（木材科学与技术专业论文）加捻竹束的预应力对单板层积材增强效应的探索.pdf

摘要 本课题提出了一种新的预应力竹木复合材料制造方法，将竹束加捻形成的预应力应用 于竹木复合单板层积材通过对竹束的性能的评价分析，找出适合加捻的竹来制造方法， 再对竹束进行不同方法的加稔制造出竹束增强层，在得出优化的增强层的基础上，进一步 拓展至竹束加捻复合单板层积材的研制及分析，从而验证竹束加捻所形成的预应力对竹未 复合单板层积材的增强效应 试验研究包括了三个部分：竹束制作的研究：增强层中竹束加捻方法的研究与选择： 竹木复合单板层积材的制作 试验选用了四种竹材软化方法，依据竹束的细度和竹丝的抗拉强度两项指标分析了不 同的软化处理方法对制得竹束的影响，分析得出竹材在水中浸泡两天是较好的软化方式 经过这种方式软化的竹材，滚压时可以得到分离程度较好且力学性能也较好的竹束 试验制作了四种不同结构形式的增强层，通过力学性能的测试结果可以得出，竹束单 股加捻形成的预应力显著提高了竹木复合材料的力学性能含单股加捻竹束的增强层与舍 不加捻竹束的增强层的数据对比显示，加捻预应力对弹性模量和静曲强度的贡献率分别达 到了1 7 4 6 0 和1 1 1 l ，验证了课题提出的预应力应用于竹木复舍单板层积材可以增强力 学性能的设想测试结果也表明增强层中竹束的存在与否及竹束是否加捻与剪切强度的大 小无明显关联同时试验也对竹束加捻形成的预应力进行了理论分析 试验制作了五种不同结构形式的竹木复合单板层积材，通过对测试结果的数据分析得 出，含竹束单板层积材与不舍竹束的单板层积材相比弹性模量和静曲强度都坟高；舍竹束 量相同的单板层积材，竹束经过加捻的单板层积材弹性模量和静曲强度都较高，表明竹束 单股加捻形成的预应力效用显著，同时也可看出预应力对于静曲强度的增强效应小于其对 弹性模量的增强效应；随着竹束含量的提高，舍加捻竹束单板层积材的力学性能呈上升趋 势研究结果表明竹束的存在与否及竹束是否加捻与剪切强度和冲击韧性无嘲显关联 关键词：竹木复合；加捻；竹束；预应力；增强；单板层积材 t h ee x p l o r a t i o no fr e i n f o r c i n gm e c h a n i c sp r o p e r do fl a m i n a t e dv e n e e r l u m b e r ( l v l ) w i t ht w i s t e db a m b o ot i e s a b s t r a c t 1 1 1 i st o p i cp r o p o s e do n en e wr e s e a r c ht e c h n i q u eo f w o o da n db a m b o oc o m p o s i t e i nw h i c h w ea p p l yt h ep r e s t r e s s e df r o mt w i s t e db a m b o ot i e si n t ow o o da n db a m b o oc o m p o s i t e n l e e x p e r i m e n t a ls t u d yi n c l u d e dt h r e ep a r t s ：t h em a n u f a c t u r er e s e a r c ho fb a m b o ot i e s ；t h er e s e a r c h a n dc h o i c eo ft h em e t h o do ft w i s t i n gb a m b o ot i e si nr e i n f o r c e m e n tb o a r d ；t h em a n u f a c t u r e m e t h o do f w o o da n db a m b o oc o m p o s i t e t h eb a m b o ot i e sw e r em a n u f a c t u r e d b ys u p p r e s s i n gt h e s o f t e n e db a m b o ow i t h r o l l i n g - s u p p r e s sm a c h i n e i nt h ee x p e r i m e n tw es e l e c t e df o u rk i n do fs o f t e n i n gm e t h o do f b a m b o o a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo ff i n e n e s sa n dt h em e c h a n i c sp r o p e r t yo fb a m b o o w e a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts o f t e n i n gm e t h o dt ot h eb a m b o ot i c s t h er e s u l ti n d i c a t e d m a k i n gb a m b o oi nt h ew a t e rt w od a y si st h eb e t t e rs o f t e n i n gm e t h o d 础sk i n do fb a m b o ot i e s h a dab e t t e rd e g r e eo f f m e n e s sa n dab e t t e rm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e i nt h ee x p e r i m e n tw em a n u f a c t u r e df o u rk i n do fr e i n f o r c e m e n tb o a r d t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e dt h ep r e - s t r e s s e df r o mt h et w i s t e ds i n g l es t r a n do fb a m b o ot i e sr e m a r k a b l yr e i n f o r c e d t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t em a t c r i a l t h ed a t ac o n t r a s tb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n t b o a r dc o n t a i n i n gs i n g l es t r a n do fb a m b o ot i e sa n dt h er e i n f o r c e m e n tb o a r dw h i c hc o n t a i n e d b a m b o on o tb e i n gt w i s t e dd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n l r i b u t i o nr a t i oo fp r e - s t r e s s e dh a d r e s p e c t i v e l ya c h i e v e dt o7 4 6 a n d ! 1 l i nm o d u l u so fe l a s t i c i t y ( m o e ) a n dm o d u l u so f r u p t u r e ( m o r lw h i c hc o n f i r m e da p p l y m gp r e s t r e s s e di n t ow o o da n db a m b o oc o m p o s i t em a y r e i n f o m em e c h a n i c sp e r f o r m a n c em e a n w h i l e t h er e s u l ti n d i c a t e dw h e t h e rt h ee x i s t e n c eo rn o t o fb a m b o ot i e sd i d n tc o n n e c t 、 ，i 盘t h es h e a r i n gr u p t u r e i nt h ee x p 嘶m e mw ee s t a b l i s h e dt h e m e c h a n i c sm o d e lo f t w i s t e db a m b o ot i c sa n da n a l y z e di tt h e o r e u c a l l v 1 1 1t h ee x p e r i m e n tw em a n u f a c t u r e df i v ek t n do fl v lt h ed a t aa n a l y s i si n & c a t e d ：b e c a u s e o f t h er e i n f o r c e m e mo fb a m b o ot i e s b o t hm o fa n dm o ro fl v ln o tc o n t a i m n gb a m b o ou e s w e r el o w e rt h a n 也em o ea n dm o ro fl v lc o n t a i n i n gb a m b o ot i e sr e s p e c t i v e l y ；w h e nt h e l v lc o n t a i n i n gt h es a i n eq u a n t i t yb a m b o ot i e s b o t i lm o ea n dm o ro ft h el v l c o n t a i n i n g t w i s t e db a m b o ot i e sw e 他h i g h e r , w h i c hp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so fp r e - s u f s s e df o r mt h e , t w i s t e ds i n g l es t r a n do fb a m b o ot i e sw a s r e m a r k a b l e ；w i t ht h eq u a n t i t yo fb a m b o ot i e s i n c r e a s i n g ，t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h el v lc o n t a i n i n gt w i s t e db a m b o ot i e sr e i n f o r c e d t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tw h e t h e rt h ee x i s t e n c eo rn o to fb a m b o ot i e so rw h e t h e rb a m b o ot i e s w e r et w i s t e dd i d n tc o n n e c tw i t ht h es h e a r i n gr u p t u r ea n di m p a c tt o u g h n e s so f t h el v l k e yw o r d s ： w o o da n db a m b o oc o m p o s i t e ；t w i s t e d ：b a m b o ot i e s ：p r e - s t r e s s e d , r e i r f o r c e m e n t ：l v l 2 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名： 芝互 导师签名 日期： y 沪千 7 身 易j - = 纥1 ， ， 致谢 本课题碍到了江苏省科技攻关项日f 项日稿号jb e 2 0 0 4 3 6 5 ) 和江苏省高梭 科研崴善产业推迁工程项目f 项目焉号? j h b 0 6 - - 0 9 ) 的费助。 论文在朱一辛耐教授拍导下完崴。 在此特别感谢竹材工程研究中心关明杰张晓冬老坪在研览生生涯中对我学 习生活的拍导，关心和支糟。 还要对竹材工程研竟中心张齐生院士孙丰文蒋身学，许斌秦柃老弹的 支持拍导和帮助表示氟谢。 同时或镶我的师弟和师昧们以及挚友在论文试玲垃程中所给予的帮助。与虼 同时感谢文学里每一位老师和同学园为有了他们大学的学习与生活变得精彩， 有了他们生活多了一笔井生受量的财富。 最后特别感谢我的父母和家人多年来对我学习和生活上曲理解和支持。 范玉饥 二0 0 七年十二置于南京林业土学 1 前言 1 1 竹木复合的研究 1 1 1 我国森林资源及竹材资源概况 我国第六次全国森林资源清查结果表明，全国森林面积1 7 5 亿h m 2 ，森林覆盖率 1 8 2 1 ，森林蓄积量1 2 4 5 6 亿m 3 。与第五次清查结果相比：林地面积增1 5 9 6 8 万h m 2 ， 森林覆盖率增加1 6 6 个百分点，森林蓄积量增加8 8 9 亿i l l 3 。但我国的森林资源问题依旧 十分突出，我国森林覆盖率仅相当于世界平均水平的6 1 5 2 ，居世界第1 3 0 位：人均森 林面积仅o 1 3 2 h m 2 ，不到世界平均水平的1 ，4 ，居世界第1 3 4 位；人均森林蓄积9 4 2 1 m 3 ， 不到世界平均水平的1 6 ，居世界第1 2 2 位1 。 自古以来木材就与人类的生活息息相关，也是当今四大材料( 钢材、水泥、塑料、木 材) 中唯一可再生利用的绿色、环保材料1 3 j 。木材不仅具有优良的力学性能，还具有许多 其他功能。首先，木材的纹理给人以亲切、贴近自然、高雅的感觉。其次，木材是种多 孔材料，可以自动调节室内的湿度。研究表明，长期生活在木质环境中不仅对人的身体有 很大益处，还能延长人的寿命。最后，木材还是热的不良导体，用木质材料制造的房屋具 有冬暖夏凉的功能【4 5 】。木材的这些优良特性，使其深受人们喜爱，但我国木材资源严重 短缺，特别是1 9 9 8 年天然林保护工程的实施，使我国木材资源供应紧张，随着我国经济 的发展和人民生活水平的提高，人们对木材资源的需求有增无减，出现了木材供需矛盾日 益加剧的局面f 6 j 。 自1 9 9 8 年实施天然林保护工程以后，出现两种对比鲜明的状况并存的局面：一方面国 内木材资源以每年平均1 0 1 2 的速度递减，即从1 9 9 7 年原木产量6 3 9 5 万。下降到2 0 0 0 年的4 7 2 4 万o ；而另方面，我国迸1 2 1 木材却从1 9 9 7 年的4 4 7 i 万m3 ( 原木，尚不含锯材、 胶合板等林木产品) ，激增n 2 0 0 0 年的1 3 6 1 2 万m 3 ，增幅为2 0 4 5 【7 j 。值得注意的是，到 了2 0 0 1 年，这种木材资源一减一增的局面发生了变化。尽管进口原木仍呈增势，全年达到 了1 6 8 6 3 1 万n 1 3 ，但国产木材资源却开始回升，达到了5 1 0 0 万m j ，升幅为8 这5 1 0 0 万 m 3 的木材资源中，天然林木材产量仅, 占1 9 4 5 万o ，为3 8 1 ，大部分则是人工林木材，为 3 1 5 5 万o ，占6 1 9 。这说明我国在上个世纪中后期人工造林发挥了作m i s 。这就预示着 我国国内的木材资源供应将逐渐过渡到这样一种新局面，即由过去传统采伐天然林为主代 之以采伐人工林为主：其余木材供应缺口，仍由进口木材弥补，但木材进口量不会无限制 地逐年递增下去，而是基本上保持在每年进口2 0 0 0 多万矗的水平。也就是说，最终解决 我国木材资源紧缺问题的根本出路，还是要落实在我国国内人工林的种植与采伐上例。 在我国，竹材资源十分丰富，据统计全国竹类植物共有4 8 个属，5 0 0 多种类，全国现 有竹林总面积5 0 0 万h m 2 ，占世界竹林总面积的1 4 1 5 。我国是世界上竹类资源最丰富的 国家，竹子种类之多，分布范围之广，竹林面积之大，都居世界首位【l o l 。我国现有竹林 面积约4 0 0 万h m 2 ，其中经济利用价值较高的毛竹林面积约2 5 0 万h m 2 ，占世界毛竹总量的 9 0 以上。我国的竹材资源主要分布在黄河、长江以南1 4 个省、市、区的丘陵山区。其中 长江以南地区的竹种最多、生长最旺、面积最大1 1 i j 。 1 1 2 速生材和竹材的特点 速生材可以大量提供木材资源，然而由于速生人工林材性自身的特点，使它的加工利 用受到了严重的限制。速生杨木与天然林木材相比，木材材性上有较为明显的差异，这些 差异主要表现在密度低，细胞壁较薄，细胞腔较大，锯材强度和所生产人造板的胶合强度 较低；含有较高比例的应压木，管胞短，加工过程中易破裂；微纤丝角较大，纵向胀缩较 成熟材大，由于收缩率不同，导致速生杨木在各种加工过程中容易产生翘曲、变形和开裂。 杨木木材的密度较低，湿心材与边材材性差异大，芯材容易产生心腐【1 2 j 。速生杨木生长 年轮宽度较大，木材干缩率( 包括弦向、径向和体积) 较大，而晚材率和密度较小；在力学 性能方面，尤其是静曲强度、弹性模量、抗剪强度、顺纹抗拉强度和冲击韧性及硬度等较 小，因此在用于建筑结构用材时，明显地反映出其力学性能指标不如天然林中成熟的木材。 其主要原因在于速生杨木由于速生而轮伐期大大缩短，造成幼龄材比例较大，乃至微纤丝 角大，本素含量多，晚材率低。应力木较多以及管胞短和胞壁薄i u 】另外，速生杨木产 生湿心材的比例要比天然木材大，含水率不均匀，干燥时容易产生翘曲变形等缺陷。所以 很多场合，杨木都是跟其它材料复合使用，如用杨木单板作胶合板的芯板等。由于杨木的 强度低，因此，我们需要选一种强度较高的材料与之复合【j 4 】。 竹材细胞初生壁上微纤丝排列稀梳，交错成网状，层次很薄，相邻两细胞的初生壁与 孢间层紧密相连成复合胞问层；细胞次生壁呈宽窄交替的多层结构，宽层中微纤丝排列与 细胞轴向近于平行，而窄层中微纤丝的排列与细胞轴向近于垂直。这些结构致使竹材质地 坚硬，强度高。但同时竹材也有壁薄中空、径级小、出材率低、加工效率低等缺点【1 5 】。 竹材的资源丰富。强度也高，化学组成与杨木类似，是与杨木复合的理想材料。综合 上述考虑，研究竹木复合材料可有效的发挥竹材和速生木材各自的优良特性，充分利用竹 材强度高、韧性大的特点，结合速生木材质量轻、强重比大的特性，使其成为质轻高强的 新型工程材料。从生产角度上看，可以提高生产效率并大幅度降低生产成本，因此也是很 必要的【i q 。 1 1 3 国内外竹木复合材料的研究 竹木复合材料可有效地发挥木材和竹材各自的优良特性，通过科学的确定组合形式和 胶合工艺，能够获得既降低生产成本，又保证产品内在和外观质量的双重效果，具有极大 的发展潜力。竹木复合材料的研究和开发促进了竹材和人工速生林的优化利用，扩大了各 自的应用领域，同时缓解了木材的供需矛盾旧。 从材料分类的角度，竹木复合材料可以分为：( 1 ) 结构用竹木复合材料，主要用作工 程结构件使用，如竹木复合层积材，竹木复合结构用胶合板，竹木条定向成材等，可以用 来生产水泥模板，集装箱底板；( 2 ) 功能性竹木复合材料，主要用于装饰和家具材料，如 竹木复合空心板，竹木复合刨花板，竹贴面装饰板等。从竹种资源利用的角度来看，结构 2 用竹木复合材料主要利用大径级的竹材作为原料。目的是依靠竹材本身的实体强度，发挥 其出材率高的特点。一般采用竹条和木质单板或木条进行复合。而功能性竹木复合材料主 要利用小径级竹材。有效地利用资源，提高附加值，一般采用竹刨花( 或纤维) 与木材或木 刨花复合的形式”。 美国c l e m s o n 大学的a n d yw c l e e 等人对竹材增强南方松( p i n u ss p p ) 定向刨花板 ( o s s ) 的力学性能进行了深入的研究。研究结果表明；利用毛竹片增强o s b 柱材表瑟。 使其静曲强度和弹性模量均得到提高。研究还给出了预测材料静曲强度和弹性模量的计算 公式。他们还应用有限元法对毛竹增强南方松o s b 柱材的性能进行了分析1 1 9 1 。 日本s h i m a n e 大学研究人员对利用竹子和黄麻增强木材胶合板的机械性能进行了研 究。研究系用毛竹条和黄麻布夹在黄婆罗胶合板的上下层之间，并按不同角度配置缓坯胶 合。结果显示：竹条长度方向与胶合板单板的纹理成4 5 0 胶合时，其各项力学性能都有很 大提高，尤其是剪切强度提高最为显著，认为这种方法可以扩大应用到其它竹木复合材料 中。日本京都大学木质科学研究所的科研人员对竹木纤维复合材料的性能以及加工设备进 行了研究。研究采用异氰酸酯胶粘剂，探讨竹纤维和木纤维的不同混合比对复合材料板材 的物理力学性能的影响。结果表明：随着竹纤维比例的提高，板材的静曲强度、弹性模量 和线性膨胀率都有所改善。他们还研制了竹纤维和木纤维的干燥、施胶和板坯铺装的实验 室设备。另外，该所研究人员还利用有限元法对3 层竹木复合板的应力状态进行分析，结 果发现：板材的应力及其分布与竹木纤维的表、芯层分布比率有密切的关系1 2 0 1 。 无论竹木复合材料研究的范围还是深度，我国一直都处于世界的前列。南京林业大学 竹材工程研究中心近二十年来以张齐生院士为首的研究人员一直从事竹材材性、结构、物 理力学等应用研究以及竹材产品的开发，成功开发出价格低于木质集装箱底板、各项性能 符合使用要求的竹木复合集装箱底板。该研究是以毛竹和速生材马尾松为原料，应用正交 异性复合层板的弯曲理论，对竹木复合集装箱底板的结构和性能进行了理论设计和试验验 证。系统地研究了压缩率和成型工艺对竹木复合集装箱底板性能的影响，并与传统热带阔 叶树材底板的性能进行了对比分析。研究结果证明：采用合理的结构和工艺制造的竹木复 合板，其综合性能不低于阿必东胶合板底板【2 ”。南京林业大学竹材工程研究中心的研究 人员对汽车车厢底板用竹木复合板进行了研制。研究表明，竹木复合板的物理力学性能可 以达到l y 厂r1 0 5 5 2 0 0 2 汽车车厢底板用竹材胶合板的指标阱l 。同时南京林业大学的研 究入员对竹木复合的剪切强度进行了研究，研究表明试件的跨距是影响永平剪切强度测的 主要因素，水平剪切强度随跨距的增加而明显低，合理的跨距为板厚的4 倍 2 3 】。 西南林学院的研究人员对竹木复合中密度纤维板的生产工艺条件进行了研究。他们得 出了以下结论：竹木复合中密度纤维板的静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率随着竹木 混合比的增大而增大，而内结合强度在一定范围内随竹木纤维混合比的加大而降低，混合 比为l ：1 时，内结合强度最低。福建林学院的科研人员在实验室利用马尾松单板条与毛竹 竹黄篾片复合研制了平行定向成材 2 4 1 在以上研究中，竹材分别以竹片和竹纤维的形态存在于竹木复合的材料中，国内也有 人研究过竹材和木材分别以束状状的形式与木材复合的方式，在这种复合方式中，竹束的 制得是关键的一个环节。 南京林业大学的饶文彬在其硕士论文中，论述了木束和竹束的制作方法并研究了木 束和竹束混杂比和混杂形态变化时对力学性能的影响1 2 ”。 汪孙国等人研究了苦竹重组材加工过程中竹材的软化工艺条件对竹材力学性能、p h 值、自由基含量、显微构造及纤维素结晶度的影响，同时比较了采用不同软化工艺条件压 制的重组竹的物理力学性能。研究表明，碱液软化工艺可使竹材细胞间层产生明显分离， 有利于竹材的疏解，但过高的碱性又会显著影响苦竹自身物理化学性能和重组竹的物理力 学特性。获得外在质量与内在质量均较好的竹纤维束，保证重组竹的力学性能，理想的软 化工艺条件是。用3 n a o h 溶液沸煮竹材2 3 小时例。 1 2 预应力技术的应用 1 21 预应力在混凝土中的应用 预应力的思想是古老的，其基本原理早在古代就有所运用，例如木锯。木锯上绞紧的 绳索对锯条施加了一个预拉力使其能承受锯木运动中受到的重复变化的拉、压应力，从 而避免抗弯能力很低的锯条被压、弯折破坏l z n 。 上述理论直到1 9 世纪才被运用到混凝土中去，1 8 8 6 年美国工程师phj a c k s o n 和德 国的cew d o e h r i n g 先后把预应力技术应用到混凝土结构，但由于钢筋的应力松弛、混凝 t 的收缩及徐变很快就将所施加的低预拉应力损失掉【2 ”。直到1 9 2 8 年法国的e a g e n e f r e y s s i n e t 首次将高强度钢丝应用于预应力混凝土，才取得成功，并在2 0 世纪4 0 年代后得 到广泛应用与发展础i 。 预应力混凝土结构的工作原理是通过对混凝土结构合理布置并张拉预应力筋产生与 外荷载效应相反的等效荷载，该等效荷载可以抵消部分或全部外荷载，使结构受到的实际 剩余荷载明显减少，从而可实现当粱板跨度和所受外荷载相同时，截面尺寸明显减少；截 面尺寸和所受外荷载相同时，结构跨越的跨度明显增大的目的。预应力技术从工程实际应 用到现在才半个世纪多，但是由于预应力混凝土具有结构安全可靠、节约材料、自重较小、 构件的抗裂性好、刚度大等优点，得以迅速发展，应用范围越来越广泛，应用数量日益增 多唧引】。自1 9 3 7 年世界上出现了第一座预应力混凝土桥梁以来，预应力混凝土材料、预 应力体系、预应力工艺以及适用于各种结构的施工方法，都在预应力混凝土结构发展的过 程中得到不断发展、完善田j 。， 预应力混凝土具有很多优点，在国内外应用十分广泛，特别是在大跨度或重荷载结构， 以及不允许开裂的结构中，预应力技术也日臻完善。但随着科技的进步，施工技术、预应 力体系等的发展，预应力混凝土结构仍然发生着很大变化，各种新材料、新技术、新的设 计理念不断涌现【3 3 1 。 1 2 2 预应力在复合材料中的应用 由于预应力钢筋在混凝土中的作用，使人们想到纤维在复合材料基体中类似的作用， 但纤维与钢筋的性能有很大的差别，大多数纤维材料断裂延伸率小，不可能像钢筋那样来 4 实现预应力且纤维的抗剪能力较差因此在纤维上实现预应力是相当困难的也是人们 想制造和使用预应力纤维复合材料所需解决的一个关键问题j 。 m i l l s 和b r o w n 最早提出预应力纤维复合材料的设想，并且利用纤维在华氏零度的低 温下的变形使碳纤维预浸带弯曲，从而获得纤维复合材料的预应力。他们的这种办法是首 次在纤维材料上实现预应力的尝试，并以此获得了相应的预应力复合材睾斗1 3 5 矧。另一种纤 维预应力的方法是m a n d e r s ，c h i 和c h o u 得到的，他们利用静态应力集中因子低于动态 应力集中的现象，防止纤维破坏时应力波对邻近完好纤维的影响，达到提高材料强度的目 的。这些方法在实现预应力的工艺上比较复杂，而且预应力的可设计性差，不易控制实现 纤维的预应力大小【3 ”叭。t u r t l e 利用石墨纤维受热收缩的特点，得到了石墨纤维预应力复 合材料，可是大多数纤维没有受热收缩的特性，所以这种方法也没有普遍意义例 姚力宁提出了加捻纤维实现预应力的有效方法。同时分析了这种方法所产生的纤维预 应力效应以及对提高纤维复合材料强度方面所起的重要作用。在一般情况下，对于连续纤 维，适度的加捻常应用在纤维的生产过程中，以防止纤维散开，便于编织各种纤维布。这 类加捻纤维也常用在汽车轮胎的帘子布橡胶复合材料中，除了增强橡胶的作用之外，还 可提高轮胎的疲劳寿命，同时加捻纤维也广泛的应用在纺织产品之中。我们注意到，当纤 维适度加捻时，可以看到要有一个相当的拉力才能使纤维柬保持直线状态。如果移去此力， 纤维束就会产生卷曲【帅 4 l 】。纤维柬的这种性质，可用来制成纤维预应力复合材料。在这种 材料中基体材料由于受到纤维预应力的作用，固化之后的基体受到沿纤维柬方向的压力控 制，可防止聚合物基体中微裂纹的生成和扩展。由加捻纤维实现纤维的预应力是一种用于 制作预应力纤维复合材料的有效途径 4 2 1 。 1 3 课题的创新点和研究目的 本课题创新之处在于将竹束加捻产生的预应力应用于竹木复合单板层积材中。有了预 应力的存在，相当于在竹木复合材料未受载荷之前内部预先受到了压应力。由材料力学可 知，当受到外部载荷时，竹木复合材料内部单元就会形成与载荷方向相垂直的拉应力。由 于拉应力的存在就可以抵消部分或全部的外载荷，使整体结构受到的实际剩余载荷明显减 少，这样就可以增强结构的最大承受载荷。同时，胶粘剂固化之后，单板受到竹束加捻产 生的预应力的牵制，可防止竹木复合材料中微裂纹的生成和扩展。 竹子软化后经过碾压可以得到竹柬，同纤维相同，当竹束加捻时，可以看到要有一定 的拉力才能使竹柬保持直线状态，如果移去此力，竹束就会收缩卷曲。竹束的这一性质， 使制作具有预应力的竹木复合材料能够得以实现。在竹柬与木材胶接时，考虑把竹束加捻， 这样加捻竹束产生的预应力就永远的存在了竹木复合材料中。将预应力技术应用于竹木复 合材料，则在所用材料相同条件下，可以有效的提高材料的力学性能。而在相同的力学性 能条件，拥有预应力的竹木复合材料所用材料也将更加节省。 本课题的研究目的是验证竹束规捻所形成的预应力对竹木复合单板层积材的增强作 用。制作五种不同结构的竹木复合单板层积材，它们可分为含不加捻竹束的单板层积材和 含加捻竹束的单板层积材两类，通过对比分析两者力学性能阃的差别，考察竹束加捻所形 成预应力的增强效应。 1 4 课题的研究方法 由层合板理论可知，增强单板层积材表板的强度可有效提高整个单扳层积材的力学性 能，因而考虑在制作竹木复合单板层积材前首先制作一个竹束增强层，竹束增强层由竹束 和两层杨木单板组成。同时，因为竹束在增强层中所占比例较高，从而可以使预应力所形 成的影响更好的得以体现。增强层制作好以后与杨木单板复合最终制得具有预应力的竹木 复合单板层积材。 竹束的制作工艺影响着竹束的力学性能，而加捻所形成的预应力大小与竹束的力学性 能存在着关联，因而首先对竹束的制作方法进行研究。竹束的加捻方式与预应力的大小密 切相关在增强层中的竹束包括单股加捻和双股加捻，对比分析两种结构的增强层力学性 能选择较佳的竹束加捻方式。最后增强层与杨木单板组坯制作竹木复合单板层积材，测 试它们的力学性能，分析竹束加捻在竹木复合单板层积材中的增强效应。 课题的研究工作包括三个部分：竹束制作方法的研究；增强层中竹束加捻方法的分析 与选择竹木复合单板层积材的制作及分析。 141 竹柬制作方法的研究 竹束的制作流程： 竹f 截断一竹子劈裂一竹片软化一碾压疏解一竹束 试验中制作的竹束将进行加捻，所以制得的竹束疏解程度要高于重组竹重组中所需的 竹束形态。试验选用机械碾压制作竹柬，经过预试验，软化过的竹片需经过二十余次的碾 噬方可得到理想状态的竹束。竹片经低碱溶液处理后，多次碾压届竹片变成了粉碎状的 竹纤维。原因是碱液对纤维素以及木素产生了化学作用，发生了碱性润胀，破坏了原有的 组份比例与显微构造。使细胞产生裂缝或使细胞完全分离，这样虽对竹材疏解有利，但在 多次碾压的条件下得不到连续的竹束。同时，经过酸碱处理的竹片在碾压的过程当会腐蚀 机械因而本试验中竹片的软化处理不选用酸碱等方法的处理。 根据软化木材的方法，试验选甩孑四种用水软化处理竹材的方法：乱恒温水箱中煮沸 竹片2 小时：b 浸泡2 天后煮沸2 小时；c 室温( 2 5 ) 水中浸泡2 天；d 水中浸泡5 天。 通过对四种软化后所得竹束性能的评价选出较好的竹材软化方法。 1 4 2 增强层的制作工艺 增强层的制作流程： 叶束浸胶一竹束干燥 单板 ll 单板涂胶一单板干燥一竹束固定一竹柬加捻一组坯一热压一增强层 6 增强层上下层是杨木单板，中间部分是定向排列的加捻竹束。若竹束先加捻再浸胶， 则胶液不易进入竹束中间部位，因而竹束先浸胶，然后干燥加捻。加捻时竹束一端固定在 已涂过胶的单板上，手工加捻。 试验中制作四种结构的增强层：f l , 不含竹束的增强层；b 含无加捻竹束的增强层；c 含单股加捻竹束的增强层；d 含双股加捻的增强层。 c 、d 结构增强层与b 结构增强层的力学性能作比较，可以验证单股加捻的竹束和双 股加捻的竹束形成的预应力所产生的影响，从中选择出较好的竹束加捻工艺。 1 4 3 竹表复合l v l 的制作工艺 竹木复合l v l 的制作流程： 竹木复合增强层一组坯一热压一竹木复合单板层积材 t 单板 采用较好的竹束加捻工艺制作增强层，增强层与杨木单板组坯制作成最终的单板层积 材，观察预应力对单板层积材所形成的影响。 2 竹柬的制作与评价 竹子的秆茎由“竹皮”系统，基本系统和维管系统组成。维管束系统包藏于基本薄壁 组织之中，是竹子的输导组织与强固组织的综合体。竹子个体通常比较高大，为了保护输 导组织的畅通，在输导组织的外缘有比较坚韧的维管柬鞘组成的强固组织加以保护。在维 管束之间，则具有薄壁组织细胞，它们比较疏松，起缓冲作用。维管柬系统是竹子中力学 性能最优的部分，相当于混凝土中的钢筋1 4 s , 4 4 1 若对由竹子制成的竹片进行碾压，薄壁组 织因为比较疏松而先行破碎，就可以得到柬状的竹束。竹束由连续的维管束系统以及附着 其上的薄壁组织组成。 在试验中，将竹子轴向劈裂成竹片，在气干状态下碾压时，竹片易形成碎块状，因而 在碾压前需对竹片进行软化理。利用化学方法处理时，如碱液浸泡，对最终制得的竹束性 能影响较大且对加工机械有不利影响，因而在试验中选用水热方法处理竹片。 竹片经过不同方式处理用滚压机反复滚压，直至使竹片滚压成为纵向相连横向分散的 竹束。 建立竹束的形态与力学性能评价标准，对所得竹束进行这两方面的评价，依据评价结 果从不同的处理竹片方法中选取较优一种处理方法。 2 1 竹束的制作方法 2 1 1 试验材料与设备 试验材料：采用浙江地区产毛竹( p h y l l o s t a c h y s p u b e s c e n s ) ，5 年生。 试验设备：y z - 2 8 滚压机，压辊改装； m 壬w 6 0 0 数显三用恒温水箱，江苏荣华仪器制造有限公司生产； 1 0 1 一l 型电热干燥箱，上海实验仪器总厂生产； w z l 一3 0 0 纸张拉力仪，杭州轻通仪器开发公司生产： b x 5 1 型放大镜，o l 、7 m p u s 公司生产。 2 1 2 试验方法 竹子截断长为4 0 c m 的竹筒，轴长方向上用劈刀将竹子劈成5 m m 左右宽度的竹片。 滚压竹片前先进行软化处理。竹材软化不足与竹材中的木纤维软化不好有关，也与半 纤维素湿胀程度小，纤维素和木素之间联接太强有关。竹材软化的最终目的是使薄壁细胞 易撕裂，而最大程度的保持维管束的力学性能。 高分子物理中的自由体积理论指出。物体的体积包括已占用的体积和未被占用的体 积组成，未被占用的体积可以成为周围分子链段的活动空间，称为自由体积。当降低材料 温度时，自由体积逐渐减少，当温度降低到一定值时，自由体积降至最小值，使材料进入 玻璃态，在玻璃态下，分子之间的链段和自由体积都处于被冻结状态，因此当材料的温度 小于玻璃化转变箍度时，分子只能进行正常的膨胀，而且膨胀的空间有限；当提高材料的 8 温度时，自由体积逐渐增大，当温度大于玻璃化转变温度时，分子具有足够的能量，将加 速分子的热运动，自由体积也就随之解冻，并参与到整个材料的膨胀过程中1 4 5 删。 竹材中的自由体积主要存在于细胞壁中，细胞壁中的三大组成成分中，纤维素所占的 比重最大，而纤维素又分为结晶区和非结晶区，这两个部分都是由葡萄糖基为基础的形式 联接而成的分子链，只是分子链间的关系不同。而半纤维素和木素则都是非结晶物质，所 以访材在这一点上具备了玻璃化转交温度的条件。纤维素的结晶区是没有玻璃化转变的， 这是由于结晶区中的晶胞具有晶体性质，在高温下可呈熔融状态，在低温时可被溶剂溶解， 所以想改变其状态，则必须克服结晶区中分子链之间的范得华力和氢键的作用力才行，因 而试验中不作此方面考虑 4 7 , 4 s 1 。 软化处理，即在高温和高含水率作用下，半纤维素和木素分子链链段的活动能力得到 增强，因而将产生不同程度的塑化，使纤维素和木素之问部分联接松弛，提高竹材整体的 塑性。竹材中水分的存在是一种比较好的增塑剂，可以大大提高木材的塑性变形，当木材 的含水率大于纤维饱和点以上时，体积膨胀达到最大，也是竹材滚压的最佳状态。 试验中采用四种不同的软化方法：乱恒温水箱中煮沸竹片2 小时；b 浸泡2 天后煮沸 2 小时：c 室温( 2 5 ) 水中浸泡2 天；d 水中浸泡5 天。 在竹片的软化过程中伴有不同的现象发生：a 恒温水箱中煮沸竹片2 小时，水色呈现 深褐色，无异味；b 浸泡2 天后水煮2 小时，经此方法处理后水中有异味，水色呈现褐色： c ，室温( 2 5 c ) 水中浸泡2 天，水中有异味发出，浸泡水体变为浅褐色；d 水中浸泡5 天， 水中有强烈异味，水色呈现深褐色，水面有膜状物质，水中有絮状物。 软化后的竹片不作任何处理立即在滚压机中滚压，因带有明显竹节的竹子滚压时易在 竹节处断裂，所以尽量选用节子不明显的竹片滚压。滚压机的调节螺栓固定，上下辊闻间 距o 1 l m m 。竹片在经过处理后进行滚压，每片滚压2 5 次，每次滚压三片。滚压完毕竹 片大致疏解，纵向相连横向已分散。滚压的同时去除竹青和竹黄，避免胶合时它们产生的 不利影响。将已滚压的竹束挤出水分，放入烘箱烘干，之后放入塑料袋中密存。 利用b x 5 1 型放大镜观察已制作好的竹丝横截面，图2 1 所示是竹丝横截面放大2 0 0 倍后的形态图。从图中可以看出，竹丝a 经过滚压内部已经有裂缝出现，而竹丝b 依然完 好。 a 圈2 1 竹丝横截面放大图 9 b 2 2 竹束性能的评价 竹柬的分离程度和力学性能是影响竹束应用的两个主要方面，因而从这两方面着手对 竹束进行评价。竹束的分离程度引用纤维和纺织品测试技术中的细度来表述。竹束在本试 验的应用中主要受拉力作用，因而只测试其的抗拉力学性能。 2 2 j 1 竹束的细度 引用纤维和纺织品测试技术中的细度来评定所得竹束的分离程度。 2 2 1 1 纤维的细度及其表征方法 纤维细度是影响纱线性质最重要的因素之一。纤维细度在很大程度上影响纺织品的弯 盐刚性、悬垂性以及手感。在纱条密度一定时，纤维越细，纺制的纱线越均匀而纱线的 均匀度又影响到纱线强力、织物外观以及在纺纱织造过程中纱线的断头率嗍。 纺织纤维不论是天然的还是化学的，其细度和截面形状都有很大的不同。羊毛和一 些化学纤维的截面是圆的，棉、麻、丝以及另一些化学纤维的截面是不规则的。纤维的细 度曾定义为它的直径大小，但这只能用于圆形截面的纤维，对于椭圆或其它不规则截面的 纤维用直径来表示细度则没有意义。因此，在工业生产及科学研究中出现了一些其他表示 纤维细度的方法。其中最常用的是用单位长度的重量，即线密度来表示细度。其法定单位 是特【克斯】( t e ，【) 及其倍数单位”川 特【克斯1 ( t e x ) 俗称号数，是指纤维在公定回潮率下，1 0 0 0 m 长度所具有的质量，因此 i t e x = i o 6 k g m = l m g m 2 2 1 2 竹束的细度测试及结果 打散并均匀分布已制备好的经四种不同方法处理过的竹束。分别随即取出三束，在其 中间部位截取1 0 c m 长的试样，注意在取试样时，尽量取竹肉中间部位的竹束并去除竹黄 和竹青。称重，数出竹丝数目。竹束a 、b 、c 、d 的细度测试结果如表2 1 所示。 表2 1 竹柬的细度 续表2 1 竹束的细度 2 2 2 竹丝的抗拉力学性能 2 2 2 1 竹丝的扳牡睦能表征 竹束的力学性能主要由维管束来承担，两与附着在维管束上的薄壁细胞组织关系不 大。竹丝指剥离了附着其上的杂质的维管束，竹柬的力学性能可由竹丝体现，测试竹丝的 力学性能即可。作为木质材料的增强体，竹束在l v l 增强层中受拉或受压。竹束所能承 受的载荷由竹丝的力学性能决定。试验中测试竹丝的抗拉性能。 维管束横截面形态不规则，因而滚压所得竹柬中的竹丝横截面形状不一，有的近似长方 形，有些近似椭圆，还有的近似圆形，但同一根竹丝上不同位置的横截面基本一致。同时， 若均取位于竹束中间位置的竹丝作为测试试件，则竹丝的密度基本相同。 依据以上所述，假设竹丝的密度一致，同一根竹丝的横截面上下相等，则有： 由( 1 ) 、( 2 ) 式得： p ：曼 s s v 旦 l p 三 尸；生坐 m ( 1 ) ( 2 ) 式中：p 一竹丝抗拉强度； f 一竹丝断裂时拉力： s 一竹丝的横截面积： 矿一竹丝的体积： 三一竹丝的长度； 膨一竹丝的质量； p 一竹丝的密度。 由( 3 ) 式可知，测出竹丝的质量、长度、断裂时的拉力，若知道竹丝的密度即可求出 竹丝的抗拉强度。但竹丝的密度难以测定，同时只需比较不同方法间的相对大小即可，不 必测出具体的绝对值。为了更为直观的比较值的相对大小，文中假设竹丝的密度为l g c m 3 2 2 2 2 竹丝的抗拉性能测试及结果 竹丝较细，难以夹住两端进行拉伸。试验中，将竹丝两端用热熔胶分别固定在两块木 单板上制成试验试样。这样就可以利用纸张拉力仪测试竹丝试件的抗拉强度。试件式样如 图2 2 所示，长方形所示是薄木片。阴影是固化的热熔胶，中间的线条代表竹丝。 r 叫 r 7 4 ，1 1r 一 图2 2 试件式样示意图 图2 - 3