重组竹材料的应用研究

重组竹材料的应用研究

0铺镇竹楼—前言绿色建筑的概念是在整个建筑的使用寿命周期内，最大限度地节约消耗的资源，环境保护和环境保护，为人们提供健康、适用和高效的空间，实现人与自然的和谐。随着我国绿色建筑评价体系的完善和绿色生态设计的深入,越来越多的绿色建筑开始涌现出来。安吉县递铺镇竹园区的科技竹楼(见图1)就是这样一座具有代表性的绿色建筑。该建筑位于毛竹科技园区内,区块占地面积2000m2,建筑面积278m2,充分展现出毛竹现代科技园区对绿色建筑低碳和节能的理解。该楼体上到屋顶瓦片,下到地板家具全部采用的是新型建筑材料———重组竹。安吉是全国闻名的竹乡,竹材资源丰富,发展重组竹材料不仅具有独特的先天优势,还能打造出鲜明的地域特色。重组竹材料又称竹材重组材,或者简称重组竹,是一种将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料。从20世纪80年代后期起,南京林业大学、中国林科院木材工业研究所、浙江林学院和浙江林业科学研究院等单位就开始着手研究。生产重组竹材料的竹材利用率高,可达到90%以上,这样既可持续生产,又可有效地保护环境。本文结合工程实例介绍这种新型材料的性能特点,生产工艺及其应用。1重组竹材质根据竹材小单元颜色和组成的不同,重组竹材料可分为本色、碳化色和斑马纹等。本色重组竹的竹材小单元未经调色处理,利用竹材本来的颜色制成;碳化色重组竹则将竹材小单元进行碳化处理,使它具有棕褐色(即碳化色),然后热压而成(见图2);斑马纹重组竹是将本色竹篾与碳化色竹篾按一定规律混搭组胚热压而成,使重组竹的颜色、纹样具有小鞋木豆(俗称斑马木)的纹理材色效果。重组竹材料具有天然木质感,表面有木材导管状的细沟槽,表面纹理有的似直条状的径切纹,有的似山形的弦切纹。还有小节状的涡纹,自然流畅,富于变化。材料触感与木材相近,温暖可亲,滑爽宜人。该种材料还具有加工便利的优势,厂家可利用通用的木材加工设备和工艺对重组竹进行加工。重组竹家具的结构完全可以采用传统的家具榫接合,也可采用现代的连接件结构(见图3)。可用木工胶胶合,胶合性能良好,涂装工艺与使用的涂料与木家具相同。经过工艺处理的重组竹材料(小径竹)的性能见表1。重组竹材料还具有耐水、不变形等优点,据实验测定,其24h吸水厚度膨胀率仅为0.4%,优于欧洲标准Enpr13329规定的不大于2.0%的要求。游离甲醛释放量在0.4mg/L以下,已达到欧美绿色标准ASTME1333要求。材料性质与高档的红木相近,是一种名符其实的绿色环保材料。同时,重组竹的物理力学性能还可通过结构、制造工艺进行调节,使其符合使用的需要。本科技竹楼工程内部的家具均由重组竹材料制成(见图3)。2竹材生产的成功2.1主要原材料2.1.1生产下脚料的方法重组竹材原料来源广泛,可利用各种竹子。本次工程采用的为安吉本地特产竹龄4年以上的毛竹和先前生产其它竹集成材余下的竹梢、竹片等下脚料。这一点在安吉地区具有非常重要的意义。安吉是全国竹制品生产的重要基地之一,许多竹席、竹帘生产中都会产生废竹丝,可以用来作为生产重组竹材料的原料,实现废物利用,符合生态环保循环利用的绿色建筑理念,也符合绿色建筑中最为强调的“节材”思想。2.1.2传统知识胶质干燥后的竹材单元需要进行浸胶,一般胶粘剂采用的均为酚醛树脂等,胶的固含量为25%~45%。但由于这些传统的醛类胶粘剂在生产和使用中会释放出甲醛等有害物质,不利于人体健康,更不符合绿色建筑“以人为本”的宗旨。所以,本次工程选用的胶粘剂是对环境影响较小的水性环保聚氨酯胶粘剂。2.2工艺目前重组竹材料的生产工艺主要包括热压、碳化热压等(见图4)。(1)竹材的去青技术由于原竹天然长成的外形不规则,且其本身表面含有蜡质层,不利于胶合,所以为保证胶合强度,在竹材料生产中都会有去青这道工序。通常大径竹如毛竹等,采用去青机去青,而小径竹、薄壁竹采用旋转的钢丝轮去青。本科技竹楼工程由于材料关系,采用的是去青机去青,但是笔者发现用此种方法去青会在生产过程中产生大量的加工废料,使竹材的利用率较低。而根据笔者研究调查,某些新型的去青工艺,例如竹片表面等离子去青和微波去青等方法虽然效果良好,但是设备成本过高。如何在减少成本的同时保证较高的竹材利用率,将是未来去青工艺研究的一个重要方向。(2)由竹束向竹丝束焊接法将成竹制成长条状竹材小单元,是重组竹生产中的重要工序之一,有劈篾、拉丝、疏解等多种制作工艺方法,具体要根据原料的特点和重组竹产品的质量要求来决定。劈篾拉丝是指将成竹截段,去青去黄后,剖成竹篾或竹丝,此种方法多用于大口径竹,如毛竹等。而疏解则是将成竹开片、剖分、去青、软化后进行纵向辗压制成碎裂状竹丝束,竹丝束纵向不断裂,横向松散而交错相连,竹材纤维排列方向得以保持。这种工艺方法通常用于小径竹或是薄壁竹。以本科技竹楼工程为例,由于选取的原材是口径大、竹壁厚的毛竹,故采用的是劈篾拉丝的工艺方法,制成的竹材单元———竹篾,每片的断面尺寸为宽8~20mm、厚0.8~1.2mm、长16~40mm不等。(3)竹材单元的分析竹材碳化工艺是为了使生产的重组竹能呈现棕褐色。科技竹楼工程由于设计需求,建筑材料需用深色,所以需将竹材单元进行碳化处理。在劈篾剖丝后,将竹篾或竹丝、竹丝束放在碳化炉中,用0.3MPa左右压力的蒸气处理60~90min,不仅能使竹材中的淀粉、蛋白质分解,使蛀虫及霉菌失去营养来源,同时还能杀死虫卵及真菌,延长竹材寿命。(4)竹材干燥工艺竹材干燥是重组竹材料生产中不可缺少的一个重要环节。由于竹材本身各向异性的特点及其固有的节间组织,如干燥不好势必造成开裂等各种缺陷。但是,竹材的干燥不同于木材干燥,竹片纤维排列整齐,厚度较木材小,在对流干燥过程中不会产生像木材那样的扭曲变形和开裂现象。因此,总体来说,竹材干燥工艺比木材干燥要简单得多,既不需要喷蒸加湿,也不需要用复杂的温度曲线来控制。传统的竹材干燥工艺包括自然干燥和窑干法。研究发现,一般篾型竹材单元可以高温快速干燥,采用连续升温、分段加大热风风量的干燥基准,最终含水率达到8.0%时,其干燥周期仅为14h。而定型干燥可采用热压法,对竹片在适当的压力条件下进行加温和排湿,并间歇地使其压力解除,让竹片排湿和自由收缩,以加快竹片的水分蒸发,并防止由于干缩应力而产生的横向开裂。此外,还需注意竹片本身自有的含水率和密度相关,且随竹龄和立地条件不同呈较大差异,应具体情况具体分析。科技竹楼工程的竹材单元在碳化后,其含水率为35%~50%,而后采用60~70℃的温度连续干燥72~84h,便使其含水率达到了10%~15%这一较为理想的状态。值得注意的是,一般干燥工艺中不宜采用超过70℃的温度,否则竹片会因干燥速度过快而产生翘曲变形。(5)竹、竹丝浸胶的含胶量按胶与竹材小单元按1∶(5~6)的比例投料浸胶。竹篾、竹丝浸胶的含胶量为8%~15%。浸胶的竹材小单元在30~45℃温度下烘干3~5h,使其含水率达12%左右。(6)热压时间和温度重组竹生产的最后一道工序为热压处理,将装模的板胚在热压机上进行热压固化,一般热压温度为110~160℃,压力为10~100MPa,压力不宜太小,最好在50MPa以上,热压时间依板坯决定。加热使竹材软化,并在高压下使竹材小单元密实,同时使胶粘剂充分固化。重组竹型材的外形轮廓依模具而定,通常压制成方材,也可直接压制成一定断面形状的柱状规格。其形状需要进行剖分锯解,加工利用。2.3竹束加工和浸胶有研究表明,重组竹生产中直接关系产品质量的工序主要有竹材单元制作工艺、重组竹材料的浸胶工艺、组坯工艺和热压工艺。这几道工序采用的方法直接影响到重组竹材料的力学性能。(1)通过对竹束加工效果的对比分析和对竹束预处理的研究,了解到碾压疏解机对竹束的加工效果最好;对竹束表面进行砂光处理,可提高重组竹材的力学性能,而对竹束进行高温碳化处理则会降低重组竹材料的胶合性能。(2)通过对重组竹材浸胶工艺的研究,浸胶时间的改变对竹束浸胶量影响较小;增大浸胶压力,可以较大的提高竹束的浸胶量。随着竹束浸胶量的降低,重组竹材料的物理力学性能呈下降趋势。(3)组坯竹束全部使用条状竹束可使重组竹板材的密度变异系数达到最小,混合使用条状竹束和片状竹束的密度变异系数次之,全部使用片状竹束重组竹板材的密度变异系数最大。(4)竹种、胶黏剂固含量、热压温度和密度等对重组竹的物理力学性能具有明显影响。其中以重组竹的密度影响最大,当密度从0.83g/cm3增大到1.05g/cm3,重组竹材的各项力学性能也会随之提高。3重组竹材料进一步节约科技竹楼工程设计为体现绿色建筑节材的理念,将竹楼所有梁、柱、墙及附件全部采用重组竹材料,约节约水泥40t、节约钢筋10t。为实现这一目标,相应地就会有诸多方面的要求。3.1墙骨柱构造设计要点现代木结构的主要结构形式包括“梁柱结构体系”和“轻型木结构体系”2种,两者各有特点,本工程为充分发挥竹材轻质高强的特点,借鉴了这2种结构体系成功的经验,将结构体系总体上设计成为采用梁柱+搁栅-墙骨柱构成的多约束、多传力路径的受力体系。根据GB50005—2003《木结构设计规范》,构造设计要点如下:(1)承重墙的墙骨柱采用材质等级为Vc及其以上的规格材;非承重墙的墙骨柱则可采用任何等级的规格材。墙骨柱间距不大于600mm。承重墙的墙骨柱截面尺寸通过计算确定。此外,墙骨柱在墙体转角和交接处给予加强,转角处的墙骨柱数量不少于2根。(2)墙体底部设置底梁板或地梁板,底梁板或地梁板在支座上突出的尺寸不大于墙体宽度的1/3,宽度不小于墙骨柱的截面高度。顶部设置顶梁板,其宽度不小于墙骨柱截面的高度。承重墙的顶梁板宜不少于2层,非承重墙的顶梁板设置为单层。(3)当墙面板采用木基结构板材作面板、且最大墙骨柱间距为400mm时,板材的最小厚度为9mm;当最大墙骨柱间距为600mm时,板材的最小厚度为11mm。(4)竹楼屋盖,可采用由结构规格材制作的、间距不大于600mm的轻型桁架。桁架的截面通过计算确定,并设置可靠的锚固和支撑。3.2连接件、螺栓安装节点连接是木结构最关键的问题之一,构件的连接处理应保证强度、传递荷载外,还应防止构件开裂,并在设计和构造节点上允许收缩或膨胀。本次工程参考木结构常用的连接方式,选择了螺栓连接这一适合承受较大内力的连接方式,对主要构件节点使用金属连接件和螺栓进行了详细设计。(1)柱与基础节点。将柱脚插入高250mm、厚8mm的矩形钢筒内,采用2个M16对拉螺栓在2个方向对竹柱与钢筒进行固定,以保证地震作用下上部结构与基础间不发生错动。(2)墙骨柱与基础的连接节点。每根墙骨柱通过2片对称角钢实现与基础的连接,竹墙骨柱与L形角钢之间通过钉接固定。L形角钢与基础通过M12锚栓固定。(3)柱与梁的连接节点。柱四周通过螺栓固定连接钢板,在其外侧焊接U形托以实现对竹梁的支撑。梁端伸入U形托后,通过螺栓固定梁的位置。其它连接节点设计类似,总体来说,这些节点的设计可满足各类复杂节点连接要求,传力路径明确,同时预加工金属连接件保证了结构的安装速度和质量,还具有良好的抗震性能。3.3外墙隔声