竹材原態多方重組預應力結構材料的制造方法

專利名稱：竹材原態多方重組預應力結構材料的制造方法
技術領域：
本發明屬于結構材料領域，涉及一種竹材原態多方重組預應力結構材料的制造方法。
背景技術：
竹子具有生長迅速、輪伐期短的特點，竹材強度高、韌性好、硬度大、外密內疏，具 有良好的仿生學研究優勢。我國竹子種類、竹林面積和蓄積量均居世界之冠，是世界上竹子 資源最豐富的國家之一。將空心竹材重組復合加工成復合材料，可以替代木材，充分利用 竹材原態的結構和物理特性以及拉筋材料的預應張力作用，可加工成高強度、大跨度、低耗 能、綠色環保、親近感特性的結構材料，能有效緩解我國木材供需矛盾，且可部分替代混凝 土以及鋼質材料，具有廣闊的開發應用前景。現有竹材重組以及相關建筑材料技術主要有(1)竹方重組技術將空心竹材劈裂成弧形竹坯，再將竹坯加工成一定規格的竹 方條，把竹方條膠合到一起，組成竹板材或竹方材。該技術的缺點和不足是將弧形竹坯切 削成方條，導致大量原料的浪費，一般竹材利用率不足30%。(2)碎竹重組技術將整竹壓碎后進行重組膠合到一起，形成竹板材或竹方材。該 技術的缺點和不足是1)天然竹材的紋理遭到不同程度破壞；2)竹板材或竹方材內部容易 形成微小空隙，影響斷面質量。(3)小徑竹重組技術將小徑竹竹材揉磋成竹束，重組膠合到一起，形成竹板材或 竹方材。該技術的缺點和不足是破壞了天然竹材的宏觀結構，失去了竹材的“原態”，表面 質量欠佳，無法替代較高檔次實木。(4)弧形竹材原態重組技術由內弧半徑與外弧半徑相等、具有光滑的竹青面和 竹黃面的弧形竹板，以其弧形的相同朝向并列排放加壓粘結而成。該技術的缺點和不足是 由于材料是由弧形竹片疊加而成，沒有利用竹材內部中空和竹隔的天然結構，制造大型結 構材料很不經濟。(5)碳纖維增強塑料/竹復合技術它是由高性能的碳纖維增強塑料與竹結構進 行復合，經過一定的加工工藝而制成的高強度復合材料。該技術的缺點和不足是1)不能 單獨用作高強度、大跨度結構材料等建筑構件；2)制作技術要求高、生產成本較高；2)在復 合的過程中，破環了竹中空、竹節等特有生理結構，沒有真正意義上保持竹原態。(6)拉筋預應力混凝土技術為了避免拉筋混凝土結構的裂縫過早出現，利用高 強度拉筋及高強度混凝土，在結構材料承受使用荷載前，預先對受拉區的混凝土施加壓力， 使它產生預壓應力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應力，從而將結構構件的拉應力控 制在較小范圍，以推遲混凝土裂縫的出現和擴展，從而提高構件的抗裂性能和剛度。該技術 主要不足1)制作技術要求高，施工周期長；2)耗能高，不利于環保，不可回收利用，屬于非 綠色建筑材料。上述幾種重組技術均沒有充分體現竹材本身所具有的結構、物理等原態特性，不是單位質量內力學性能不高，就是不能實現高強度、長范圍、大跨度重組的要求。而鋼筋混 凝土建筑材料制作技術要求高、生產成本高及屬非綠色材料，因此，上述各種材料都不能用 作綠色結構材料。

發明內容
本發明的目的是改進現有技術的不足，提供一種可保持竹材天然結構，與拉筋材 料復合，加工強度高、跨度大且竹材利用率高的竹材原態多方重組預應力結構材料的制造 方法。為實現上述目的，本發明采取以下工藝技術方案本發明提供的一種竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，包括竹材原態多 方重組預應力結構材料基材的制造和增強材料的加設，所述基材的制造是將若干保持原始 竹子基本形態的竹材單元通過橫向和縱向的連接形成設定長度和橫截面積的結構材料；所 述增強材料的加設是將與所述基材長度相當的拉筋縱向穿設在所述基材的至少一部分竹 材單元中，再將該拉筋的兩端固定在基材的兩端。所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材是由若干橫截面為正多邊形或正多 邊形化的竹材單元組成，該基材的加工方法是，在原始竹子的外表面上縱向加工出若干平 面，形成截面為正多邊形或正多邊形化的竹材單元，在兩個竹材單元橫向接觸的外側所述 平面上涂設粘結劑層，通過該粘結劑層使得若干該竹材單元外側所述平面粘結固連在一 起，形成橫向邊對邊排列結構，實現橫向任意擴展；在所述兩個竹材單元縱向連接端加工 出指形榫，在竹材單元的指形榫結合面上涂設粘結劑層，通過該粘結劑層使得若干該竹材 單元榫接固連在一起，實現縱向任意延長，由此，構成竹材原態多方重組預應力結構材料基 材，再在這樣的基材的至少一部分竹材單元中穿設拉筋，使其作為竹材原態多方重組預應 力結構材料的增強材料。上述基材的兩端設有用于固定拉筋的高強度擋板，所述拉筋兩端 拉緊固定在該高強度擋板上。所述竹材原態多方重組預應力結構材料的主要加工工藝中所述竹材原態多方重 組預應力結構材料基材的制作步驟包括A.定竹段即從原始竹子截取設定長度的竹段；B.蒸煮對所述竹段進行蒸或煮的工序；對竹段的蒸煮目的1)通過蒸煮軟化竹 材，減小竹材的內應力，防止其開裂，提高耐候性；2)可以溶解浸出一部分竹材中的淀粉、 糖分、蛋白質等物質，從而減少整竹生霉、生蟲等缺陷；3)清除竹材細胞中多余的鹽分、細 胞質等，并在細胞間隙、薄壁組織等添加填充物質，充實竹材，提高抗裂性和穩定性，利于結 構材料的長期使用。C.干燥將蒸煮后的竹段進行干燥，降低其含水量；竹段干燥的目的是為減少竹 段的內應力，防止在后序制造和產品使用過程中發生變形、破裂等缺陷。干燥后，竹段的終 含水率為5% 20%。D.銑切加工將干燥的竹段的側面銑切，形成正多邊形或正多邊形化的竹材單 元，對竹段的用于縱向連接的端頭銑切指接榫；E.組坯在竹材單元的側面銑切面及端頭指接榫表面涂設膠粘劑，將所述的竹材 單元在橫向和縱向結合組坯，通過冷壓或者熱壓將若干竹材單元粘接在一起形成所述基材；或者還包括在所述定竹段步驟和蒸煮步驟之間加設去竹青環節，即將竹段外表面上的竹青層 去除。實例中，采用專用的整竹去青機或者人工去青即可。在B步驟的蒸煮工序中，實例中，優選將竹段置于明礬等高分子化合物溶液中進 行蒸煮；或將竹段置于高溫高壓(溫度100°C 200°C，壓力0. IMPa 1.6MPa)的容器中， 進行明礬等高分子化合物溶液蒸煮。使用明礬溶液進行蒸煮時，明礬濃度為沸水飽和溶液。 具體方法可以是在水中加入明礬，加熱溶液，最后形成沸水飽和明礬溶液。將竹段置入沸 水溶液中蒸煮約4-6小時，然后取出進行干燥。在C步驟的干燥工序實例中，可以將竹段置于木材蒸汽干燥窯中進行干燥。一般 進行低溫干燥較佳，即干燥溫度為30°C 50°C。根據需要可以省去。所述銑榫指接和銑正多邊形化面加工工藝次序可以調換。所 述縱向和橫向組坯工藝次序可以調換。組成所述基材的從原始竹子上切割為一定長度的竹段，各個竹段的平均胸徑誤差 在士 15mm之內，且每根竹段兩端的直徑差在士 IOmm之內；按照各竹段橫截面大小分組，同 組中的竹段橫截面基本相同，確保加工出來的正多邊形化竹材單元的側面在兩端的寬度基 本相等，也可避免組合起來的竹材原態多方重組預應力結構材料在竹材單元較小的直徑部 分出現縱向空隙。在竹材單元的外側面上加工成若干縱向平面，即按標準正多邊形模式加工成雙端 皆為標準正多邊形、或一端為標準正多邊形另一端為竹材原有的部分圓弧和部分直線組成 的非標準正多邊形、或雙端為竹材原有的部分圓弧和部分加工直線組成的非標準正多邊形 截面的竹段，稱為“正多邊形化”竹材單元。竹段外側面銑削成正多邊形化目的是為獲得在 竹材單元橫向擴展中需要的粘結平面，因保留局部的圓弧，故非嚴格意義的正多邊形。正多邊形化的竹材單元橫截面的直線段邊長L2與同直徑圓的內接正多邊形的邊 長Ll的比值稱為多邊形化度(見圖7)。為了保證有足夠的粘結面積，確保竹材單元之間 良好膠結，銑切正多邊形化時，該多邊形化度不能低于40%，該多邊形化度的優選參數為 60% 80%。如果多邊形化度太大，要對竹子壁厚銑切較多，降低竹材的強度，也降低其利 用率；如果多邊形化度太小，則正多邊形化的竹材單元側表面沒有足夠大的粘結面積，影響 膠合強度。所述正多邊形化的竹材單元的橫截面的邊數，即側邊數可以是4 8。正多邊形化 竹材單元的側邊數為6是最佳的選擇。正六邊形化竹材單元橫向拼接，各竹材單元的外側 面貼合緊密不留空隙，而且將竹子外側面加工成正六邊形化，對竹子壁厚的切除量較少。如 果竹材制成的多邊形的邊數太少，則制成正多邊形化對于竹壁切除過多，無疑是對竹材的 浪費和對竹材強度的削弱。如果側邊數太多，則加工出的外側面面積較小，各個竹材單元橫 向粘結強度將降低。將竹材單元縱向的連接端銑削成指形榫，并在指榫結合面涂膠；選直徑相當，外側 的面統一規格正多邊形化竹材單元，進行加壓和/或加熱固化，可實現無限長度的指接組 坯，形成單根長材。通過所述指接方式可使竹材原態多方重組預應力結構材料基材延長到 所需要的任意長度。縱向延長的同時橫向擴展。所述竹材單元縱向延長后或延長前以其橫截面按照蜂窩狀并列排放通過其側面粘結成竹材原態多方重組預應力結構材料基材。所述竹材原態多 方重組預應力結構材料基材可包括若干橫截面大小、側邊數相同或不同的竹材單元。例如 具體的可有如下幾種情況，所述若干竹材單元的橫截面大小相同、側邊數目也相同；或者，所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材包括兩組或兩組以上的竹材單元，同 組竹材單元的橫截面大小和邊數相同，不同組的橫截面大小和/或邊數不同，同組或不同 組竹材單元通過外側面橫向粘接形成橫向延展結構；或者，所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材包括橫截面大小基本相同、側邊數目 也相同的竹材，另外還包括一組若干橫截面與所述竹材單元的橫截面不相同的木質單元， 其橫截面與所述竹材單元相互重組其間形成的空隙相匹配，填充在所述空隙中。例如，所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材包括一組若干正八邊形化的竹 材單元和一組若干正四邊形化的竹材單元，該正四邊形化的竹材單元的橫截面的邊長與所 述正八邊形化的竹材單元的橫截面的邊長對應相等，或成倍數，使得所述正四邊形化竹材 單元置于所述正八邊形化竹材單元粘結后的四方形截面的孔隙中；再如，所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材包括兩組各若干正四邊形化的 竹材單元，各組竹材單元的邊長不同。根據需要在橫截面方向排布組合竹材單元，增加橫截面積，可實現橫向任意寬度 的擴展。所述竹材單元縱向榫接的接縫應盡量交錯排放，避免接口處力學強度降低。上述 粘接劑可以選用常規的各種品種，例如可采用PVAc (醋酸乙烯樹脂膠)、UF(脲醛樹脂膠)、 PF(酚醛樹脂膠)、MDI (異氰酸酯膠)或本領域常用的其他膠粘劑。粘接方法和條件也是 常規的。所述竹材原態多方重組預應力結構材料包括竹材原態多方重組材料構成的基材、 穿設其中的拉筋作為增強材料以及兩端的高強度擋板。竹材原態多方重組預應力結構材料 基材的部分竹材單元的竹節被打通，其中穿設拉筋；依據需要，該拉筋可在所述基材的全部 竹材單元或某些竹材單元中穿設。結構材料承載時的受拉層最易損壞，因而最好在所述竹 材原態多方重組預應力結構材料基材的橫截面的受拉層竹材單元中穿設拉筋。竹材原態多 方重組預應力結構材料基材的兩端都設有用于固定所述拉筋的高強度擋板，該高強度擋板 在拉筋相應伸出處設有孔；拉筋兩端從所述孔中伸出，并固定于高強度擋板上。用于固定所 述拉筋的裝置可以是在拉筋兩端套扣并結合螺母，或是使用建筑上常用的錨具；固定時通 過錨具或螺母拉緊該拉筋并緊固，形成預應力，進一步提高所述竹材原態多方重組預應力 結構材料的力學強度；在實際使用中可截去拉筋突出高強度擋板外側的端頭，方便使用。所述拉筋為鋼質材料、尼龍、橡膠、塑料、高強度復合材料等能產生高強度預應力 作用的材料。穿設拉筋，需要將竹節貫穿，穿設拉筋的竹節上的貫穿孔的大小以能夠盡可能地 保留竹節為原則。即在可以穿過拉筋的前提下貫穿孔盡可能小。本發明的創新點主要是，彌補現有技術中破壞竹子原有中空結構的竹材重組的不 足，保持了竹子原有生理結構，充分利用了竹子具有中空、竹隔等獨特結構，使竹竿抗彎、抗 壓和抗剪能力強，物理性能優良等特點得到較大限度地保留，保持了竹材的原生態特點，提 高了原料利用率。自然竹材是圓筒狀，由于竹節的存在和竹材纖維的有序排列，在橫向上使
8竹材具有較強抗風能力(即抗剪切和抗彎曲能強)，在縱向上使竹材具有很強的抗拉和抗 壓能力。本發明充分利用了竹材的這一物理結構特性，通過外表面正多邊形化和指榫結構 加工實現竹材橫向任意擴展、縱向任意延長的重組，充分發揮竹材自然的力學性能；并且在 竹材原態多方重組預應力結構材料基材中穿設拉筋，在固定拉筋時加入預應力增強，從而 大幅提高力學強度，可用作大規格、高強度結構材料。現有技術中使用鋼筋設于梁柱中以提 高其抗拉強度的例子不少，例如鋼筋混凝土梁柱，但是，這種梁柱其梁柱中的鋼筋是通過先 在模具中設置鋼筋，然后用混凝土澆筑的辦法設置的，而本發明提供的竹材，其為現有已成 形的材料，現有技術中沒有在其中穿設鋼筋的先例。因此，本發明的優點是本發明針對竹材中空、竹節的物理結構特性，將圓形空心竹材重組加工成橫向為 多邊形邊對邊并列排放狀(如六方重組則為蜂窩狀)，縱向任意延長的多方重組材，保持了 竹材天然結構；在部分竹材單元中穿設拉筋，并于固定拉筋時加入預應力，從而大幅提高本 發明的力學強度，可加工成強度高、跨度大的原態重組竹預應力結構材料。竹材原態多方重 組預應力結構材料不但可替代木材作為結構材料，提高竹材資源的利用率，節省林木資源， 而且可部分替代混凝土、鋼材等結構材料，提高結構材料的親自然能力。本發明提供一種竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法。其中包括竹材原態 多方重組預應力結構材料基材的制造和增強材料的加設。其是將竹材單元去竹青(或不去 竹青)、藥水蒸煮、干燥、再將竹單元外側面加工成正多邊形化的直徑相當的竹段，橫截面按 邊對邊并列排放、縱向指接延長粘結而成竹材重組預應力結構材料的基材，再在該竹材重 組預應力結構材料基材橫截面的全部或部分竹材單元中穿設拉筋，并在基材兩端設高強度 擋板，用錨具或螺母將拉筋的兩端拉緊固定在高強度擋板上，使拉筋作為增強材料，制成預 應力結構材料。竹材單元正多邊形化的邊數為4 8。本發明針對竹材具有中空、錐度、竹 節、內密外疏等物理結構特性，充分利用竹材原態的結構和物理特性以及拉筋的預應張力 作用，可加工成高強度、大跨度、低耗能、綠色環保、具有親近感特性的結構材料，能有效緩 解我國木材供需矛盾，且可部分替代混凝土以及鋼質材料，具有廣闊的開發應用前景。下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，并非對本發明的限制，凡是 依照本發明公開內容所進行的任何本領域的等同替換，均屬于本發明的保護范圍。


圖1為按需要選取直徑相當的竹材，鋸切定段得到的竹段示意圖；圖2a和圖2b分別為把竹材外表面銑切成正六邊形化的2種狀態竹材單元的示意 圖；圖3a和圖3b分別為將竹材單元的連接端銑切成指形榫的結構示意圖；圖4為竹材單元的橫截面排列組坯方式示意圖；圖5為將正六邊形化竹材單元的外表面、指榫結合面涂膠，并加熱或冷態加壓成 材示意圖；圖6為竹材原態六方重組預應力結構材料基材的結構示意圖；圖7多邊形化度說明示意圖；圖8為由正八邊形化竹材單元和正四邊形化竹材單元匹配重組構成的竹材原態 多方重組預應力結構材料基材的結構示意圖。
圖9是竹材原態六方重組預應力結構材料基材的全部竹材單元或某些竹材單元 中加設拉筋的位置示意圖。圖10a、10b是拉筋和高強度擋板示意圖。圖11是在竹材單元中固定拉筋和高強度擋板的剖視圖。圖12a、12b、12c分別是竹材原態多方重組預應力結構材料的主剖視、側視和俯視
結構示意圖。圖13是竹材原態多方重組預應力結構材料的透視圖。圖14是竹材原態多方重組預應力結構材料的主要加工工藝流程圖。
具體實施例方式實施例1 圖12和圖13是本發明的一種實施例制出的竹材原態多方重組預應力結構材料， 竹材原態多方重組預應力結構材料包括若干外側面為正六邊形化的竹材單元IOa(如圖 2a、2b)，竹材單元IOa的部分側平面或全部側平面13上涂有粘接劑層，通過該粘接劑層使 得若干該竹材單元IOa側面粘結在一起，實現橫向任意擴展；在正多邊形化竹材單元IOa的 一端或兩端榫接其它竹材單元，使其在縱向任意延長，構成竹材原態多方重組預應力結構 材料49。所述竹材原態多方重組預應力結構材料還包括穿設其中的拉筋41和兩端的高強 度擋板43、48。所述需要穿設拉筋的竹材單元的竹節被打通，其中穿設拉筋；在竹材原態多 方重組預應力結構材料的兩端設有用于固定拉筋的高強度擋板，拉筋兩端固定于高強度擋 板上。具體的步驟包括(1)首先，將原始毛竹鋸切成一定長度的竹段10 (見圖1)，即定段，選取直徑、錐 度、壁厚基本一致而且較筆直竹材，按大小端直徑的dl、d2差小于士 15mm進行定段，鋸切成 隨機長度的竹段10(見圖1)。在定段中還要遵從兩個原則，一是鋸口選擇在不是竹節15之 處；二是所述竹段10的兩端11、12的直徑dl、d2的差C為士 10mm。其中根據材料用途的 需要，可將定段完畢的竹段通過專用整竹去青機或手工的方式去除竹青，如無特殊需要無 需去竹青。(2)將竹段浸漬于化學藥水中浸泡、蒸煮以便達到竹單元防腐、防裂、阻燃、易保存 等目的。實例中，將竹段置于明礬等高分子化合物溶液中進行蒸煮；或將竹段置于高溫高壓 的容器中，進行明礬等高分子化合物溶液蒸煮。使明礬等高分子化合物能充分進入整竹的 空隙，達到填充致密的目的。具體做法可以是在水中加入明礬，加熱溶液，最后形成沸水飽 和明礬溶液。將竹段置入沸水溶液中蒸煮約5小時，然后取出進行干燥。蒸煮最好在高溫 高壓條件即溫度100°C 200°C，壓力0. IMPa 1. 6MPa下進行。(3)將浸泡蒸煮好的竹材進行氣干或人工干燥，使竹單元的絕對含水率介于 5% 20%之間。實例中，將竹段置于木材蒸汽干燥窯中進行干燥。一般進行低溫干燥較 佳，即干燥溫度為30°C 50°C。(4)將干燥的竹段的外側面銑成正六邊形狀(見圖2)或正六邊形狀化狀(見圖 2a)，目的是使竹材單元橫截面按照蜂窩狀并列排放規則組合在一起，竹材單元IOa外側面 銑切成正六邊形化時，或多或少留有竹材原有的部分圓弧14，而非嚴格意義的正六邊形；實際加工中，可使得竹材單元IOa的直徑較大端成為正六邊形，而直徑較小端成為非標準 正六邊形(見圖2b)，也可使得竹段的兩端都為非標準正六邊形。為了保證有足夠大的側平面13實施竹材單元之間的粘合，銑切正六邊形時，正六 邊形化的竹材單元橫截面側邊的邊長L2與同直徑圓的內接的正六邊形的邊長Ll的比值稱 為六邊形化度(見圖7)，本實施例的六邊形化度選為70%，即L2 Ll = 70%。(5)將竹材單元一端101或雙端101、102銑削成指形榫(見圖3a、圖3b)，可實現 無限長度的指接組坯。(6)將正六邊形化竹材單元的指榫結合面涂膠，通過指接方式可使竹材原態六方 重組預應力結構材料的基材延長到所需要的任意長度。例如，可在縱向將長度不同幾根竹 材單元IOa指接成一定長度的單根長材。本實施例選取制成6000mm的單根長材16 (見圖 5)。(7)將涂膠后的竹材單元IOa組坯，進行垂直加壓，加熱或冷態(常溫)固化，形成 單根6000mm六方長材16 ；該粘接劑可以選用常規的各種品種，例如可采用PVAc (醋酸乙烯 樹脂膠)、UF (脲醛樹脂膠)、PF (酚醛樹脂膠)、MDI (異氰酸酯膠)或本領域常用的其他膠 粘劑。粘接方法和條件也是常規的。(8)按要求對單根六方長材進行重組，實現所要求的竹材原態六方重組。具體做法 是，將若干單根六方長材16的相鄰側面涂膠，以其橫截面按蜂窩狀并列排放，進行橫向的 加壓，加熱或冷態固化，實現橫向重組(見圖4、5)形成；所用的單根竹材如果是兩端大小不 同的，如圖2b所示，在橫向重組時，可以將大小頭11、12交錯放置(見圖4)。這樣，可以使 得由保留原有的部分圓弧在各竹節單元之間所形成的間隙103盡可能減小。(9)對所述竹材原態六方重組預應力結構材料基材的邊緣和表面進行鋸切、砂光、 涂漆等處理，并根據需要鋸切成一定規格的重組材料30。也可根據需要進行二次重組，即將 幾個如圖5所示竹材原態六方重組預應力結構材料基材17通過側面涂膠粘結在一起，組成 橫截面更大的重組基材30，也可以在圖5所示的重組基材17上面粘結更多的六方長材16， 組成更大橫截面的竹材原態六方重組預應力結構材料基材30 (或見圖6)。(10)通過專用竹節打通設備或手工等方式打通竹材原態六方重組預應力結構材 料基材30橫截面的全部竹材單元或某些竹材單元31中的竹節(如圖9)，在其中穿設拉筋 41，拉筋41可為鋼質材料、尼龍、橡膠、塑料、高強度復合材料等能產生高強度預應力作用 的材料，拉筋41的型號、直徑大小、長度視結構材料強度、大小的需要而確定。因為承壓時 預應力結構材料的下層最易損壞，最好在所述基材30的橫截面受拉層的竹材單元中穿設 拉筋。(11)竹材原態重組預應力結構材料基材30的兩端各匹配設有與其橫截面相同的 高強度擋板43和高強度擋板48，兩個高強度擋板都在拉筋相應伸出處開孔44 (見圖IOb)。 如圖11所示，在單根長材即基材的一個縱向竹材47中拉筋端頭46從孔44中伸出，并使用 裝置45將拉筋41固定于高強度擋板43上。用于固定拉筋41的裝置45可以是在拉筋兩 端套扣并分別結合螺母40和螺母42，或是使用建筑上常用的錨具；固定時通過錨具或旋緊 螺母拉緊該拉筋41，形成預應力，使其作為增強材料，進一步提高所述竹材原態多方重組預 應力結構材料的力學強度；可截去拉筋突出高強度擋板外側的端頭46，方便使用。在所述 定竹段步驟和蒸煮步驟之間加設去竹青環節，即將竹段外表面上的竹青層去除。
參照圖1 圖6所示，用于制作預應力結構材料的竹材單元IOa的竹段的兩端的 直徑dl、d2平均胸徑誤差在士 15mm以內，竹材外側面經過面銑加工成規格一致的正六邊形 化的竹材單元，其一端或雙端銑指榫。縱向指接竹材單元達到一定長度(如6000mm)，橫向 組坯竹材單元成竹材原態六方重組預應力結構材料基材。所述結合面都圖上粘接劑層，經 加壓和/或加熱粘結形成任意長度的竹材原態六方重組預應力結構材料基材。參照圖9、 圖10a、圖10b、圖11、圖12a、圖12b和圖12c所示，在竹材原態六方重組預應力結構材料基 材30中穿設拉筋41并在拉筋41兩端套扣，結合螺母將拉筋固定于兩端的高強度擋板，使 預應力拉筋作為增強材料，構成原態六方重組預應力結構材料49。至此，加工成竹材原態六方重組預應力結構材料49。主要加工工藝步驟如圖14。本實施例中，在重組中是先用若干竹材單元通過指接構成單根長材，再將若干單 根長材橫向重組。在重組中，也可縱向和橫向同時重組，將正六邊形化的竹材單元若干個膠 接面及指榫結合面涂膠，以其橫截面按蜂窩狀并列排放；同時，將竹材單元縱向榫接排布， 縱向盡量將竹材單元指接縫交錯排放，可根據要求組成不同截面規格和不同長度的組坯。 將涂膠后的組坯進行垂直和側向同時加壓，加熱或冷態固化，形成竹材原態六方重組預應 力結構材料基材，再在竹材單元中穿設拉筋，并在基材兩端設高強度擋板，將拉筋的兩端拉 緊固定在高強度擋板上形成增強材料，從而制成預應力結構材料。嚴格意義上來講，穿設拉 筋在竹節上穿設的孔的大小對預應力結構材料的強度是有影響的，但只要保留竹壁周邊的 一圈竹節，孔的大小在一定范圍內對預應力結構材料強度的影響是不大的，而最好的效果 是盡量保留竹節。因此，竹節上貫穿孔的大小最好為剛好能穿過拉筋即可。實施例2在實施例1中，將第(4)和第(5)步驟進行交換，即是該實例先實現竹材縱向的銑 指榫、指接再將原竹的外表面銑成正六邊形化，而其他步驟按照實例1不變。其主要加工工 藝步驟如圖14。實施例3在組坯過程中也可實現先單根竹單元縱向組坯，再進行橫向重組；也可實現縱向 橫向同時組坯。即是在實例1中步驟(7)、(8)、(9)有兩種不同的工序，其他步驟按照實例 1不變。其主要加工工藝步驟如圖14。實施例4 本實施例與實施例1、2不同在于竹材原態多方重組預應力結構材料基材的構成。首先，直徑相當的竹材包括2種規格的竹材單元，一種為直徑較大的竹段，另一種 為直徑較小的竹段，每種竹段中的各個竹材單元按照實施例1所述的定段原則定段。然后，將直徑較大竹段銑削成正八邊形化的竹材單元201，另一種為直徑較小的竹 段銑削成正四邊形化的竹材單元202，該四邊形化的竹材單元202的橫截面的邊長與正八 邊形化的竹材單元201的橫截面的邊長對應相等。將2種竹材單元分別銑出一端或兩端的 指形榫，如前實施例1之步驟(4)和實例2之步驟(5)所述方法進行縱向重組，之后或同時 按照如圖8所示的方式進行橫向重組。其他步驟同實施例1、2。這種重組，對竹子的利用率更高。相對于大徑竹材而言，小徑(直徑< 40mm)竹材壁厚較大，可做到四邊形化銑切， 作為正八邊形化重組材的內部“填空”材料。此外，亦可采用木材作為內部“填空”的“小方材”，構成“木材竹材原態多方重組復合材料”。對于小徑竹材，還可將全部竹材銑削成正四邊形化的形狀進行重組。當進行正四邊形化重組時，組坯所需的竹材單元的邊長可相同亦可不同。當若干 種正四邊形化竹材單元的邊長不相等時，其邊長之間最好成倍數關系。再有，也可以用正五邊形或正七邊形的竹材單元進行如上的重組。在進行五邊形 竹材單元重組時，在重組后的竹材原態五方重組材橫截面上，各竹材單元之間會留有孔洞。 根據使用要求，可用填充物如木材單元或竹材單元對孔洞進行填充，也可保留孔洞。也可將 鋼筋穿設在該孔洞中，或是在孔洞中填充填充物，在該填充物中穿設拉筋。也可以同時在竹 材單元之間的孔洞中和在竹材單元內穿設拉筋。這樣，即可以減少在竹節中穿孔的麻煩，也 可以有效利用該孔洞。竹材單元的橫截面上的側邊數也不是任意的。如果邊數太少，例如銑削成三角形， 就不可取，因為竹子的壁就可能被穿透性的破壞而削弱其天然結構的強度等性能；如果邊 數太多，例如10個邊或以上，也不可取，因為側邊太短，構成重組的粘合面太小，重組結合 強度將降低。因此，本發明的優化竹材單元正多邊形化的邊數為4 8。
1權利要求
一種竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，包括竹材原態多方重組預應力結構材料基材的制造和增強材料的加設，所述基材的制造是將若干保持原始竹子基本形態的竹材單元通過橫向和縱向的連接形成設定長度和橫截面積的重組材料；所述增強材料的加設是將與所述基材長度相當的拉筋縱向穿設在所述基材的至少一部分竹材單元之中和/或之間，再將該拉筋的兩端固定在基材的兩端。
2.根據權利要求1所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于 所述竹材原態多方重組預應力結構材料基材是由若干橫截面為正多邊形或正多邊形化的 竹材單元組成，該基材的加工方法是，在原始竹子的外表面上縱向加工出若干平面，形成截 面為正多邊形或正多邊形化的竹材單元，在兩個竹材單元橫向接觸的外側面上涂設粘結劑 層，通過該粘結劑層使得若干該竹材單元外側面粘結固連在一起，形成橫向邊對邊排列結 構，實現橫向任意擴展；在所述兩個竹材單元縱向連接端加工出指形榫，在竹材單元的指形 榫結合面上涂設粘結劑層，通過該粘結劑層使得若干該竹材單元榫接固連在一起，實現縱 向任意延長，從而形成基材。
3.根據權利要求1或2所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在 于所述竹材原態多方重組預應力結構材料的加工工藝中對組成所述竹材原態多方重組預 應力結構材料基材的竹材單元的制作步驟包括A.定竹段即從原始竹子截取設定長度的竹段；B.蒸煮對所述竹段進行蒸或煮的工序；C.干燥將蒸煮后的竹段進行干燥；干燥后，竹段的終含水率為5% 20%；D.銑切加工將干燥的竹段的側面銑切，形成正多邊形或正多邊形化的竹材單元，對 竹段的用于縱向連接的端頭銑切指接榫；將上述步驟制作的竹材單元進行組坯在竹材單元的側面銑切面及端頭指接榫表面涂 設膠粘劑，將所述的竹材單元在橫向和縱向結合組坯，通過冷壓或者熱壓將若干竹材單元 粘接在一起形成所述基材；或者在所述竹材單元制作工藝中還包括在所述定竹段步驟和蒸煮步驟之間加設去竹青環節，即將竹段外表面上的竹青層去除。
4.根據權利要求1至3之一所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特 征在于所述增強材料還包括擋板，在所述增強材料的加設步驟中，在所述竹材原態多方重 組預應力結構材料基材的竹材單元中穿設拉筋，在所述基材的兩端設有用于固定拉筋的所 述擋板，并用錨具或螺母將拉筋的兩端固定于擋板上。
5.根據權利要求4所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于 所述預應力拉筋為鋼質材料、尼龍、橡膠、塑料或復合材料；和/或，所述擋板為鋼質材料。
6.根據權利要求1或2所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在 于將組成所述基材的橫截面的全部或部分竹材單元的竹節打通，其中穿設所述拉筋；或者，所述竹材單元中用于穿設所述拉筋在竹節上開設的孔的孔截面與所述拉筋的橫 截面相當，使其以穿設拉筋的竹節上的貫穿孔的大小以能夠盡可能地保留竹節，即在可以 穿過拉筋的前提下貫穿孔盡可能小為原則；和/或者，當各所述竹材單元之間留有孔洞時，將全部或部分所述拉筋穿設在該孔洞中。
7.根據權利要求1至3之一所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于在設置拉筋時，所述拉筋由錨具固定于擋板上，固定時拉緊該拉筋，形成預應力； 和/或，將拉筋突出擋板外側的端頭截去；或者，所述拉筋兩端套扣，由相匹配的螺母將拉筋兩端固定于擋板上，固定時拉緊該拉筋，形 成預應力；和/或，將拉筋突出擋板外側的端頭截去。
8.根據權利要求2所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于 所述若干竹材單元是橫截面的外輪廓基本相同、所述正多邊形或正多邊形化的邊數目也相 同的竹材單元；或者，所述若干竹材單元包括兩組或兩組以上的竹材單元，同組竹材單元的橫截面的外輪廓 大小和邊數相同，不同組竹材單元的橫截面的外輪廓大小和/或正多邊形或正多邊形化的 邊數不同，同組竹材單元通過榫接結構形成縱向延長結構，同組或不同組竹材單元通過外 側面橫向粘接形成橫向延展結構；或者，所述若干竹材單元是橫截面的外輪廓基本相同、邊數目也相同的竹材，另外，還包括一 組若干橫截面的外輪廓與所述竹材單元的橫截面的外輪廓不相同的竹材單元，其橫截面的 外輪廓與所述竹材單元相互重組之間形成的空隙相匹配，填充在所述空隙中；或者， 所述正多邊形化的竹材單元的橫截面的外輪廓邊數是4 8 ；或者， 所述竹材單元縱向榫接的接縫在所述基材的橫向上交錯排放；或者， 所述竹材單元在非竹節位置經鋸切定段形成所述竹段；所述竹段的外側面銑切成正多 邊形化，連接端削成用于榫接組坯的指形榫，形成竹材單元；或者，所述正多邊形化的竹材單元橫截面的外輪廓的邊長L2與同直徑圓的內接正多邊形的 邊長Ll的比值L2/L1稱為多方化度，該多方化度L2/L1 >40%;各個所述竹段分成至少一 組，同組中的竹段平均胸徑誤差在士 15mm之內；所述竹段兩端的直徑差在士 IOmm之內。
9.根據權利要求8所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于 所述竹材單元的橫截面的外輪廓邊數為6，各個所述竹材單元橫截面的外輪廓為正六邊形 化；其橫截面按照蜂窩狀并列排放，通過所述粘結劑層粘結形成橫截面任意擴展；所述正 六邊形化的竹材單元通過所述榫接結構和所述粘結劑層縱向榫接粘結形成長度任意延長； 或者，所述竹材單元包括一組若干正八邊形化的竹材單元和一組若干正四邊形化的竹材單 元，該正四邊形化的竹材單元的橫截面外輪廓的邊長與所述正八邊形化的竹材單元的橫截 面外輪廓的邊長對應相等或成倍數，使得所述正四邊形化竹材單元置于所述正八邊形化竹 材單元粘結后的四邊形截面的孔隙中；或者，所述竹材單元包括兩組各若干正四邊形化的竹材單元，各組竹材單元的邊長不同或者 相同。
10.根據權利要求3所述的竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其特征在于 在B步驟的蒸煮工序中，將竹段置于明礬溶液中進行蒸煮；或者，將竹段置于高溫高壓的容器中，進行明礬溶液蒸煮4-6小時；或者，在水中加入明礬，加熱溶液，最后形成沸水飽 和明礬溶液，將竹段置入沸水溶液中，在溫度100°C 200°C，壓力0. IMPa 1. 6MPa條件下 蒸煮約4-6小時，然后取出進行下步干燥步驟； 和/或，在C步驟的干燥工序中，將竹段置于木材蒸汽干燥窯中進行低溫干燥，干燥溫度為30°C 50°C ； 和/或，在D步驟的銑切加工工序中，所述銑榫指接和銑正多邊形化面加工工藝次序是可調換的；和/或，在所述組坯工序中，所述縱向和橫向組坯工藝次序是可調換的。
全文摘要
本發明提供一種竹材原態多方重組預應力結構材料制造方法，其包括竹材原態多方重組預應力結構材料基材的制造和增強材料的加設。將竹材單元經藥水蒸煮、干燥，再將竹單元外側面加工成正多邊形化的竹段，橫截面方向上按邊對邊并列排放、縱向指接延長粘結組坯而成所述基材，再在該基材全部或部分竹材單元中穿設拉筋，并在基材兩端設高強度擋板，用錨具或螺母將拉筋的兩端拉緊固定在擋板上，使拉筋作為增強材料，制成預應力結構材料。本發明充分利用竹材原態的結構和物理特性以及拉筋的預應張力作用，可加工成高強度、大跨度、低耗能、綠色環保的結構材料，能有效緩解我國木材供需矛盾，且可部分替代混凝土以及鋼質材料，具有廣闊的開發應用前景。
文檔編號B27K5/04GK101885199SQ20091020349
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月14日
發明者余穎, 傅萬四, 周建波 申請人:國家林業局北京林業機械研究所