CN101870132A - 一种竹梁的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑材料的制作方法，公开了一种可作为木料替代品的竹梁的制作方法。它采用生长周期短竹木为原料，低碳环保，使得竹梁的大量可持续生产成为可能；由于采用纵向错位、横向叠接压片方法，每相邻竹片两端接缝均错位布置，胶合而成的竹梁具有强大的韧性，相对于传统的木梁，其抗压性、抗拉性、抗弯性能均有很大的提升。非常适合作为传统木梁的替代方案，符合当前世界范围内所提倡的低碳环保的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑材料的制作方法，尤其涉及一种木料替代品的制作方法。
背景技术
目前建筑材料中不可或缺的木料一般取材于林木，随着世界区域内城市化建设的加快，大量森林和林木区的树木被砍伐用于提供建筑木料，造成水土流失、自然地理生态恶化等灾害性生态破坏。为了寻找树木的替代品，来减少对原生树木的过度砍伐造成的环境破坏，立足于建筑业的木制品建筑商有责任承担下一代木料替代品的研究与制作工作。
在长期的研究与制作工作中，发现由竹制品制成的复合木材，在经过特殊的工艺加工后，能够得到比纯木梁抗压抗拉性能更好的一种非常韧性的胶合竹复合制品。
而且，由于竹复合制品的强度以及快速的再生周期，采用竹质材料来制作建筑业中需求广泛的竹梁，用于传统木梁的替代方案，显得非常符合当前世界范围内所提倡的低碳环保的要求。
发明内容
本发明针对建筑业中由于大量使用木料造成森林和林木区的树木被砍伐，直接导致水土流失、自然地理生态恶化等灾害性生态破坏影响的缺点，提供了一种传统木梁的替代方案，即采用生长周期短、低碳环保的竹木为原料的竹梁的制作方法，采用本制作方法制作而成的竹梁具有比纯木梁更好的抗压性、抗拉性、抗弯性、线弹性性质。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种竹梁的制作方法，包括以下步骤：
第一步：取一段竹管，沿其自然竹纤维界面纵向劈开形成若干块竹片；
第二步：加工去除每块所述竹片外部的竹节和竹青、内部的竹黄，修平所述竹片；
第三步：干燥所述竹片；
第四步：对所述竹片的内外表面涂上胶水，使所述竹片内外表面具有粘性；
第五步：将涂有胶水的竹片放置于压机上进行纵向错位压片，压成长方体形状的竹片板；
第六步：将所述压出的竹片板两端的多余部分锯平；
第七步：取所述压好锯平的若干竹片板，表面涂上胶水，将涂有胶水的竹片板依次放置于压机上进行横向压片，最后压成长方体形状的竹片厚板；
第八步：将所述压出的竹片厚板两端的多余部分锯平；
第九步：取所述压好锯平的若干竹片厚板，表面涂上胶水，依次放置于压机上进行横向压片，最终形成基础竹梁；
第十步：将所述压出的基础竹梁两端的多余部分锯平，六面用砂光机砂光或手工抛光；
第十一步：在所述基础竹梁表面上涂上油漆，形成最终的竹梁。
采用本技术方案来对竹片进行胶合粘结，由于采用纵向错位、横向叠接压片方法，每相邻竹片两端接缝均错位布置，最终胶合而成的竹梁具有强大的韧性，抗压性、抗拉性、抗弯性能均有很大的提升。
作为优选，所述第五步中的纵向错位压片中，所述竹片纵向布置成多个层，一个所述层在下一个层之上，所述上下相邻层的每个竹片两端粘接缝错位布置；所述第七步中的横向压片中，所述竹片板在水平方向上前后叠接成多个层，前后相邻层的竹片板之间的每个竹片两端粘接缝错位布置；所述第九步中的横向压竹片厚板中，所述竹片厚板在水平方向上前后叠接，前后相邻层的竹片厚板之间的每个竹片两端粘接缝错位布置。
作为优选，所述第一步中劈开形成的竹片厚度为0.5-0.9厘米、宽度为1.5-3厘米、长度为100-400厘米。
进一步地，所述第一步中劈开形成的竹片厚度为0.6-0.7厘米、宽度为2-2.5厘米、长度为200-300厘米。
作为优选，所述第五步压成的竹片板的长度为3-10米。
进一步地，所述第五步压成的竹片板的长度为7米。
作为优选，所述第七步中所取的竹片板为4-8块。
进一步地，所述第七步中所取的竹片板为6块。
作为优选，所述第七步和第九步中的压片方法为热压，压片温度在100-120摄氏度之间。
进一步地，所述第七步和第九步中的压片方法为热压，压片温度在110-115摄氏度之间。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：采用生长周期短竹木为原料，低碳环保，使得竹梁的大量可持续生产成为可能；由于采用纵向错位、横向叠接压片方法，每相邻竹片两端接缝均错位布置，胶合而成的竹梁具有强大的韧性，相对于传统的木梁，其抗压性、抗拉性、抗弯性能均有很大的提升。非常适合作为传统木梁的替代方案，符合当前世界范围内所提倡的低碳环保的要求。
附图说明
图1是本发明第五步所述竹片纵向错位布置的示意图。
图2是本发明第七步所述竹片板横向叠接布置的示意图。
图3是采用本发明方法制作的竹梁的效果示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图3与实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例一种竹梁的制作方法，包括以下步骤：
第一步：取一段竹管，沿其自然竹纤维界面纵向劈开形成若干块竹片1；
第二步：加工去除每块所述竹片1外部的竹节和竹青、内部的竹黄，修平所述竹片；
第三步：干燥所述竹片；
第四步：对所述竹片1的内外表面涂上胶水，使所述竹片1内外表面具有粘性；
第五步：将涂有胶水的竹片1放置于压机上进行纵向错位压片，压成长方体形状的竹片板2；
第六步：将所述压出的竹片板2两端的多余部分锯平；
第七步：取所述压好锯平的若干竹片板2，表面涂上胶水，将涂有胶水的竹片板2依次放置于压机上进行横向压片，最后压成长方体形状的竹片厚板；
第八步：将所述压出的竹片厚板两端的多余部分锯平；
第九步：取所述压好锯平的若干竹片厚板，表面涂上胶水，依次放置于压机上进行横向压片，最终形成基础竹梁；
第十步：将所述基础竹梁上多余压出的部分锯平，六面用砂光机砂光或手工抛光；
第十一步：在所述基础竹梁表面上涂上油漆，形成最终的竹梁。
本实施例中，所述第五步中的纵向错位压片中，所述竹片1纵向布置成多个层，一个所述层在下一个层之上，所述上下相邻层的每个竹片1两端粘接缝错位布置；所述第七步中的横向压片中，所述竹片板2在水平方向上前后叠接成多个层，前后相邻层的竹片板2之间的每个竹片1两端粘接缝错位布置；所述第九步中的横向压竹片厚板中，所述竹片厚板在水平方向上前后叠接，前后相邻层的竹片厚板之间的每个竹片两端粘接缝错位布置。
本实施例中，第一步中劈开形成的竹片厚度为0.5-0.9厘米、宽度为1.5-3厘米、长度为100-400厘米。优选方式是：竹片厚度为0.6-0.7厘米、宽度为2-2.5厘米、长度为200-300厘米。
本实施例中，第五步形成的竹片板的长度为3-10米，优选为7米。
本实施例中，第七步中所取的竹片板为4-8块，优选为6块。
本实施例中，第七步和第九步中的压片方法为热压，压片温度在100-120摄氏度之间，优选为110-115摄氏度之间。
采用本发明方法制作的竹梁线弹性性质优良，抗压性、抗拉性、抗弯性均优于传统的木梁，非常适合作为传统木梁的替代方案。
下面通过几组试验方案来说明本发明方法制作的竹梁的优良性能。
1.胶合竹材横纹抗压试验
(1)试验对象
本试验对象为采用本发明方法制作的胶合竹试件，共9块。
(2)试验目的
通过对9块胶合竹块进行横纹抗压试验至破坏：
实验前测量试块体积及重量，给出该批胶合竹的密度；
给出该批胶合竹的横纹抗压比例极限强度及极限强度；
给出该批胶合竹的横纹抗压弹性模量的参考值；
通过试验结果对实际工程中所用的胶合竹提出建议。
(3)试验设备
| 项目 | 电子数显卡尺 | 电子称 | WA-200型微机控制电液伺服万能试验机 | 针插式含水率测量器 | 信号收集及处理系统 |
| 数量 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
(4)试验方案
试验前在采用电子数显卡尺测量试块三边尺寸，并采用电子称测量试块重量；将试块放于试验机加载块中央，试块上下垫上厚钢板，并在其上抹上机油帮助润滑；试验时以均匀速度加载，在1±0.5分钟左右试样达到破坏，记录破坏荷载；试验中随着轴向压力增大，位移增大，测量出位移—力曲线；试验后运用含水率测量器测定试样的含水率。
(5)试验结果及分析
本试验过程中随着荷载的增加，试块发生挤压变形，最后破坏始于胶合竹片之间相互脱开或者始于竹材中的竹节部分，最终造成试块破坏。
本次试验共有9个试块，试验过程中试验仪器自动记录比例极限强度及极限强度，同时因国内无此类试验的标准可循，故试验后按照极限强度的20％及30％对应的应力及应变计算得出该段的弹性模量，最终得到的各试件的抗压强度和弹性模量见下表。
该批胶合竹材的密度数据与横纹承压试验共同统计，列于下一试验方案中。
各试块横纹抗压比例极限强度值、极限强度值和弹性模量值
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 横纹比例极限强度(Mpa) | 15.8 | 18.4 | 15.5 | 16.4 | 17.4 | 16.3 | 16.9 | 18.6 | 20.8 |
| 横纹极限抗压强度(Mpa) | 20.4 | 24.4 | 19.4 | 22 | 21.7 | 22.5 | 22.7 | 24.1 | 26.9 |
| 弹性模量(Mpa) | 1004 | 1174.3 | 1147.1 | 963.6 | 942.2 | 978.3 | 1060.1 | 1095.7 | 1113.7 |
从上表可以计算出该批胶合竹横纹抗压比例极限强度最小值为15.5MPa，最大值为20.8MPa，平均值为17.34MPa，变幅为5.3MPa。
该批胶合竹横纹抗压极限强度最小值为19.4MPa，最大值为26.9MPa，平均值为22.68MPa，变幅为7.5MPa。
该批胶合竹横纹抗压弹性模量最小值为942.2MPa，最大值为1174.3MPa，平均值为1053.22MPa，变幅为232.1MPa。
本次试验(横纹抗压试验)及顺纹抗压试验前均块测量了试块的体积及重量，可以得出该批胶合竹的密度值，可见下表。
各试块密度测量值
| 顺纹试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 密度(kg/m3) | 640.3 | 648 | 637 | 697.9 | 640 | 694.8 | 694.9 | 641.3 | 637 | 647.6 |
| 横纹试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| 密度(kg/m3) | 613.1 | 699.6 | 698.5 | 614.4 | 650.1 | 655.8 | 658.4 | 663.9 | 696.5 |
本试验的其它各项统计数据见下表。
试验各项数据统计
| 项目 | 横纹抗压比例极限强度 | 横纹抗压极限强度 | 横纹抗压弹性模量 |
| 平均值(MPa) | 17.34 | 22.68 | 1053.22 |
| 最小值(MPa) | 15.5 | 19.4 | 942.2 |
| 最大值(MPa) | 20.8 | 26.9 | 1174.3 |
| 标准差(MPa) | 1.7 | 2.2 | 84.7 |
| 变异系数(％) | 9.8 | 9.7 | 8 |
试验记录曲线如下图表明，胶合竹在试验开始阶段处于不断压紧过程，此阶段将原本胶合竹构件中的微小间隙压实；之后进入弹性阶段，曲线呈现良好的直线状态，此阶段承载力大约从极限承载力的5％至55％，故在计算弹性模量时采用极限强度的20％及30％对应的应力及应变计算；下一阶段随着加载力的小幅增加，位移极具变化，最终达到极限强度。
胶合竹顺纹抗压试验典型位移—力曲线
(6)建议
从本次胶合竹横纹抗压试验的结果来看，在压实阶段后胶合竹材呈现较好的线性形式，说明其弹性性质较稳定；同时达到抗压极限强度时已经发生较大的位移，故建议采用比例极限强度作为该批胶合竹材的强度参考。
2.胶合竹梁横纹抗拉试验
(1)试验对象
本试验对象为采用本发明方法制作的胶合竹构件试件，共10片。
(2)试验目的
通过对10片竹材进行横纹轴向拉伸试验至破坏：
给出该批竹材的横纹抗拉极限强度；
通过试验结果对实际工程中所用的胶合竹材提出建议。
(3)试验设备
| 项目 | WA-200型微机控制电液伺服万能试验机 | 信号收集及处理系统 |
| 数量 | 1 | 1 |
(4)试验方案
试验前在试件中央选择三处测量试样的宽度和厚度；将试样两端夹紧在拉伸机的钳口中，保证试样竖直地安装在试验机上；试验时以均匀速度加载，在0.5±0.5分钟左右试样达到破坏，记录破坏荷载。
(5)试验结果及分析
本试验实际共有10个试件，其横纹抗拉强度和各项试验统计数据见下表。
各试件横纹极限抗拉强度值
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 横纹极限抗拉强度(Mpa) | 4.7 | 5.8 | 6 | 6.1 | 5.3 | 4.8 | 5 | 6.6 | 6.6 | 6.5 |
各项数据统计
| 项目 | 横纹抗拉极限强度 |
| 平均值(MPa) | 5.74 |
| 最小值(MPa) | 4.7 |
| 最大值(MPa) | 6.6 |
| 标准差(MPa) | 0.7 |
| 变异系数(％) | 12.2 |
典型试验记录曲线如下图表明，胶合竹横纹受拉试验过程中保持良好的线性性质，随着拉力不断增加，变形呈线性增加，最后破坏为脆性破坏。曲线表明加载起始阶段为受压力，这是因为钳口夹紧后对试件产生一定的压力所致。曲线表明竹材具有良好的线弹性性质，但是其破坏往往发生在一瞬间，属于典型的脆性破坏，并且其承载力很小。
胶合竹材横纹受拉典型变形—荷载曲线
(6)建议
从胶合竹材横纹受拉试验加过看，其承载力极低，实际设计中应该避免出现横纹受拉的情况。
3.胶合竹梁抗弯试验
(1)试验对象
本试验对象为采用本发明方法制作的胶合竹构件，该胶合竹构件由竹片构成，竹片之间采用胶进行粘合。该构件在实际结构中主要为受弯构件，故本试验对胶合竹梁进行抗弯加载。
本试验的试验对象为5根2.01米长胶合竹梁，其中部分胶合竹梁运到试验室后发现有肉眼可见的缺陷，主要为小竹片之间有空隙。
因胶合竹梁加工精度问题，胶合竹梁尺寸有些许差异。本试验竹试件实际尺寸经测量后列于下表。
胶合竹试件尺寸
| 试件编号 | 试件长度(mm) | 截面高度(mm) | 截面宽度(mm) |
| 1 | 2017 | 201 | 74 |
| 2 | 2017 | 201 | 74 |
| 3 | 2012 | 201 | 73 |
| 4 | 2015 | 203 | 74 |
| 5 | 2014 | 201 | 75 |
从上表看出，各胶合竹梁试件最大截面高度为203mm，最大截面宽度为75mm，最大长度为2017mm。
(2)试验目的
对2.01米长胶合竹梁进行两点分级加载，加载至最终抗弯极限承载力，以达到如下目的：
分别得到5根胶合竹梁的的抗弯极限承载力；
分别得到5根胶合竹梁的弹性模量；
通过试验结果对实际工程中的构件承载力提出建议。
(3)试验设备
| 项目 | 32t液压千斤顶 | 位移计 | 信号采集箱 | 信号收集及处理系统 |
| 数量 | 1 | 5 | 2 | 1 |
(4)试验方案
因试验需两点加载，故采用分配梁进行加载，见下图。
加载示意图
加载方式采用无冲击影响的逐级加荷方式。预加载P0＝10kN，之后卸载至0。
正式加载时取P1＝20kN，P2＝40kN，加载时速度控制在10kN/min，P1时记录5个位移计读数，P2时记录5个位移计读数，之后再卸载到P1，记录读数，如此往复6次，均做好位移记录。
之后按每级ΔP＝20kN加载直至破坏，加载时速度控制在10kN/min，每加一级荷载稳定1分钟左右时间后再进行下一级荷载的加载，同时记录5个位移计的读数。
为保证试验人员及设备安全，在荷载加载至80kN时把5个位移计撤下，之后进行加载，直至最终破坏。
(5)试验步骤
首先将胶合竹梁加载加支座处标记，然后将胶合竹梁试件置于加载支架中，放置于两个滚轴支座处，支座对齐，之后将钢分配梁安放到胶合竹梁上方，同样安放好支座，尺寸对齐。之后再放置油压千斤顶于分配梁中间。最后装载5个位移计，保证位移计竖直对中。
试验开始后先加载至10kN，测试各个位移计工作正常后，卸载至0，位移计调零；之后加载至20kN，稳定后记录各位移计读数，再继续加载至40kN，稳定后记录位移计读数，之后卸载至20kN，记录读数，如此反复6次，均记录好位移读数。然后直接加载至60kN、80kN，稳定后均做好记录。此后将各位移计取下，加载继续至竹梁破坏。
(6)试验结果及分析
本试验共有5根竹梁，各竹梁的极限抗弯强度及抗弯弹性模量和各性能的统计参数见下表。
各竹梁的极限承载力
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 极限抗弯强度fm(MPa) | 62 | 74.4 | 74.9 | 69.5 | 73.5 |
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 抗弯弹性模量(MPa) | 36673.2 | 41914.8 | 40609.2 | 42590.4 | 36696.2 |
试验各项数据统计
| 项目 | 极限抗弯强度 | 抗弯弹性模量 |
| 平均值(MPa) | 70.9 | 39696.8 |
| 最小值(MPa) | 62 | 36673.2 |
| 最大值(MPa) | 74.9 | 42590.4 |
| 标准差(MPa) | 5.4 | 2840.4 |
| 变异系数(％) | 7.6 | 7.2 |
典型荷载-跨中挠度曲线
根据试验加载所得曲线(见上图)所表明，在整个试验过程中，随着加载力的增加，胶合竹梁跨中挠度逐步增大，同时曲线呈现良好的线性，表明材料具有良好的线弹性，但从试验结果的统计数据可以看出各个构件的数据还是有一定差距，表明此种材料本身离散型比较大，加载至80kN后已经发生较大的挠度，此时，为保证试验人员及设备的安全，挠度不再进行测量，之后加载至最大承载力后破坏，可以发现破坏均发生梁中部纯弯段，表明发生弯曲破坏，同时梁破坏时为脆性破坏。
(7)建议
从本次胶合竹梁抗弯试验的结果来看，该批次胶合竹材具有良好的线弹性性质，破坏模式为脆性破坏，各试验数据有较大离散程度，故建议结构设计时应该取足够的抗力分项系数。
经过上述三组试验方案，数据表明，采用本发明方法制作的竹梁线弹性性质优良，抗压性、抗拉性、抗弯性均优于传统的木梁，非常适合作为传统木梁的替代方案，非常符合当前世界范围内所提倡的低碳环保的要求。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种竹梁的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：取一段竹管，沿其自然竹纤维界面纵向劈开形成若干块竹片；
第二步：加工去除每块所述竹片外部的竹节和竹青、内部的竹黄，修平所述竹片；
第三步：干燥所述竹片；
第四步：对所述竹片的内外表面涂上胶水，使所述竹片内外表面具有粘性；
第五步：将涂有胶水的竹片放置于压机上进行纵向错位压片，压成长方体形状的竹片板；
第六步：将所述压出的竹片板两端的多余部分锯平；
第七步：取所述压好锯平的若干竹片板，表面涂上胶水，将涂有胶水的竹片板依次放置于压机上进行横向压片，最后压成长方体形状的竹片厚板；
第八步：将所述压出的竹片厚板两端的多余部分锯平；
第九步：取所述压好锯平的若干竹片厚板，表面涂上胶水，依次放置于压机上进行横向压片，最终形成基础竹梁；
第十步：将所述压出的基础竹梁两端的多余部分锯平，六面用砂光机砂光或手工抛光；
第十一步：在所述基础竹梁表面上涂上油漆，形成最终的竹梁。
2.根据权利要求1所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第五步中的纵向错位压片中，所述竹片纵向布置成多个层，一个所述层在下一个层之上，所述上下相邻层的每个竹片两端粘接缝错位布置；所述第七步中的横向叠接压片中，所述竹片板在水平方向上前后叠接成多个层，前后相邻层的竹片板之间的每个竹片两端粘接缝错位布置；所述第九步中的横向叠接压竹片厚板中，所述竹片厚板在水平方向上前后叠接，前后相邻层的竹片厚板之间的每个竹片两端粘接缝错位布置。
3.根据权利要求1所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第一步中劈开形成的竹片厚度为0.5-0.9厘米、宽度为1.5-3厘米、长度为100-400厘米。
4.根据权利要求3所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第一步中劈开形成的竹片厚度为0.6-0.7厘米、宽度为2-2.5厘米、长度为200-300厘米。
5.根据权利要求1所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第五步压成的竹片板的长度为3-10米。
6.根据权利要求5所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第五步压成的竹片板的长度为7米。
7.根据权利要求1所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第七步中所取的竹片板为4-8块。
8.根据权利要求7所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第七步中所取的竹片板为6块。
9.根据权利要求1所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第七步和第九步中的压片方法为热压，压片温度在100-120摄氏度之间。
10.根据权利要求9所述的一种竹梁的制作方法，其特征在于：所述第七步和第九步中的压片方法为热压，压片温度在110-115摄氏度之间。
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