重組竹材料的應(yīng)用研究

重組竹材料的應(yīng)用研究

0鋪鎮(zhèn)竹樓—前言綠色建筑的概念是在整個(gè)建筑的使用壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約消耗的資源，環(huán)境保護(hù)和環(huán)境保護(hù)，為人們提供健康、適用和高效的空間，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。隨著我國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)體系的完善和綠色生態(tài)設(shè)計(jì)的深入,越來越多的綠色建筑開始涌現(xiàn)出來。安吉縣遞鋪鎮(zhèn)竹園區(qū)的科技竹樓(見圖1)就是這樣一座具有代表性的綠色建筑。該建筑位于毛竹科技園區(qū)內(nèi),區(qū)塊占地面積2000m2,建筑面積278m2,充分展現(xiàn)出毛竹現(xiàn)代科技園區(qū)對(duì)綠色建筑低碳和節(jié)能的理解。該樓體上到屋頂瓦片,下到地板家具全部采用的是新型建筑材料———重組竹。安吉是全國(guó)聞名的竹鄉(xiāng),竹材資源豐富,發(fā)展重組竹材料不僅具有獨(dú)特的先天優(yōu)勢(shì),還能打造出鮮明的地域特色。重組竹材料又稱竹材重組材,或者簡(jiǎn)稱重組竹,是一種將竹材重新組織并加以強(qiáng)化成型的一種竹質(zhì)新材料。從20世紀(jì)80年代后期起,南京林業(yè)大學(xué)、中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所、浙江林學(xué)院和浙江林業(yè)科學(xué)研究院等單位就開始著手研究。生產(chǎn)重組竹材料的竹材利用率高,可達(dá)到90%以上,這樣既可持續(xù)生產(chǎn),又可有效地保護(hù)環(huán)境。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹這種新型材料的性能特點(diǎn),生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用。1重組竹材質(zhì)根據(jù)竹材小單元顏色和組成的不同,重組竹材料可分為本色、碳化色和斑馬紋等。本色重組竹的竹材小單元未經(jīng)調(diào)色處理,利用竹材本來的顏色制成;碳化色重組竹則將竹材小單元進(jìn)行碳化處理,使它具有棕褐色(即碳化色),然后熱壓而成(見圖2);斑馬紋重組竹是將本色竹篾與碳化色竹篾按一定規(guī)律混搭組胚熱壓而成,使重組竹的顏色、紋樣具有小鞋木豆(俗稱斑馬木)的紋理材色效果。重組竹材料具有天然木質(zhì)感,表面有木材導(dǎo)管狀的細(xì)溝槽,表面紋理有的似直條狀的徑切紋,有的似山形的弦切紋。還有小節(jié)狀的渦紋,自然流暢,富于變化。材料觸感與木材相近,溫暖可親,滑爽宜人。該種材料還具有加工便利的優(yōu)勢(shì),廠家可利用通用的木材加工設(shè)備和工藝對(duì)重組竹進(jìn)行加工。重組竹家具的結(jié)構(gòu)完全可以采用傳統(tǒng)的家具榫接合,也可采用現(xiàn)代的連接件結(jié)構(gòu)(見圖3)?？捎媚竟つz膠合,膠合性能良好,涂裝工藝與使用的涂料與木家具相同。經(jīng)過工藝處理的重組竹材料(小徑竹)的性能見表1。重組竹材料還具有耐水、不變形等優(yōu)點(diǎn),據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,其24h吸水厚度膨脹率僅為0.4%,優(yōu)于歐洲標(biāo)準(zhǔn)Enpr13329規(guī)定的不大于2.0%的要求。游離甲醛釋放量在0.4mg/L以下,已達(dá)到歐美綠色標(biāo)準(zhǔn)ASTME1333要求。材料性質(zhì)與高檔的紅木相近,是一種名符其實(shí)的綠色環(huán)保材料。同時(shí),重組竹的物理力學(xué)性能還可通過結(jié)構(gòu)、制造工藝進(jìn)行調(diào)節(jié),使其符合使用的需要。本科技竹樓工程內(nèi)部的家具均由重組竹材料制成(見圖3)。2竹材生產(chǎn)的成功2.1主要原材料2.1.1生產(chǎn)下腳料的方法重組竹材原料來源廣泛,可利用各種竹子。本次工程采用的為安吉本地特產(chǎn)竹齡4年以上的毛竹和先前生產(chǎn)其它竹集成材余下的竹梢、竹片等下腳料。這一點(diǎn)在安吉地區(qū)具有非常重要的意義。安吉是全國(guó)竹制品生產(chǎn)的重要基地之一,許多竹席、竹簾生產(chǎn)中都會(huì)產(chǎn)生廢竹絲,可以用來作為生產(chǎn)重組竹材料的原料,實(shí)現(xiàn)廢物利用,符合生態(tài)環(huán)保循環(huán)利用的綠色建筑理念,也符合綠色建筑中最為強(qiáng)調(diào)的“節(jié)材”思想。2.1.2傳統(tǒng)知識(shí)膠質(zhì)干燥后的竹材單元需要進(jìn)行浸膠,一般膠粘劑采用的均為酚醛樹脂等,膠的固含量為25%~45%。但由于這些傳統(tǒng)的醛類膠粘劑在生產(chǎn)和使用中會(huì)釋放出甲醛等有害物質(zhì),不利于人體健康,更不符合綠色建筑“以人為本”的宗旨。所以,本次工程選用的膠粘劑是對(duì)環(huán)境影響較小的水性環(huán)保聚氨酯膠粘劑。2.2工藝目前重組竹材料的生產(chǎn)工藝主要包括熱壓、碳化熱壓等(見圖4)。(1)竹材的去青技術(shù)由于原竹天然長(zhǎng)成的外形不規(guī)則,且其本身表面含有蠟質(zhì)層,不利于膠合,所以為保證膠合強(qiáng)度,在竹材料生產(chǎn)中都會(huì)有去青這道工序。通常大徑竹如毛竹等,采用去青機(jī)去青,而小徑竹、薄壁竹采用旋轉(zhuǎn)的鋼絲輪去青。本科技竹樓工程由于材料關(guān)系,采用的是去青機(jī)去青,但是筆者發(fā)現(xiàn)用此種方法去青會(huì)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的加工廢料,使竹材的利用率較低。而根據(jù)筆者研究調(diào)查,某些新型的去青工藝,例如竹片表面等離子去青和微波去青等方法雖然效果良好,但是設(shè)備成本過高。如何在減少成本的同時(shí)保證較高的竹材利用率,將是未來去青工藝研究的一個(gè)重要方向。(2)由竹束向竹絲束焊接法將成竹制成長(zhǎng)條狀竹材小單元,是重組竹生產(chǎn)中的重要工序之一,有劈篾、拉絲、疏解等多種制作工藝方法,具體要根據(jù)原料的特點(diǎn)和重組竹產(chǎn)品的質(zhì)量要求來決定。劈篾拉絲是指將成竹截段,去青去黃后,剖成竹篾或竹絲,此種方法多用于大口徑竹,如毛竹等。而疏解則是將成竹開片、剖分、去青、軟化后進(jìn)行縱向輾壓制成碎裂狀竹絲束,竹絲束縱向不斷裂,橫向松散而交錯(cuò)相連,竹材纖維排列方向得以保持。這種工藝方法通常用于小徑竹或是薄壁竹。以本科技竹樓工程為例,由于選取的原材是口徑大、竹壁厚的毛竹,故采用的是劈篾拉絲的工藝方法,制成的竹材單元———竹篾,每片的斷面尺寸為寬8~20mm、厚0.8~1.2mm、長(zhǎng)16~40mm不等。(3)竹材單元的分析竹材碳化工藝是為了使生產(chǎn)的重組竹能呈現(xiàn)棕褐色?？萍贾駱枪こ逃捎谠O(shè)計(jì)需求,建筑材料需用深色,所以需將竹材單元進(jìn)行碳化處理。在劈篾剖絲后,將竹篾或竹絲、竹絲束放在碳化爐中,用0.3MPa左右壓力的蒸氣處理60~90min,不僅能使竹材中的淀粉、蛋白質(zhì)分解,使蛀蟲及霉菌失去營(yíng)養(yǎng)來源,同時(shí)還能殺死蟲卵及真菌,延長(zhǎng)竹材壽命。(4)竹材干燥工藝竹材干燥是重組竹材料生產(chǎn)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于竹材本身各向異性的特點(diǎn)及其固有的節(jié)間組織,如干燥不好勢(shì)必造成開裂等各種缺陷。但是,竹材的干燥不同于木材干燥,竹片纖維排列整齊,厚度較木材小,在對(duì)流干燥過程中不會(huì)產(chǎn)生像木材那樣的扭曲變形和開裂現(xiàn)象。因此,總體來說,竹材干燥工藝比木材干燥要簡(jiǎn)單得多,既不需要噴蒸加濕,也不需要用復(fù)雜的溫度曲線來控制。傳統(tǒng)的竹材干燥工藝包括自然干燥和窯干法。研究發(fā)現(xiàn),一般篾型竹材單元可以高溫快速干燥,采用連續(xù)升溫、分段加大熱風(fēng)風(fēng)量的干燥基準(zhǔn),最終含水率達(dá)到8.0%時(shí),其干燥周期僅為14h。而定型干燥可采用熱壓法,對(duì)竹片在適當(dāng)?shù)膲毫l件下進(jìn)行加溫和排濕,并間歇地使其壓力解除,讓竹片排濕和自由收縮,以加快竹片的水分蒸發(fā),并防止由于干縮應(yīng)力而產(chǎn)生的橫向開裂。此外,還需注意竹片本身自有的含水率和密度相關(guān),且隨竹齡和立地條件不同呈較大差異,應(yīng)具體情況具體分析?？萍贾駱枪こ痰闹癫膯卧谔蓟?其含水率為35%~50%,而后采用60~70℃的溫度連續(xù)干燥72~84h,便使其含水率達(dá)到了10%~15%這一較為理想的狀態(tài)。值得注意的是,一般干燥工藝中不宜采用超過70℃的溫度,否則竹片會(huì)因干燥速度過快而產(chǎn)生翹曲變形。(5)竹、竹絲浸膠的含膠量按膠與竹材小單元按1∶(5~6)的比例投料浸膠。竹篾、竹絲浸膠的含膠量為8%~15%。浸膠的竹材小單元在30~45℃溫度下烘干3~5h,使其含水率達(dá)12%左右。(6)熱壓時(shí)間和溫度重組竹生產(chǎn)的最后一道工序?yàn)闊釅禾幚?將裝模的板胚在熱壓機(jī)上進(jìn)行熱壓固化,一般熱壓溫度為110~160℃,壓力為10~100MPa,壓力不宜太小,最好在50MPa以上,熱壓時(shí)間依板坯決定。加熱使竹材軟化,并在高壓下使竹材小單元密實(shí),同時(shí)使膠粘劑充分固化。重組竹型材的外形輪廓依模具而定,通常壓制成方材,也可直接壓制成一定斷面形狀的柱狀規(guī)格。其形狀需要進(jìn)行剖分鋸解,加工利用。2.3竹束加工和浸膠有研究表明,重組竹生產(chǎn)中直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的工序主要有竹材單元制作工藝、重組竹材料的浸膠工藝、組坯工藝和熱壓工藝。這幾道工序采用的方法直接影響到重組竹材料的力學(xué)性能。(1)通過對(duì)竹束加工效果的對(duì)比分析和對(duì)竹束預(yù)處理的研究,了解到碾壓疏解機(jī)對(duì)竹束的加工效果最好;對(duì)竹束表面進(jìn)行砂光處理,可提高重組竹材的力學(xué)性能,而對(duì)竹束進(jìn)行高溫碳化處理則會(huì)降低重組竹材料的膠合性能。(2)通過對(duì)重組竹材浸膠工藝的研究,浸膠時(shí)間的改變對(duì)竹束浸膠量影響較小;增大浸膠壓力,可以較大的提高竹束的浸膠量。隨著竹束浸膠量的降低,重組竹材料的物理力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)。(3)組坯竹束全部使用條狀竹束可使重組竹板材的密度變異系數(shù)達(dá)到最小,混合使用條狀竹束和片狀竹束的密度變異系數(shù)次之,全部使用片狀竹束重組竹板材的密度變異系數(shù)最大。(4)竹種、膠黏劑固含量、熱壓溫度和密度等對(duì)重組竹的物理力學(xué)性能具有明顯影響。其中以重組竹的密度影響最大,當(dāng)密度從0.83g/cm3增大到1.05g/cm3,重組竹材的各項(xiàng)力學(xué)性能也會(huì)隨之提高。3重組竹材料進(jìn)一步節(jié)約科技竹樓工程設(shè)計(jì)為體現(xiàn)綠色建筑節(jié)材的理念,將竹樓所有梁、柱、墻及附件全部采用重組竹材料,約節(jié)約水泥40t、節(jié)約鋼筋10t。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),相應(yīng)地就會(huì)有諸多方面的要求。3.1墻骨柱構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式包括“梁柱結(jié)構(gòu)體系”和“輕型木結(jié)構(gòu)體系”2種,兩者各有特點(diǎn),本工程為充分發(fā)揮竹材輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn),借鑒了這2種結(jié)構(gòu)體系成功的經(jīng)驗(yàn),將結(jié)構(gòu)體系總體上設(shè)計(jì)成為采用梁柱+擱柵-墻骨柱構(gòu)成的多約束、多傳力路徑的受力體系。根據(jù)GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:(1)承重墻的墻骨柱采用材質(zhì)等級(jí)為Vc及其以上的規(guī)格材;非承重墻的墻骨柱則可采用任何等級(jí)的規(guī)格材。墻骨柱間距不大于600mm。承重墻的墻骨柱截面尺寸通過計(jì)算確定。此外,墻骨柱在墻體轉(zhuǎn)角和交接處給予加強(qiáng),轉(zhuǎn)角處的墻骨柱數(shù)量不少于2根。(2)墻體底部設(shè)置底梁板或地梁板,底梁板或地梁板在支座上突出的尺寸不大于墻體寬度的1/3,寬度不小于墻骨柱的截面高度。頂部設(shè)置頂梁板,其寬度不小于墻骨柱截面的高度。承重墻的頂梁板宜不少于2層,非承重墻的頂梁板設(shè)置為單層。(3)當(dāng)墻面板采用木基結(jié)構(gòu)板材作面板、且最大墻骨柱間距為400mm時(shí),板材的最小厚度為9mm;當(dāng)最大墻骨柱間距為600mm時(shí),板材的最小厚度為11mm。(4)竹樓屋蓋,可采用由結(jié)構(gòu)規(guī)格材制作的、間距不大于600mm的輕型桁架。桁架的截面通過計(jì)算確定,并設(shè)置可靠的錨固和支撐。3.2連接件、螺栓安裝節(jié)點(diǎn)連接是木結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的問題之一,構(gòu)件的連接處理應(yīng)保證強(qiáng)度、傳遞荷載外,還應(yīng)防止構(gòu)件開裂,并在設(shè)計(jì)和構(gòu)造節(jié)點(diǎn)上允許收縮或膨脹。本次工程參考木結(jié)構(gòu)常用的連接方式,選擇了螺栓連接這一適合承受較大內(nèi)力的連接方式,對(duì)主要構(gòu)件節(jié)點(diǎn)使用金屬連接件和螺栓進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。(1)柱與基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)。將柱腳插入高250mm、厚8mm的矩形鋼筒內(nèi),采用2個(gè)M16對(duì)拉螺栓在2個(gè)方向?qū)χ裰c鋼筒進(jìn)行固定,以保證地震作用下上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。(2)墻骨柱與基礎(chǔ)的連接節(jié)點(diǎn)。每根墻骨柱通過2片對(duì)稱角鋼實(shí)現(xiàn)與基礎(chǔ)的連接,竹墻骨柱與L形角鋼之間通過釘接固定。L形角鋼與基礎(chǔ)通過M12錨栓固定。(3)柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)。柱四周通過螺栓固定連接鋼板,在其外側(cè)焊接U形托以實(shí)現(xiàn)對(duì)竹梁的支撐。梁端伸入U(xiǎn)形托后,通過螺栓固定梁的位置。其它連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)類似,總體來說,這些節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可滿足各類復(fù)雜節(jié)點(diǎn)連接要求,傳力路徑明確,同時(shí)預(yù)加工金屬連接件保證了結(jié)構(gòu)的安裝速度和質(zhì)量,還具有良好的抗震性能。3.3外墻隔聲