竹質(zhì)工程材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周臻徽 ，丁 科 ，何朝紅 ，李建軍

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

竹質(zhì)工程材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周臻徽a，b，丁 科a，b，何朝紅b，李建軍a，b

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

重組竹與竹集成材是兩種應(yīng)用較為廣泛的竹質(zhì)工程材料，對(duì)其力學(xué)性能的研究有助于擴(kuò)展其在工程上的應(yīng)用。本研究對(duì)重組竹和竹集成材進(jìn)行了抗彎和抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)，分別得到了它們的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度，并分析了兩種竹質(zhì)工程材料的不同破壞情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：重組竹的抗彎和抗壓力學(xué)性能要優(yōu)于竹集成材；重組竹抗彎破壞表現(xiàn)為脆性破壞，竹集成材則表現(xiàn)出一定的延性特性；竹材的力學(xué)性能與其本身材料性能和膠合面的力學(xué)性能有關(guān)。

重組竹；竹集成材；抗彎試驗(yàn)；抗壓試驗(yàn)

我國(guó)的木材資源相對(duì)匱乏，而竹材資源相對(duì)豐裕，世界已知竹種超過(guò)1 500種，我國(guó)有超過(guò)600種，中國(guó)竹林面積達(dá)6.01×106hm2[1]，是世界上竹類(lèi)分布最廣、資源最多、利用最早的國(guó)家之一，素有“竹子王國(guó)”的美譽(yù)。另外，竹子的生長(zhǎng)能力強(qiáng)，繁殖方式多樣[2]，材質(zhì)優(yōu)良，是一種很好的工程材料。我國(guó)的竹材加工技術(shù)，處于世界領(lǐng)先地位，竹材工業(yè)化利用的比重也逐年增加，近年對(duì)竹質(zhì)工程材料的開(kāi)發(fā)利用，大大的拓寬了竹材的使用范圍。

竹質(zhì)工程材料是以竹材為原料，經(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械和化學(xué)加工，在一定的溫度和壓力下，借助膠黏劑或竹材自身的結(jié)合力作用，膠合而成的板狀材料。與木材相比，竹材人造板具有強(qiáng)度高、彈性好、剛度大、變形小、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[3]。對(duì)比傳統(tǒng)的建筑材料，其質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)所占面積更少，在生產(chǎn)過(guò)程、環(huán)境效益及使用功能等方面都具有優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，竹材人造板的應(yīng)用前景十分良好。

竹集成材與重組竹是竹質(zhì)工程材料的兩種典型代表，應(yīng)用也較為廣泛。竹集成材是一種新型的竹質(zhì)人造板，通過(guò)以竹材為原料，經(jīng)防腐、干燥、涂膠等工藝進(jìn)行組胚膠合而成的竹質(zhì)材料，采用改性的環(huán)保樹(shù)脂，環(huán)保性更好，并且保留了竹子原有的物理力學(xué)性能、干縮濕脹性等，用竹集成材制成的竹結(jié)構(gòu)梁不僅具有良好的強(qiáng)度性能，還具有很好的延展性[4-5]。重組竹，就是先將竹材疏解成通長(zhǎng)的、相互交聯(lián)并保持纖維原有排列方式的疏松網(wǎng)狀纖維束，再經(jīng)過(guò)干燥、施膠、組坯成型后熱壓而成的板狀或其他形式的材料[6]，密度更大，硬度更高，膠合程度更緊密。

竹質(zhì)工程材料屬于各向異性的復(fù)合材料，順紋和橫紋的物理力學(xué)性能相差較大，本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜[7]，不同的竹種、膠種、成型方式、材料不同部位的加載方式、含水率等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[8]?？紤]到對(duì)竹質(zhì)工程材料的力學(xué)性能試驗(yàn)已有很多參考數(shù)據(jù)，本研究重點(diǎn)對(duì)竹集成材與重組竹進(jìn)行抗彎與抗壓力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比這兩種竹材的破壞形式，為更好的利用竹材提供參考。

1 抗彎試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)用竹集成材與重組竹采購(gòu)自湖南省益陽(yáng)市桃江縣桃花江竹業(yè)發(fā)展有限公司，竹種選用楠竹，采用酚醛樹(shù)脂膠黏劑膠合而成。試驗(yàn)參考《木材無(wú)暇小試樣的試驗(yàn)方法》（ASTM D143-1994）[9]和《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》（GB1927～1943-1991）[10]等標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)設(shè)備為SANS 10 t的萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)（如圖1所示）?？箯澰嚰叽绲拈L(zhǎng)寬高分別為300 mm×30 mm×25 mm，沿長(zhǎng)度方向順紋，每種竹材的試件分別為20個(gè)，結(jié)果如圖2所示。

圖1 萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Electronic testing machine

圖2 重組竹抗彎試件Fig.2 Pine specimens of reconsolidated Bamboo

試驗(yàn)參照《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》（GB1927～1943—1991），首先進(jìn)行抗彎彈性模量測(cè)定。采用兩點(diǎn)加載方式，兩加載點(diǎn)間距80 mm，支座240 mm，將百分表置于試件中央底部（如圖1所示）。設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以1 mm/min勻速加載至1 000 N，記錄百分表讀數(shù)。再以2 mm/min勻速加載至上限荷載（竹集成材上限荷載為3 000 N，重組竹上限荷載為4 000 N），記錄百分表讀數(shù)。隨即卸載至下限荷載800 N，如此反復(fù)4次。根據(jù)后3次測(cè)得的試樣變形值，分別計(jì)算出上、下限變形平均值，根據(jù)抗彎彈性模量計(jì)算公式，求得抗彎彈性模量。

然后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，將試樣裝在間距240 mm的支座上，采用單點(diǎn)加載方式，應(yīng)保證試件在2 min內(nèi)破壞[11]，本試驗(yàn)選取的加載速度為2 mm/min，記錄破壞荷載，并計(jì)算抗彎強(qiáng)度。

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，抗彎彈性模量、強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式（1）、（2）其中：E為彈性模量，MPa；σ為抗彎強(qiáng)度，MPa；P為上、下限荷載之差，N；Pmax為破壞荷載，N；l為支座間跨距，mm；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm；f為上、下限荷載間的試樣變形值，mm。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，我們對(duì)竹集成材和重組竹進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)，并根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算了竹集成材和重組竹的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度（如表1所示），表中數(shù)據(jù)為20個(gè)試件的平均值。

表1 兩種竹材的抗彎力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Flexural mechanical properties of two bamboo species

重組竹的抗彎破壞總體上表現(xiàn)為：在加載初期，試件處于彈性階段，此過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變成正比，變形可以恢復(fù)；隨著荷載的增大，試件的撓度變大，荷載-位移曲線增加趨勢(shì)變的緩慢，試件開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，伴隨著竹絲拉斷發(fā)出的聲音，此時(shí)試件進(jìn)入塑性階段；但竹木材料塑性階段較小，隨著荷載進(jìn)一步增大，試件很快發(fā)出“咔”的一聲巨響，被破壞。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)多，故去掉部分，只列出了幾組荷載-位移曲線，如圖3所示。

從圖3中曲線可以看出，重組竹的抗彎破壞有幾種不同的破壞情況，圖4中(a)與(b)是重組竹的兩種不同的破壞情況。圖4(a)是第一種破壞情況，荷載-位移曲線有一個(gè)先下降，后上升的過(guò)程。這種破壞情況是，隨著荷載的增大，裂縫開(kāi)始斜向上延伸至試件中部，逐漸向兩端橫向發(fā)展，最后試件中下側(cè)的裂縫迅速沿著膠合面擴(kuò)展，試件破壞。發(fā)生這種破壞，是由于當(dāng)裂縫傳遞至中部時(shí)，底端竹纖維斷開(kāi)，試件失去小部分承載力，但試件上端的抗彎強(qiáng)度比較大，還未達(dá)到斷裂荷載，試件上端仍有較大的剩余承載力，而竹板膠合面的黏合力相對(duì)較小，裂縫于是沿著膠合面方向朝兩端發(fā)展，直至試件破壞。

圖3 重組竹抗彎試件荷載-位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of reconsolidated bamboo to flexural specimens

圖4(b)是重組竹試件抗彎的另一種破壞情況，試件底端首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大向上延伸，但并沒(méi)有向兩端擴(kuò)展，而是直接向上延伸直至試件破壞。這種破壞表現(xiàn)的更有突然性，且試件從加載到破壞的時(shí)間非常短，沒(méi)有明顯的延性特性。兩者相對(duì)比，(a)破壞有明顯的延性特征，而(b)破壞則屬于脆性破壞。

圖4 重組竹兩種抗彎破壞荷載-位移曲線和破壞情況Fig.4 Force-displacement curve and failure modes of reconsolidated bamboo to flexural specimens

竹集成材的荷載-位移曲線如圖5所示。竹集成材在彎曲過(guò)程中的表現(xiàn)與重組竹大致相同，同樣從加載開(kāi)始，呈線性增加趨勢(shì)。只是在進(jìn)入塑性階段后，竹集成材表現(xiàn)出更多的延性特征，大部分的試件在彎曲破壞中，都有荷載先下降后上升的現(xiàn)象。

圖6(a)是竹集成材試件抗彎破壞的一種情況，首先試件底端出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大，裂縫開(kāi)始向上延伸至在試件中下部，并沿著膠合面橫向擴(kuò)展，直至試件下端被拉斷，試件破壞。竹集成材抗彎試驗(yàn)中，大部分都屬于這種破壞，在達(dá)到抗彎強(qiáng)度后，竹集成材表現(xiàn)出一定的延性，試件并沒(méi)有馬上斷裂破壞，而是隨著變形增加，仍有一定的剩余承載力，這種破壞的主要原因是由于膠合面出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致試件失去承載力。

圖6(b)是竹集成材試件抗彎破壞的另一種情況，首先試件底部出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增大，裂縫沿著斜向上方向延伸，迅速擴(kuò)展至試件中部，試件下端被拉斷，試件破壞。該破壞是單一的脆性破壞，沒(méi)有出現(xiàn)顯著的延性特征。

圖5 竹集成材抗彎試件荷載-位移曲線Fig.5 Force-displacement curve of glued laminated bamboo to flexural specimens

圖6 竹集成材抗彎破壞荷載-位移曲線和破壞情況Fig.6 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo to flexural specimens

2 抗壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)分別進(jìn)行順紋抗壓和橫紋抗壓，試件尺寸均為100 mm×25 mm×25 mm，長(zhǎng)度方向一組沿材料順紋方向，一組沿材料橫紋方向。試樣如圖7所示。

圖7 抗壓試件Fig.7 Specimens of compressive test

試驗(yàn)設(shè)備為SANS萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)參考《木材無(wú)暇小試樣的試驗(yàn)方法》（ASTM D143-1994）和《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》（GB1927～1943—1991），先進(jìn)行抗壓彈性模量測(cè)定。將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)上，確保其軸心受壓，在其彈性區(qū)間選取上下限荷載，本試驗(yàn)選取5 000～150 000 N，加載速度為4 mm/min。反復(fù)加載卸載6次，取后四次的平均值按公式計(jì)算抗壓彈性模量。之后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速度為4 mm/min，使試件在3 min內(nèi)破壞[12]，勻速加載至試件破壞，記錄破壞荷載，按公式計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，我們對(duì)竹集成材和重組竹進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)，并根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算了竹集成材和重組竹的抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度（如表2所示），表中數(shù)據(jù)為40個(gè)試件的平均值。

表2 兩種竹材的抗壓力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Compressive mechanical properties of two bamboo species

圖8是從試驗(yàn)中選取的一部分重組竹順紋抗壓的荷載-位移曲線，以及重組竹順紋抗壓試件的各個(gè)階段的破壞情況，從中可以看出：試件在加載初期，曲線呈線性關(guān)系，處于彈性階段；隨著荷載的增大，試件的開(kāi)始微微的彎曲并出現(xiàn)輕微的裂縫，這些裂縫沿著順紋方向擴(kuò)展，此時(shí)曲線增長(zhǎng)的趨勢(shì)變慢；當(dāng)加載荷載達(dá)到峰值，試件局部發(fā)生屈曲，承載力下降，但試件沒(méi)有立即破壞，而是仍保留一定的承載能力，直至試件最終破壞。

圖9給出了重組竹橫紋抗壓的荷載-位移曲線以及各個(gè)階段的破壞情況，可以看出：加載初期試件處于彈性階段，相比順紋受壓，橫紋受壓處于彈性階段的時(shí)間更短，試件很快進(jìn)入塑性階段；處于塑性階段的試件開(kāi)始彎曲變形，并出現(xiàn)輕微的裂縫，裂縫與縱向成45 °角斜向上擴(kuò)展；隨著荷載的增大，裂縫不斷延伸，最后成為一個(gè)斜切面將試件破壞。試件符合脆性材料的破壞特征[13]。

圖10是竹集成材順紋抗壓荷載-位移曲線和破壞情況，可以看出，竹集成竹在順紋抗壓過(guò)程，初期處于彈性階段，進(jìn)入塑性階段后很快荷載達(dá)到峰值，試件開(kāi)始彎曲，并出現(xiàn)縱向裂縫；但試件沒(méi)有立即被破壞，而是隨著變形的增大仍然保持一定的承載力，直到試件最終被破壞。最后的破壞情況有兩種，一種是試件出現(xiàn)橫向裂縫，試件被折斷裂；第二種是試件膠合面出現(xiàn)縱向裂縫，試件受壓彎曲。兩種破壞荷載-位移曲線相差不大。

圖11是竹集成材橫紋抗壓荷載-位移曲線和破壞情況，可以看出，竹集成材橫紋抗壓并不像重組竹橫紋抗壓一樣，竹集成材的破壞都是發(fā)生在試件膠合面處，與其順紋抗壓的第二種情況有些類(lèi)似，因?yàn)槠淠z合面的力學(xué)性能比較低，裂縫沿著界面擴(kuò)展直至破壞，屬于低強(qiáng)度的破壞。

圖8 重組竹順紋抗壓荷載-位移曲線及破壞情況Fig.8 Force-displacement curve and failure modes of reconsolidated bamboo parallel to grain compressive specimens

圖10 竹集成材順紋抗壓荷載-位移曲線及破壞情況Fig.10 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo parallel to grain compressive specimens

3 結(jié) 論

本研究對(duì)重組竹和竹集成材進(jìn)行了抗彎和抗壓力學(xué)性能測(cè)試，在此基礎(chǔ)上對(duì)這兩種竹質(zhì)工程材料的破壞情況進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)比兩種竹材的抗彎試驗(yàn)，重組竹抗彎強(qiáng)度要優(yōu)于竹集成材，而竹集成材的抗變形能力更為突出；

圖11 竹集成材橫紋抗壓荷載-位移曲線及破壞情況Fig.11 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo perpendicular to grain compressive specimens

（2）考慮到竹質(zhì)工程材料是一種各向異性的復(fù)合材料，其破壞情況受到多方面的影響，在所有的抗彎破壞中，材料本身強(qiáng)度、膠合面力學(xué)性能對(duì)其力學(xué)性能影響較大，重組竹由竹纖維膠合而成，材料本身更致密，纖維之間的膠合力更強(qiáng)，破壞往往都是由纖維的斷裂造成的，破壞情況大多屬于脆性破壞，而竹集成材是由竹板竹條壓合而成，膠合面的力學(xué)性能較差，破壞都是從膠合面開(kāi)始，裂縫會(huì)不斷延伸到上一層的竹板，直至破壞，有一定的延性特征，屬于延性破壞；

（3）重組竹的抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于竹集成材，每種竹材的順紋抗壓強(qiáng)度又要優(yōu)于橫紋抗壓強(qiáng)度；

（4）重組竹的順紋抗壓破壞是由于竹纖維的斷裂而導(dǎo)致試件的破壞，而橫紋抗壓破壞則是膠合面的斷裂；竹集成材的順紋和橫紋抗壓破壞，都是因?yàn)槟z合面的開(kāi)裂而導(dǎo)致試件的破壞，這說(shuō)明膠合面力學(xué)性能的好壞，對(duì)竹材的力學(xué)性能有著重要的影響。

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Experimental study on mechanical properties of bamboo engineering materials

ZHOU Zhenhuia,b, DING Kea,b, HE Zhaohongb, LI Jianjuna,b
(a.Hunan Province Key Laboratory of Engineering Rheology; b. College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Reconsolidated bamboo (RB) and glued laminated bamboo (GLB), which are two kinds of bamboo-based engineering composite material, are widely used to engineering field. The research of the mechanical properties is helpful to expand its application in engineering. In the paper, the experiments of bending and compressive mechanical properties test of reconsolidated bamboo and glued laminated bamboo are introduced. The flexural modulus, flexural strength, compressive modulus and compressive strength of RB and GLB are obtained. And the different forms of destruction are analyzed. The experimental results show that the mechanical properties of reconsolidated bamboo are better than glued laminated bamboo. Reconsolidated bamboo takes on brittle damage, and glued laminated bamboo exhibits the ductility characteristics. The mechanical properties of bamboo are related to the material character of bamboo and the properties of glued interface.

reconsolidated bamboo; glued laminated bamboo; compressive test; bending test

S781.2

A

1673-923X(2017)08-0122-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.020

2016-09-06

湖南省自科基金項(xiàng)目（12JJ3001）

周臻徽，碩士研究生

丁 科，教授，工學(xué)博士；E-mail：kding@sina.com

周臻徽，丁 科，何朝紅，等. 竹質(zhì)工程材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(8): 122-128.

[本文編校：文鳳鳴]