PE 基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)分析

陳燁　賈欣欣　張星宇　杜利（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇　南京　210096）

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PE 基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)分析

陳燁賈欣欣張星宇杜利
（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210096）

摘要：簡述了木塑復(fù)合材料具有的優(yōu)點(diǎn)，通過試驗(yàn)分析，研究了該復(fù)合材料的力學(xué)性能，根據(jù)測試，指出木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能較為穩(wěn)定，可靠性較高，但該材料強(qiáng)度和剛度較低，難以單獨(dú)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。

關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料，力學(xué)性能，破壞特性，試驗(yàn)分析

木塑復(fù)合材料以木屑、竹屑、稻殼、麥秸等木纖維為主要骨料，在高溫狀態(tài)下與聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等［1］熱塑性高分子材料相互滲入，經(jīng)注塑或擠塑成型的一種新型復(fù)合材料，其英文縮寫為WPC。木塑復(fù)合材料的起源可以追溯到20世紀(jì)初期，1907年LeoH Bend博士利用熱固性酚醛樹脂與木粉復(fù)合成了一種新材料，所制得的纖維板應(yīng)用為房屋等建筑材料［2］。但是由于木粉和塑料的相容性較差，直到最近幾十年，有關(guān)方面的研究才有所突破，木塑復(fù)合材料得以迅速發(fā)展。

木塑復(fù)合材料集木材和塑料的優(yōu)點(diǎn)于一身，不僅有像天然木材的雅致外觀，而且克服了其不足，具有耐腐蝕、防潮、防霉、防蟲蛀、尺寸穩(wěn)定性高、不開裂、不翹曲、耐火、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又比純塑料硬度高，有類似木材的加工性，可進(jìn)行切割、粘結(jié)，用釘子或螺栓固定連接，可涂漆等優(yōu)點(diǎn)。此外，木塑復(fù)合材料可以充分利用廢舊塑料和木材下腳料等廢棄材料，提高廢棄木材、塑料的回收利用率，是一種綠色、低碳、環(huán)保、可持續(xù)的新型建材，符合綠色建筑、可持續(xù)發(fā)展理念。正因其制作工藝簡單，造價(jià)低廉，同時(shí)具備塑料木材二者的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)良［3］，近十幾年來受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛研究。

木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)隨著木粉、塑料基含量以及外加偶聯(lián)劑等不同產(chǎn)生較大差異。本試驗(yàn)旨在研究其材料力學(xué)性能，根據(jù)測試所得的試驗(yàn)結(jié)果，對比Tamrakar等［4］、Alvarez-Valencia等［5］、李思遠(yuǎn)［6］、馮嘉［7］、徐朝陽等［8］得出的結(jié)論以及國內(nèi)楊木速生材的力學(xué)性能，探討木塑復(fù)合材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的可能性。

1　材料力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)所測試的試件均由蘇州洲聯(lián)材料科技有限公司提供。試件原料包括稻殼、秸稈、棕櫚纖維等植物纖維，與PE基經(jīng)改性復(fù)合而成。試件尺寸選取參考GB/T 1040—2006［9］塑料拉伸性能試驗(yàn)方法和GB/T 29418—2012［10］塑木復(fù)合材料產(chǎn)品物理力學(xué)性能測試兩本規(guī)范，具體規(guī)格見表1。

表1　試件尺寸及數(shù)量

1.2設(shè)備儀器

1）電子萬能試驗(yàn)機(jī)，WDW-50E；2）微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，WAW-600-G；3）靜態(tài)應(yīng)變測試儀，DH3816N。

1.3試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)方法參考了美國材料測試協(xié)會(huì)（ASTM）D7032—10a［11］，D7031—11［12］，D4761—13［13］以及中國國家規(guī)范GB/T 1040—2006［9］，GB/T 29418—2012［10］等國內(nèi)外規(guī)范材料。

根據(jù)所查閱的國內(nèi)外規(guī)范材料，所有規(guī)范均推薦木塑復(fù)合材料試驗(yàn)加載速率均以每分鐘1%（±10%）的變形為宜；各規(guī)范所規(guī)定的試件尺寸要求也基本相同，軸壓試件的長度與其截面最小尺寸宜在3倍～4.5倍之間，彎曲試件跨度與厚度應(yīng)滿足L =（16h +50）mm±2 mm；國內(nèi)與國外的規(guī)范僅在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備及彎曲試驗(yàn)加載點(diǎn)布置上存在細(xì)微區(qū)別。綜合考慮，本試驗(yàn)最終以國內(nèi)規(guī)范為準(zhǔn)。軸向拉伸強(qiáng)度及彈性模量測量按GB/T 1040—2006［9］進(jìn)行，軸向壓縮強(qiáng)度及彈性模量測量按GB/T 29418—2012［10］進(jìn)行，彎曲強(qiáng)度及彈性模量測量按GB/T 29418—2012［10］進(jìn)行。

根據(jù)GB/T 29418—2012［10］要求，試驗(yàn)前，所有的試件放入溫度為（23±2）℃、相對濕度為50%±10%的恒溫室中72 h，保持木塑材料質(zhì)量和內(nèi)部濕度平衡。試驗(yàn)加載速率均為每分鐘1%的變形，彎曲試驗(yàn)按照1/3點(diǎn)加載，四點(diǎn)彎曲方式。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1破壞形態(tài)

軸向拉伸試驗(yàn)過程中，構(gòu)件沒有明顯伸長。試驗(yàn)力達(dá)到最大值前，試驗(yàn)力—位移曲線幾乎呈線性增長；破壞前，試件表面并未出現(xiàn)微裂縫。荷載達(dá)到最大值時(shí)，試件突然發(fā)生脆性斷裂，斷裂聲清脆響亮。試件被拉斷后，試驗(yàn)力瞬間下降，受拉承載力降為0，一裂就壞，屬于脆性破壞。受拉破壞試驗(yàn)力—位移曲線見圖1。

試件斷裂面呈不規(guī)則的鋸齒狀，破壞面基本垂直于試件表面。其中個(gè)別試件斷裂面在某些區(qū)域出現(xiàn)明顯的凹進(jìn)、凸出，這是由于這些區(qū)域邊緣擠壓相對不密實(shí)造成，斷裂面易向薄弱部位發(fā)展。

相對于軸向拉伸破壞和受彎破壞，軸向壓縮試驗(yàn)中，試件塑性變形明顯。從開始加載到試件最終受壓破壞，試件的軸向變形值很大，壓縮量明顯。

試驗(yàn)力小于30 kN時(shí)，試驗(yàn)力—位移近似呈線性增長；超過30 kN時(shí)，試驗(yàn)力—位移曲線開始出現(xiàn)非線性增長，試驗(yàn)力增長速率逐漸小于位移增長速率；試驗(yàn)力接近最大試驗(yàn)力時(shí)，試件承載力不再提高，軸向變形進(jìn)一步加大，材料表現(xiàn)出較好的延性。此時(shí)，若控制加壓設(shè)備以固定的位移變化速率加載，荷載將逐漸下滑；變形到達(dá)臨界值后，試件表面向四周鼓出，不再平整，并在試件側(cè)表面中間部位出現(xiàn)縱向裂縫，試件承載力急劇下降；最終，試件出現(xiàn)豎向貫通裂縫，試件端部被壓潰，試件喪失承載力，發(fā)生受壓破壞，屬于延性破壞。受壓破壞試驗(yàn)力—位移曲線見圖2。

圖1　軸向拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)力—位移曲線

圖2　軸向壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)力—位移曲線

彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)加載過程中，試件跨中部位下?lián)喜⒉幻黠@。試驗(yàn)力小于500 N時(shí)，試驗(yàn)力—位移近似呈線性增長；大于500 N時(shí)，試驗(yàn)力的增長速率逐漸慢于位移增長速率，試驗(yàn)力—位移曲線開始出現(xiàn)非線性增長。試件即將破壞時(shí)，跨中撓度值不大，試件底面也并未出現(xiàn)微裂縫。荷載達(dá)到最大值時(shí)，試件突然發(fā)生脆性斷裂，斷裂聲清脆響亮。試件受彎破壞后，試驗(yàn)力瞬間下降，受彎承載力降為0，屬于脆性破壞。

試件的斷裂面與受拉破壞的斷裂面相似。受彎破壞時(shí)，下部受拉區(qū)先于受壓區(qū)達(dá)到極限拉應(yīng)變發(fā)生破壞。由于木塑材料是由粒狀木質(zhì)纖維材料與塑料基復(fù)合熱熔擠出成型，其內(nèi)部沒有纖維聯(lián)結(jié)作用，一旦出現(xiàn)裂縫，便迅速發(fā)展，發(fā)生一裂就斷的脆性破壞。受彎破壞時(shí)，受壓區(qū)壓應(yīng)變遠(yuǎn)小于材料極限壓應(yīng)變。受彎破壞試驗(yàn)力—位移曲線見圖3。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共測得木塑復(fù)合材料的軸拉、軸壓、彎曲強(qiáng)度值及相應(yīng)彈性模量值各一組，其中每組共5個(gè)試件。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖9。

圖3　彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)力—位移曲線

圖4　軸向拉伸強(qiáng)度測量值

圖5　軸向壓縮強(qiáng)度測量值

圖7　拉伸彈性模量測量值

圖6　彎曲強(qiáng)度測量值

圖8　壓縮彈性模量測量值

圖9　彎曲彈性模量測量值

2.3結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，得到材料軸向拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度及相應(yīng)彈性模量的平均值，詳見表2。此外，表2中還列出了國內(nèi)外研究學(xué)者測得的木塑材料力學(xué)性能結(jié)果以及國內(nèi)楊木速生材的力學(xué)性能測試結(jié)果。

由表2可知，本次試驗(yàn)測得木塑材料的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度平均值均大于20 MPa，且各強(qiáng)度值較為相近。其中，試件抗壓強(qiáng)度相對較大，為25.88 MPa。此外，抗壓強(qiáng)度值的離散率也是三類強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果中最低的，變異系數(shù)僅為2.00%，材料抗壓性能較穩(wěn)定。拉伸和彎曲強(qiáng)度相對較小、離散率較大。本試驗(yàn)測得各種荷載作用下的彈性模量差異較大。其中，拉伸彈性模量相對較大，為4.63 GPa。此外，拉伸彈性模量離散率也為三類彈性模量試驗(yàn)結(jié)果中最低，變異系數(shù)僅為1.93%。相對于拉伸彈性模量值，材料的壓縮模量值較低，僅為1.51 GPa，且其數(shù)據(jù)離散率也較大，變異系數(shù)高達(dá)11.28%。

表2　木塑復(fù)合材料及楊木速生材力學(xué)性能表

由試驗(yàn)結(jié)果可得，木塑復(fù)合材料為各向異性材料。實(shí)際測得其壓縮模量較低，材料在承受軸向壓力時(shí)，變形較大，試驗(yàn)現(xiàn)象與測試結(jié)果相吻合。此外，材料拉伸彈性模量較大，拉伸強(qiáng)度較低，材料的極限拉應(yīng)變較低，其值遠(yuǎn)小于極限壓應(yīng)變。故材料在受彎破壞時(shí)，受拉區(qū)首先達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞，此時(shí)受壓區(qū)還處于彈性變形范圍內(nèi)，壓應(yīng)變遠(yuǎn)小于極限壓應(yīng)變。實(shí)際測得的彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度十分接近，正驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

對比國內(nèi)外學(xué)者得到的相似試驗(yàn)結(jié)果，由于試驗(yàn)所用木塑材料、試驗(yàn)方法不同，試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異。木塑材料組成以及外加劑添加不同對材料力學(xué)性能造成較大影響。各試驗(yàn)在測量拉伸強(qiáng)度其彈性模量時(shí)，試驗(yàn)方法基本相同，由于操作簡單，測試結(jié)果的差異主要受材料本身影響。對比發(fā)現(xiàn)，木塑材料拉伸強(qiáng)度最大為20.3 MPa，與國內(nèi)應(yīng)用較為普遍的楊木速生材的拉伸強(qiáng)度存在較大差距，但是木塑材料變異系數(shù)遠(yuǎn)低于速生材，材料性能相對穩(wěn)定。相對于拉伸強(qiáng)度，木塑材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)到了速生材壓縮強(qiáng)度的63%，變異系數(shù)更是遠(yuǎn)低于速生材。在彎曲強(qiáng)度以及彎曲模量的測量中，各試驗(yàn)所得結(jié)果相差較大，除試件材料本身差異外，加載方式的不同以及試件跨高比不同均對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。表2中木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最大為40.1 MPa，達(dá)到速生材的68%，彎曲彈性模量最大為3.6 GPa，為速生材的67%，兩者的變異系數(shù)均小于速生材。盡管木塑材料的力學(xué)性能有了很大改進(jìn)，但受其界面相容性影響，相對于其他結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度較低；此外，由于木塑材料本身存在粘彈性，在長期使用過程中會(huì)產(chǎn)生較大的蠕變。因此，木塑材料很難單獨(dú)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，成為梁、柱等承重構(gòu)件。雖然近年來在界面改進(jìn)劑的研究中有重大突破，但是Raj等［15］和Lu等［16］研究表明，單獨(dú)改善塑料和木材的界面相容性對木塑復(fù)合材料強(qiáng)度的提高十分有限，難以產(chǎn)生根本性變化。為顯著提高木塑構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，改善其力學(xué)性能，使其能應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，目前較為常用的方法有兩種，一是在木塑型材內(nèi)部復(fù)合鋁合金材料，在生產(chǎn)制作的過程中與木塑共同擠出，鋁合金材料能夠有效提高其強(qiáng)度和剛度；另一種辦法是在木塑板材外包裹FRP材料，研究表明在木塑板材外包裹FRP材料后，其拉伸強(qiáng)度最高提高3倍，拉伸模量最高提高2倍［4］。

3　結(jié)語

1）材料受拉和受彎破壞均為明顯的脆性破壞。受壓破壞則表現(xiàn)出延性破壞的特征。

2）材料拉伸模量高，拉伸強(qiáng)度低，受拉破壞時(shí)，極限拉應(yīng)變很?。徊牧蠅嚎s模量高，壓縮強(qiáng)度相對較大，極限壓應(yīng)變相對較大。

3）材料受彎破壞本質(zhì)上是受拉區(qū)的拉伸破壞，其強(qiáng)度與材料抗拉強(qiáng)度相近。

4）試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)離散率不大，材料性能較為穩(wěn)定，但是由于其強(qiáng)度和剛度均較低，不建議單獨(dú)用作建筑結(jié)構(gòu)，可復(fù)合其他材料，改善其力學(xué)性能。

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Test analysis of PE wood-plastic composite mechanical performance

Chen Ye Jia Xinxin Zhang Xingyu Du Li
（School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：The paper indicates the advantages of the wood-plastic composite materials，researches the composite material have more stable performance and higher reliability according to the analysis of its dynamic performance，and points out the material has lower strength and stiffness，so it can’t be used in architectural structures.

Key words：wood-plastic composite material，dynamic performance，damage feature，test analysis

中圖分類號(hào)：TU502

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0105-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：陳燁（1994-），男，在讀本科生；賈欣欣（1993-），男，在讀本科生；張星宇（1994-），男，在讀本科生；杜利（1994-），女，在讀本科生