3.81°时，斜接竹材的拉伸强度和抗弯强度接近原竹，弹性模量超过原竹（最大近0.5倍）。

　　2）斜接是高效利用竹材、保持接长竹材强度的一种方式。但斜接角度及斜接胶合表面的加工要求苛刻，受试验条件限制，试验结果与理论尚存在偏差。后续有待进一步开发适用的竹材斜接加工工艺，以更准确地控制斜接竹材的质量。
　　
　　参考文献：

　　[1] 张丹.竹束单板层积材连续成板工艺及性能研究[D].北京：中国林业科学研究院，2014.
　　[2] 刘艳.落叶松指接材力学性质的研究[D].北京：北京林业大学，2005.
　　[3] 黄晓东，江泽慧，陈玲，等.风电叶片复合材料杉木斜接工艺研究[J].林业科技开发，2008（2）:77-79.
　　[4] 赵雪松，王喜明，塔娜，等.基于ANSYS软件的竹材曲面受压过程分析[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版）.2009,30（1）:224-228.