工程用竹方材研究现状与展望∗

黄 彬 方长华 刘焕荣 陈 林 陶仁中 费本华

（1.国际竹藤中心，北京 100102；2. 中集新型环保材料股份有限公司, 广东 东莞 523579)

木材具有质轻、高强、美观、加工容易、加工能耗小等优点，被广泛应用于土建工程、家具和室内装修等领域。改革开放以来，我国木材加工行业迅猛发展，已成为世界最大的木材采购国家之一。据统计，进口木材合计（原木和锯材、原木材积）从2016 年的0.90 亿m3增长到2019 年的1.09 亿m3，呈持续增长态势。其中，建筑木方作为建筑行业的大宗供应材料之一，其对外依赖度超过50%[1]。

我国拥有丰富的竹材资源，共计34 属837 种[2]。竹材具有轻质、高韧、高强特性[3-4]，如果能够将竹材加工制造成竹方，用以替代建筑木方，必将节约大量的木材以及其他社会资源，为建设资源节约型和建筑绿色施工提供新的思路。本文对建筑模板用木方材进行概述，并对竹质复合方材的研究进展进行整理分析，以期为建筑竹方材、竹规格材等设计提供思路。

1 建筑木方研究现状

1.1 建筑木方概况

建筑施工中，钢筋混凝土的浇筑成型普遍采用竹胶板或大型木模板等，模板的支撑和固定需要大量的楞梁-木方。目前，我国的建筑木方材主要依靠进口，树种有辐射松、铁杉、云杉、花旗松、樟子松等，价格为1 300～2 000 元/m³。木方长度规格有2、3、3.5、4 m等，其截面尺寸主要有38 mm×88 mm、50 mm×100 mm、100 mm×100 mm等几种[5]。在施工中，建筑木方需二次刨削才能使用，且因其强度低、易翘曲变形、折断、腐朽等，难以回收使用，60%属于一次性使用，造成木材资源的大量浪费[6]。同时，由于木方质量不稳定，给标准化、规范化、安全施工和管理带来诸多不便[7]。

图1 为柱模板中建筑木方的使用示意图。竖楞（木方）按照设计的间距要求排列在混凝土模板用胶合板（面板）外面，与柱箍（圆钢管）和对拉螺栓一起组成混凝土模板工程系统[8]。

图1 柱模板中建筑木方使用示意图Fig.1 The schematic diagram of the use of building shuttering square timber in column formwork

1.2 建筑木方相关规范

在组模施工中，根据JGJ162—2014《建筑施工模板安全技术规范》、GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》和GB50005—2017《木结构设计标准》

1.3 建筑木方替代品

目前，用于建筑模板支撑的除建筑木方外，还有混凝土模板用木工字梁（详见GB/T 31265—2014）。有关建筑木方的研究主要集中在木方用料计算[5]和木方替代产品研究方面。对替代品的研究主要聚焦于钢背楞模板[10]、铝合金模板[11]、木塑木方[12]等。其中，钢方材和铝合金模板成本较高、重量较大、运输和安装过程复杂，仅在大型建筑工程中使用。近年来，国内企业以竹材为原料，制备竹方材替代建筑木方，并初步投入使用。

2 竹材单元形态

竹材有“植物钢铁”之美誉，具有轻质、高强、高弯曲延展性等优良性能，其顺纹抗拉强度、抗压强度均优于木材[13-16]。竹材具有成为环保性建筑结构材料的优越条件，适合开发成梁、柱、椽、桁架、墙体等承载结构构件[17]。但竹子自身尖削状的中空锥形壳体结构，使其无法像木材那样直接进行开料或刨削[18-19]，常常需要加工成不同的形态，制成各类竹质工程材料，或与木材等其他材料进行复合加工，制成竹基复合材料。

竹材不同的单元形态对竹质复合板方材的生产制造方式有影响，同时也决定复合板方材的物理力学性能与生产成本。表1 为常见的不同类型的竹材单元形态。

表1 不同类型的竹单元Tab.1 Different types of bamboo units

目前制造竹质工程材料，竹材利用率较高的竹单元有径向竹篾、梳解竹束、竹刨花，能较好保持竹材原态的有弧形竹片、高温软化竹展平材。其中，梳解竹束、竹刨花制造竹质工程材料施胶量大，弧形竹材目前的工业化程度较低，高温软化竹展平材生产设备的投入和成本相对较高。

3 全竹复合板方材

全竹复合板方材是指由竹单元经干燥后施胶、组坯、热压制备而成的竹质人造板。不同的竹单元和组坯方式能获得性质各异的竹质人造板。如竹单板层积材（Laminated Bamboo Lumber，简称LBL）、胶合竹材（Glubam）、平行竹束层积材（Parallel Strand Bamboo，简称PSB)、弧形竹片重组竹方材等，其中前3 种是常用的结构工程材料[29-30]。

3.1 竹单板层积材

竹单板层积材是将竹筒剖分后，碾压成竹束，制成竹束单板，由竹束单板压制而成的竹板材[31]。Mahdavi等[32]将竹竿切成长度81.3 cm的竹段，采用砂光方式去除竹青表面的蜡质层后将竹筒纵向劈开，再用捶击的方式将剖分开的竹片捶成竹丝相连的碎竹片状，然后用砂光机对竹黄表面进行砂光处理。为防止压制过程中竹材层分离，试验中用尼龙线对竹材进行横向捆绑，采用有竹青侧贴竹黄侧的对称组坯方式，压制LBL，制得的板材弹性模量（MOE）最大值达到10 543.76 MPa。陈复明等[25]利用帚化梳解竹束制备竹束单板层积材。其工艺流程为：将竹筒横截成1.35 m长的竹段，然后纵剖成等大的4 片竹片，去除竹节竹青后帚化疏解（5～7遍）成竹束，再将竹束编织成竹束单板，浸泡酚醛树脂（PF）胶黏剂后组坯热压即制得竹束单板层积材，板材性能达到结构单板层积材160E优等品的标准。

3.2 胶合竹材

胶合竹材实质是一种竹席胶合板，与建筑用竹席水泥模板的生产方式类似。生产流程主要为：破料→削篾→编帘→干燥→浸胶→烘干→铺装→预压→热压→冷却→锯边→包装。制备的板材裁切后，经梳齿、接长，可冷压胶合成所需的胶合竹方材[33]，此类加工方式也可为建筑竹方材的制作提供思路。

3.3 平行竹束层积材

平行竹束层积材是将竹材压碎成竹纤维束，烘干至含水率5%～10%，经胶黏剂（如PF胶）浸渍压制而成的板材或者方材。平行竹束层积材的竹材利用率可达80%[34]。在PSB生产过程中，要求用分子量2 000～3 000、固体含量45.59%、黏度36 mPa·s、pH 10～11的酚醛树脂（PF）进行微波固化，PF树脂用量控制在PSB干重的15%左右[35]。研究表明，竹纤维束处理温度为170 ℃时，PSB的抗压强度最大[36]。

3.4 弧形竹片重组竹方材

弧形竹片重组竹方材是将竹筒剖分后的弧形竹片铣削成内弧半径和外弧半径相等，然后将弧形竹片按照竹青面贴竹黄面以弧形相同的朝向组坯热压制成板材，再将数层板材表面加工平整后同向叠放，热压成具有不同厚度的板材或方材[37-39]。其加工流程如图2所示。

图2 弧形竹片重组材加工流程Fig.2 Manufacturing process of natural arc-bamboo laminated lumber

弧形竹片加工中，不考虑加工余量时，竹材利用率为83.99%，考虑加工余量时，竹材利用率为63.83%。弧形竹片加工利用率是矩形竹片的1.5～2倍[20]。弧形竹片加工过程中，影响竹材利用率的因素有：刀具半径、竹材厚度、竹材直径、竹筒剖分份数、竹筒的截距。竹材的剖分份数越多，竹筒的截距越短，竹材的利用率越大。当竹材直径为100～120 mm，厚度为12～15 mm，刀具半径为45～50 mm时，竹材利用率最高[38]。弧形竹片的分等分级也影响竹材的利用率[40]。弧形竹片干燥过程中，随着温度的升高会逐渐出现皱缩、翘曲、开裂现象，不同部位存在的干缩差异也会导致弧形竹片干燥后曲率半径的变化，在定弧时应尽量去除竹青、竹黄和竹节[41-42]。企业标准中，弧形原态重组材所用胶黏剂为固体含量45%的酚醛（PF）树脂或者纯度为99.6%的水性异氰酸酯（P-MDI）。双面涂胶时，P-MDI胶黏剂压制的板材静曲强度、弹性模量、胶合强度、密度和含水率略高于用PF胶黏剂压制的板材，吸水厚度膨胀率略低于PF胶黏剂压制的板材。用PF胶黏剂压制板材，涂胶量为250 g/m2时，板材的强度最高，吸水厚度膨胀率最低。弧形竹片胶合的施胶量约为6%～7%，采用浸胶生产的板材性能优于喷胶法生产的板材，但浸胶后竹坯的含水率达到60%～80%，需进行干燥[43]。

4 竹木复合板方材

竹木复合板方材是指竹材与木材组坯胶合而成的板材或方材，竹材和木材不同的单元形式、组坯结构能获得性质各异的复合材料[3,23]。目前，竹木复合材主要包括夹芯结构竹木复合材、竹木复合正交胶合木(CLT)、层合结构竹木复合材等。

4.1 夹芯结构竹木复合材

夹芯结构竹木复合材主要是以木质胶合板、木质刨花板等为芯材，竹材单元为面层制作的竹木复合材料，与全竹复合板方材相比具有重量轻、表面硬度高、力学性能优异的特点。张齐生[44]以马尾松胶合板和展平竹为原料制备的用于集装箱底板的竹木复合材，静曲强度优异于阿必东胶合板。Rob[45]以杨木定向刨花板为芯层，竹席胶合板为面层，1～2 mm杨木单板为中间层制备集装箱底板，强度可达到集装箱底板国标要求，但生产周期较长，效率低，且竹席胶合板的密度难以控制，成本较高[46-47]。

4.2 竹木复合正交胶合木方材

正交胶合木（Cross-laminated Timber，简称CLT）通常是将厚度15～35 mm实木锯材或结构复合板材（Structural Composite Lumber，简称SCL）通过分等、铺层、涂胶、纵横交错或成一定角度层积加压胶合而成，层数一般在3层或以上，规格可达18 m（长）×3 m （宽）×300 mm（厚度）。典型的CLT结构如图3a所示。CLT具有尺寸稳定性好、承载性能强、防火性能高、隔音和保温性能好、建造快、噪音低、应用范围广、低碳、固碳、环保等优点[48]。我国CLT的原料木材主要依赖进口，因此若将竹材与木质材料复合制备CLT不仅能够使CLT原料国产化，同时也能合理利用我国的竹材资源，利于CLT的推广。三层竹木复合CLT方材结构如图3b所示，木质材料为平行层，竹质材料为垂直层[49]，竹材可采用竹编胶合板、竹帘胶合板、竹束单板层积材、竹重组材等。

图3 竹木复合CLT方材Fig. 3 Bamboo-wood composite CLT square lumber

南京工业大学研制的竹木复合CLT，由多层竹材和木材交错胶合而成，竹材和木材的主纤维方向可相互平行或交错垂直布置，制成的CLT板材厚度为90 mm以上[50]。CLT短梁剪切试验的破坏模式有3种，分别为底部受拉破坏、层间破坏、滚动剪切破坏[51]。Wei[52]利用平行竹束层积材（PSB）和加拿大铁杉和冷杉压制竹木复合CLT，木材层位于中间，PSB位于表底层，竹材良好的韧性改变了实木CLT的破坏模式，断裂首先发生在竹材与木材的界面处。

4.3 层合结构竹木复合材

使用弦向竹帘或径向竹帘和木单板压制成竹木复合材，目前主要用于集装箱底板的生产。其弦向竹帘和径向竹帘的竹材利用率分别约为65%和90%。国内企业在集装箱底板的生产工艺基础上，采用径向竹帘和木单板生产建筑模板用竹方材，生产流程如图4所示。目前已初步在建筑项目当中使用，如图5所示。

图4 建筑竹方材生产流程Fig.4 Architectural bamboo square timber production process

图5 建筑竹方材工地使用实景图Fig. 5 The actual scene of architectural bamboo square timber in construction site

5 建筑木方与竹质复合材性能对比

依据JGJ162—2014规定, 建筑木方物理力学性能指标主要有抗弯强度σ、弹性模量E、截面惯性矩I、截面抵抗矩Wx、截面积A。目前有关竹质复合材料用作建筑模板楞梁的研究还较少，对于竹质复合材料用于建筑模板楞梁的力学指标还需进一步研究。本文仅对前文所述的几种可能适用于建筑竹方材开发的竹质复合材料的物理力学指标进行对比分析，详见表2。表中TC17为JGJ 162—2014中普通木模板结构用材设计值中的强度等级木材，在建筑模板支撑验算中木方（截面积50 mm×100 mm）的弹性模量值常取10 000 MPa[8-9]。由表2可知，几种竹质复合材料的弹性模量均在10 000 MPa附近，甚至优于TC17强度等级的木材弹性模量，静曲强度值均远高于TC17强度等级的木材。建筑模板系统中用于木方强度验算还需要截面惯性矩I、截面抵抗矩Wx、截面积A等数值，目前研制的这些竹质复合材料尚缺乏这方面的数值研究，暂时无法与TC17强度等级的木材进行对比。

表2 建筑木方与竹基复合材力学性能对比Tab.2 The comparison of mechanical properties of building shuttering square timber and bamboo-based composites

6 结语

建筑木方目前的回收利用率和循环使用率均较低，且原料长期依赖于进口，不符合绿色可持续发展的理念。因此，未来应充分利用我国丰富的竹材资源，深入开展建筑竹方材相关研究，实现以竹代木，生产建筑模板用楞梁用材。目前可能适用于制造建筑用竹方材的竹质复合材料有竹束单板层积材（LBL）、胶合竹材（Glubam）、平行竹束层积材（PSB）、弧形竹片重组材、夹芯结构竹木复合材、竹木复合CLT、层合结构竹木复合材（径向竹帘和木单板复合而成）等，基于此，今后有关建筑竹方材的研制可从以下几方面着手：1）从建筑模板系统研究出发，采取工地实地测量和有限元模型分析相结合，分析竹方材应满足的力学性能和使用需求。2）根据工程实际，加强竹方材的防霉防腐技术研究，以实现竹方材的多次循环使用。3）在现有竹质复合板材基础上进行组坯结构的创新设计，研究出满足建筑竹方材使用性能的组坯结构和工艺路线。4）生产成本关系到竹方材的推广和使用，因此如何控制建筑竹方材的生产成本也是今后研究的重要内容之一。5）积极开展建筑竹方材物理力学性能研究，对工程应用效果进行评价，将符合建筑施工标准要求的竹方材纳入建筑施工模板相关标准中，推动建筑模板用楞梁材料的国有化。