CN104612328B - 多孔竹材复合材矩形结构构件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是多孔竹材复合材矩形结构构件及制备方法，其结构是最外层的矩形筒为竹材复合材矩形筒，矩形筒内部有不少于5个空心原生竹筒，其中一个A空心原生竹筒直径大于其它空心原生竹筒的直径，其它空心原生竹筒直径相等，A空心原生竹筒位于矩形筒内的正中央，其它空心原生竹筒对称分布在矩形筒内侧的角落附近，空心原生竹筒之间是通过连接件相连成竹筒群，竹筒群用绳状物捆绑；矩形筒和空心原生竹筒之间的缝隙内是生物质填充料或者由生物质填充料和塑料粉碎料形成的混合料。优点：选材广泛，制作方便，该种建筑构件具有自重轻、刚度大、延性好、自恢复能力强、经济性能好、抗震性能优越等优点，可应用于土木建筑结构领域中的受压或受弯构件。
Description
技术领域
本发明涉及的是多孔竹材复合材矩形结构构件及制备方法，属于土木工程技术与材料科学领域。
背景技术
随着国家转变经济发展方式进程的加快，发展低碳经济作为国家的快速推进，对天然林和人工育林的保护政策将愈加严厉，木材的供给量和结构构件对其需求量之间的矛盾将愈加突出，以木材为原料的结构构件的发展空间将大大压缩，而生物质材料构件的推出，为有效的保护森林资源提供了方向。
我国盛产竹子，且拥有量和品质均居世界首位，竹子可再生、可降解，一般3-5年即可成材，竹材的抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度约为木材的1.5倍，竹材的比强度高于普通木材、结构用钢材、铝合金、混凝土等，竹材具有较好的弹性和韧性，变形能力强，以竹材及其与其他材料组成的复合材料代替混凝土、钢材或粘土砖等建造房屋，符合“十二五”规划部署的重大任务——“绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会”的根本要求，也符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》确定的节能降耗、开发利用农林生物质资源的重点领域及优先主题。
多孔竹材复合材矩形结构构件市场前景广阔。随着我国木质构件行业的高速发展，木材原料的供应不足越来越成为制约我国木质构件发展的一个主要因素。寻求木材的替代材料成为我国木质构件发展急需解决的问题。而应用具有质优价廉，环保、低污染，可循环利用等特性的多孔竹材复合材矩形结构构件来代替木材原料构件必然有广阔的市场空间。
发明内容
本发明提出的是多孔竹材复合材矩形结构构件及制备方法，其目的旨在结合生物质材料的特性将我国蕴藏量丰富的农林生物质资源应用到土木建筑结构构件中，达到节省矿产资源，保护森林，保护环境的目的。
本发明的技术解决方案：多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，最外层是矩形筒（1），该矩形筒（1）为竹材复合材矩形筒或FRP矩形筒，矩形筒（1）内部有不少于5个空心原生竹筒（4），其中一个A空心原生竹筒（4）直径大于其它空心原生竹筒（4）的直径，除A空心原生竹筒（4）外的空心原生竹筒（4）直径相等，A空心原生竹筒（4）位于矩形筒（1）内的正中央，其它空心原生竹筒（4）对称分布在矩形筒（1）内侧的角落附近，包括A空心原生竹筒（4）在内的其它空心原生竹筒（4）之间是通过竹质连接件或木质连接件（3）相连成竹筒群，竹筒群用绳状物（6）捆绑，也可以不捆绑；矩形筒（1）和空心原生竹筒（4）之间的缝隙内充满生物质填充料（2）。所述的空心原生竹筒（4）除了能形成空心减轻自重外，也是重要的受力组成部分。竹材复合材矩形筒也可以用FRP矩形筒替代。
本发明的优点：选材广泛，制作方便，该种建筑构件具有自重轻、刚度大、延性好、自恢复能力强、经济性能好、抗震性能优越等优点，可应用于土木建筑结构领域中的受压或受弯构件，对缓解我国木材、耕地、煤炭等资源短缺和生态环境恶化的压力具有重要意义。
附图说明
附图1a-1是多孔竹材集成材矩形结构构件图，竹材集成材内的所有竹片沿长度方向相互平行。
附图1a-2是用绳状物捆绑竹筒群的多孔竹材集成材矩形结构构件图，竹材集成材内的所有竹片沿长度方向相互平行。
附图1b-1是多孔竹材集成材矩形结构构件图，竹材集成材内的所有竹片沿长度方向相互垂直。
附图1b-2是用绳状物捆绑竹筒群的多孔竹材集成材矩形结构构件图，竹材集成材内的所有竹片沿长度方向相互垂直。
附图2-1是多孔竹材重组材矩形结构构件图。
附图2-2是用绳状物捆绑竹筒群的多孔竹材重组材矩形结构构件图。
附图3-1是多孔竹材集成材和竹材重组材复合矩形结构构件图。
附图3-2是用绳状物捆绑竹筒群的多孔竹材集成材和竹材重组材复合矩形结构构件图。
附图4-1是多孔FRP生物质材料塑料粉碎料复合矩形结构构件图。
附图4-2是用绳状物捆绑竹筒群的多孔FRP生物质材料塑料粉碎料复合矩形结构构件图。
图中的1是矩形筒、2是生物质填充料、3是竹质连接件或木质连接件、4是空心原生竹筒、5是塑料粉碎料、6是绳状物。
具体实施方式
对照附图，多孔竹材复合材矩形结构构件，其结构是最外层是矩形筒（1），该矩形筒（1）为竹材复合材矩形筒，矩形筒（1）内部有不少于5个空心原生竹筒（4），其中一个A空心原生竹筒（4）直径大于其它空心原生竹筒（4）的直径，除A空心原生竹筒（4）外的空心原生竹筒（4）直径相等，A空心原生竹筒（4）位于矩形筒（1）内的正中央，其它空心原生竹筒（4）对称分布在矩形筒（1）内侧的角落附近，包括A空心原生竹筒（4）在内的其它空心原生竹筒（4）之间是通过竹质连接件或木质连接件（3）相连成竹筒群，竹筒群用绳状物（6）捆绑，也可以不捆绑；矩形筒（1）和空心原生竹筒（4）之间的缝隙内充满生物质填充料（2）。所述的空心原生竹筒（4）除了能形成空心减轻自重外，也是重要的受力组成部分。竹材复合材矩形筒也可以用FRP矩形筒替代。
所述生物质填充料（2）包括麦秆、稻草、玉米秆、高粱秆、豆秆、辣椒秆、油菜秆、亚麻秆、芦苇秆、棉秆和/或废弃的木材及其碎屑。
所述生物质填充料（2）包括农作物的叶、秆、茎和/或所有木质材料，生物质填充料（2）均经过烘干脱水处理。
所述矩形筒（1）具备足够的抗拉抗剪强度，具体的量值与其分担的外界荷载产生的应力有关，要由实际结构设计计算确定；如果用FRP矩形筒代替，FRP矩形筒的厚度不小于10mm，竹材复合材矩形筒壁厚度不小于20mm。
所述的生物质材料（2）或者生物质填充料（2）和塑料粉碎料（5）形成的混合料通过胶黏剂（酚醛胶或者落叶松单宁树脂胶，或者其他不含甲醛的生态胶）均匀混合而成。
所述的塑料粉碎料（5）是工业或日常生活的塑料瓶罐粉碎成的碎料，碎料规格：长度20mm-40mm、宽度2mm-6mm、厚度0.2mm-2mm；塑料粉碎料表面无粉尘和油污。
所述的空心原生竹筒（4）除了能形成空心减轻自重外，也是重要的受力组成部分。空心原生竹筒（4）为3-6年生的笔直原竹筒，所述的竹质连接件由原生竹片加工而成；所述的木质连接件由树枝或废弃的木材边角料加工而成；原竹筒和竹质连接件或木质连接件均经过干燥。
所述竹筒群内，其它空心原生竹筒与A空心原生竹筒之间的径向竹质连接件或木质连接件连接长度相等，其它空心原生竹筒与A空心原生竹筒之间的平行竹质连接件或木质连接件连接长度相等。
其制备方法，包括以下步骤：
第一步，选择符合建筑设计承载力要求的笔直的原竹筒；制作竹质连接件或木质连接件，原竹筒与竹质连接件或木质连接件均经过烘干脱水；
第二步，选择不少于5个的原生空心竹筒，其中一个A原生空心竹筒的直径大于其它原生空心竹筒，其它原生空心竹筒直径相等，将A原生空心竹筒布置在中间，其它原生空心竹筒均匀对称布置在A原生空心竹筒周围，并用竹质连接件或木质连接件连接起来，形成竹筒群；竹筒群用绳状物捆绑，也可以不捆绑；
第三步，制作竹材复合材矩形筒（可以是竹材集成材矩形筒或竹材重组材矩形筒或竹材集成材和竹材重组材复合矩形筒）和FRP矩形筒：
制作竹材集成材矩形筒：
① 将选择好的3-6年生的原竹筒分割成相同宽度和长度的原竹片，去青去黄后进行脱水或干燥（含水率不超过12%），然后对其进行涂胶（采用酚醛胶，固含量在30%左右），在适当温度（150℃左右）和压力（5MPa左右）下，通过压力机将其压制成符合结构设计要求的竹材集成板材（厚度不小于20mm）；
② 按设计的尺寸切割成四个长条状矩形竹材集成材板材条；
③ 将四块竹材集成材板材条通过胶黏剂（酚醛胶）和钉子组合到一起，形成竹材集成材筒；
制作竹材重组材矩形筒：
① 将选择好的3-6年生的原竹筒分割成固定长度和宽度的竹片，去青去黄后经齿形辊碾压后呈横向不断裂、纵向较松散的竹篾，竹篾的初含水率10% ~ 12%；然后放在自行设计的常压高温热处理箱进行190℃左右高温热处理，接着浸胶，竹篾浸胶量为8% (绝干重量之比) , 浸胶后竹篾干燥温度70℃, 干燥至含水率不超过12%；将竹篾全纵向组胚装入模具，热压采用“热进冷出”工艺, 压力4. 5MPa, 温度140℃，通过压力机将其压制成符合建筑设计要求的竹材重组材型材，再将竹材重组材型材制作成较宽的竹材重组材板材（厚度不小于20mm）；
② 将型材切割成板状材，然后按设计的尺寸加工成竹材重组材筒；
由前述两种材料可以自由组合，制作竹材集成材和竹材重组材复合矩形筒；所述的矩形筒既可以全部由竹材集成板材通过胶和钉子组成，也可以全部由竹材重组板材通过胶和钉子组成，还可以同时由这两种材料通过胶和钉子组成；
如果采用FRP矩形筒，FRP矩形筒由构件实际分担的荷载根据设计计算确定，并由工厂制作完成（厚度不小于10mm）；
第四步，将用竹质连接件或木质连接件连接起来的竹筒群固定在矩形筒内，并使直径较大的原生空心竹筒位于矩形筒正中央；
第五步，将生物质原料自然风干或烘干（含水率不超过12%）后，经农用铡草机或锤片式打碎机或专用粉碎机粉碎，然后进行碾磨；将生物质材料或者塑料粉碎料和生物质材料混合料用胶（酚醛胶或者落叶松单宁树脂胶，或者其他不含甲醛的生态胶）拌合均匀，填充到竹材复合材筒和原生空心竹筒之间的空隙里，并振捣密实，进行养护；
第六步，养护完毕，将两端裁切整齐，即为所要求的多孔竹材复合材矩形结构构件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，最外层是矩形筒（1），该矩形筒（1）为竹材复合材矩形筒或FRP矩形筒，矩形筒（1）内部有不少于5个空心原生竹筒（4），其中一个A空心原生竹筒（4）直径大于其它空心原生竹筒（4）的直径，除A空心原生竹筒（4）外的空心原生竹筒（4）直径相等，A空心原生竹筒（4）位于矩形筒（1）内的正中央，其它空心原生竹筒（4）对称分布在矩形筒（1）内侧的角落附近，所有的空心原生竹筒（4）之间是通过竹质连接件或木质连接件（3）相连成竹筒群，竹筒群用绳状物（6）捆绑；矩形筒（1）和空心原生竹筒（4）之间的缝隙内充满生物质填充料（2）；所述的空心原生竹筒（4）除了能形成空心减轻自重外，也是重要的受力组成部分。
2.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述竹材复合材矩形筒是竹材集成材矩形筒或竹材重组材矩形筒或者竹材集成材和竹材重组材复合矩形筒。
3.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述生物质填充料（2）包括麦秆、稻草、玉米秆、高粱秆、豆秆、辣椒秆、油菜秆、亚麻秆、芦苇秆、棉秆和/或废弃的木材及其碎屑。
4.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述生物质填充料（2）包括农作物的叶、秆、茎和/或所有木质材料，生物质填充料（2）均经过烘干脱水处理。
5.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述矩形筒（1）具备足够的抗拉抗剪强度，具体的量值与其分担的外界荷载产生的应力有关，要由实际结构设计计算确定；如果用FRP矩形筒替代，FRP矩形筒的厚度不小于10mm，竹材复合材矩形筒壁厚度不小于20mm。
6.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述的空心原生竹筒（4）除了能形成空心减轻自重外，也是重要的受力组成部分；空心原生竹筒（4）为3-6年生的笔直原竹筒，所述的竹质连接件由原生竹片加工而成；所述的木质连接件由树枝或废弃的木材边角料加工而成；原竹筒和竹质连接件或木质连接件均经过干燥，含水率不超过12%。
7.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件，其特征在于，所述竹筒群内，其它空心原生竹筒与A空心原生竹筒之间的径向竹质连接件或木质连接件连接长度相等，其它空心原生竹筒与A空心原生竹筒之间的平行竹质连接件或木质连接件连接长度相等。
8.如权利要求1所述的多孔竹材复合材矩形结构构件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，选择符合建筑设计承载力要求的笔直的原竹筒；制作竹质连接件或木质连接件，原竹筒与竹质连接件或木质连接件均经过烘干脱水；
第二步，选择不少于5个的原生空心竹筒，其中一个A原生空心竹筒的直径大于其它原生空心竹筒，其它原生空心竹筒直径相等，将A原生空心竹筒布置在中间，其它原生空心竹筒均匀对称布置在A原生空心竹筒周围，并用竹质连接件或木质连接件连接起来，形成竹筒群；竹筒群用绳状物捆绑或不捆绑；
第三步，制作竹材复合材矩形筒或FRP矩形筒：
制作竹材集成材矩形筒：
① 将选择好的3-6年生的原竹筒分割成相同宽度和长度的原竹片，去青去黄后进行脱水或干燥，含水率不超过12%，然后对其进行涂胶，采用酚醛胶，固含量在30%左右，在温度150℃和压力5MPa下，通过压力机将其压制成符合结构设计要求的竹材集成板材，厚度不小于20mm；
② 按设计的尺寸切割成四个长条状矩形竹材集成材板材条；
③ 将四块竹材集成材板材条通过胶黏剂酚醛胶和钉子组合到一起，形成竹材集成材筒；
制作竹材重组材矩形筒：
① 将选择好的3-6年生的原竹筒分割成固定长度和宽度的竹片，去青去黄后经齿形辊碾压后呈横向不断裂、纵向较松散的竹篾，竹篾的初含水率10% ~ 12%；然后放在自行设计的常压高温热处理箱进行190℃左右高温热处理，接着浸胶，竹篾浸胶量为8%，该比例为绝干重量之比,浸胶后竹篾干燥温度70℃, 干燥至含水率不超过12%；将竹篾全纵向组胚装入模具，热压采用“热进冷出”工艺, 压力4. 5MPa, 温度140℃，通过压力机将其压制成符合建筑设计要求的竹材重组材型材，再将竹材重组材型材制作成较宽的竹材重组材板材，厚度不小于20mm；
② 将型材切割成板状材，然后按设计的尺寸加工成竹材重组材筒；
由前述两种材料自由组合，制作竹材集成材和竹材重组材复合矩形筒；
所述的矩形筒全部由竹材集成板材通过胶和钉子组成，或由竹材重组板材通过胶和钉子组成，或由这两种材料通过胶和钉子组成；
FRP矩形筒由构件实际分担的荷载根据设计计算确定，并由工厂制作完成；厚度不小于10mm；
第四步，将用竹质连接件或木质连接件连接起来的竹筒群固定在矩形筒内，并使直径较大的原生空心竹筒位于矩形筒正中央；
第五步，将生物质填充料自然风干或烘干至含水率不超过12%后，经农用铡草机或锤片式打碎机或专用粉碎机粉碎，然后进行碾磨；将生物质填充料用酚醛胶拌合均匀，填充到竹材复合材矩形筒和原生空心竹筒之间的空隙里，并振捣密实，进行养护；
第六步，养护完毕，将两端裁切整齐，即为所要求的多孔竹材复合材矩形结构构件。
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