不同使用年限的柏木基本材料力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比研究

劉德貴，陳科材，鄧云毅，李建春

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.宜賓市公路局，四川 宜賓 644000;3.石榴置業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 102488)

木材作為傳統(tǒng)建筑材料，綠色環(huán)保、低碳節(jié)能、強(qiáng)度比(強(qiáng)度/比重)高、能耗低，由其修建的木結(jié)構(gòu)房屋具有自然親和力、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，以致木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)存在并被廣泛使用.木材的抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度等基本力學(xué)性能指標(biāo)在木結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)、計(jì)算和研究中非常重要.近年來，工程領(lǐng)域越來越關(guān)注木結(jié)構(gòu)等各類結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計(jì)受力性能并構(gòu)建相關(guān)理論[1-2].木材材料力學(xué)性能受溫度、濕度和環(huán)境腐蝕等多種因素的影響，隨使用時(shí)間增長[3]木材各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)降低，材質(zhì)劣化等問題；該方面的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視關(guān)注.Getharsds C.C等[4-5]指出木材的強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的，進(jìn)行了木材在荷載作用下失效時(shí)間的測定試驗(yàn)，建立的參數(shù)評(píng)估模型描述木材強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展.我國《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固規(guī)范》編制組20世紀(jì)70、80年代進(jìn)行了我國應(yīng)縣木塔、晉祠景清門等古木結(jié)構(gòu)的用材與現(xiàn)代木材強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木材強(qiáng)度都因使用年限久遠(yuǎn)而產(chǎn)生了不同程度的降低.近年來，徐明剛[6]等也開展了古建筑舊木材材性試驗(yàn)，并與新木材對(duì)比，得到了舊木材順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量等力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì).趙鴻鐵[7]等指出在古建筑木結(jié)構(gòu)受力性能研究時(shí)，多數(shù)試驗(yàn)所用材料為新木材，并沒有考慮由于強(qiáng)度退化等殘損情況對(duì)木材受力性能的影響.謝妍[7]提出在修繕古建木結(jié)構(gòu)時(shí)，木材的材料力學(xué)性能已出現(xiàn)退化，強(qiáng)度降低，修繕加固時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)度折減.木材力學(xué)性能指標(biāo)雖然已有相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法[9-14]，但文獻(xiàn)表明，采用新木材獲得的木材強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)際不能作為木結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的強(qiáng)度指標(biāo)，為此研究木材強(qiáng)度隨時(shí)間增長的變化規(guī)律，對(duì)研究木結(jié)構(gòu)全壽命周期受力性能具有意義.

柏木是古建木結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)常用的建筑材料[14]，本文基于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)農(nóng)房調(diào)研機(jī)會(huì)，在四川省綿陽市梓潼縣的某鄉(xiāng)村現(xiàn)場收集了修建年代不同的木結(jié)構(gòu)建筑使用過的柏木(1 a、10 a、40 a和80 a)，對(duì)這些柏木進(jìn)行了抗壓、抗拉和抗彎試驗(yàn)，獲取了不同使用年限(時(shí)間)柏木的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)，初步探討了木材強(qiáng)度指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所采用柏木采樣均收集于綿陽市梓潼縣某鄉(xiāng)同一村，保證了木材具有相同生長環(huán)境和試樣可比性，不同使用年限木材如圖1所示.測定了4種不同使用年限木材的含水率[9-10]，含水率試樣為30 mm×20 mm×20 mm的木塊.試樣和含水率試驗(yàn)如圖2、3所示，四種不同使用年限柏木的含水率分別為14.33%(1 a)，12.78%(10 a)，10.33%(40 a)，9.49%(80 a).四種不同使用年限柏木的干密度分別為：0.585 g/cm3(1 a)、0.704 g/cm3(10 a)、0.614 g/cm3(40 a)和0.663 g/cm3(80 a).

圖1 試驗(yàn)?zāi)静?/p>

圖2 柏木含水率試樣

圖3 柏木含水率試驗(yàn)

2 柏木順紋抗壓試驗(yàn)

2.1 試樣制作及試驗(yàn)方法

不同使用年限柏木順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9,11]開展.對(duì)4種不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分別取6個(gè)試樣(圖4)進(jìn)行其順紋抗壓強(qiáng)度測定，試樣尺寸為：30 mm×20 mm×20 mm.試驗(yàn)在材料萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(圖5)，加載速度為1 mm/min.

圖4 抗壓試驗(yàn)試塊

圖5 柏木抗壓試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

4種不同使用年限柏木的順紋抗壓試驗(yàn)，在試件受壓破壞時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生順紋方向的開裂(圖6)，1 a和10 a柏木試樣開裂時(shí)，無明顯劈裂響聲，但40 a和80 a的柏木試樣，受壓破壞開裂時(shí)產(chǎn)生了明顯的劈裂聲.說明柏木隨使用年限或時(shí)間的增長，會(huì)表現(xiàn)出明顯的脆性.

圖6 抗壓試驗(yàn)試樣典型破壞形態(tài)

觀察4種不同使用年限柏木的荷載-位移關(guān)系曲線(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)不同使用年限柏木的順紋抗壓性能存在差異.1 a、10 a、40 a柏木試樣有明顯的比例極限荷載，后經(jīng)過一定階段的硬化后才達(dá)到其極限荷載，而80 a柏木的試樣荷載-位移關(guān)系曲線沒有硬化階段，達(dá)到其極限荷載后，很快進(jìn)入下降段并破壞；同時(shí)，10 a柏木的抗壓荷載-位移關(guān)系曲線具有較長的近平直段.1 a、10 a、40 a和80 a柏木抗壓延性系數(shù)分別為3.877、9.685、3.745和1.0，荷載-位移關(guān)系曲線和延性系數(shù)表明，10 a柏木表現(xiàn)出較好的抗壓延性變形能力，1 a和40 a柏木有一定的延性變形能力，而80 a柏木則表現(xiàn)出明顯的脆性.

圖7 不同使用年限柏木代表性抗壓試驗(yàn)荷載-位移曲線

表1 不同使用年限柏木的抗壓強(qiáng)度

各不同使用年限柏木抗壓強(qiáng)度如表1和圖8所示.數(shù)據(jù)表明，1 a的柏木抗壓強(qiáng)度最高，為31.81 MPa，隨著年限的增長，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，10 a的柏木抗壓強(qiáng)度較1年柏木的抗壓強(qiáng)度有一定程度降低，40 a的柏木抗壓強(qiáng)度較1 a柏木的抗壓強(qiáng)度低33.6%，80 a的柏木抗壓強(qiáng)度較1 a木材的抗壓強(qiáng)度低45.1%，80 a的柏木抗壓強(qiáng)度值最低，最低為17.47 MPa.

圖8 不同使用年限柏木抗壓強(qiáng)度值

3 柏木順紋抗拉試驗(yàn)

3.1 試樣制作及試驗(yàn)方法

不同使用年限柏木順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9,12]開展.對(duì)四種不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分別取6個(gè)試樣進(jìn)行其順紋抗拉強(qiáng)度測定，試樣(圖9)標(biāo)準(zhǔn)段尺寸[11]為：4 mm×15 mm×60 mm，總長度為370 mm；試驗(yàn)在材料萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(圖10)，加載速度為2 mm/min.

圖9 抗拉試驗(yàn)試件

圖10 柏木的抗拉試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

柏木的順紋抗拉試驗(yàn)過程中，不會(huì)出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象，在達(dá)到受拉極限強(qiáng)度時(shí)，試樣突然拉斷，拉斷基本垂直于試件長度方向，部分呈傾斜狀(圖11).1 a、10 a、40 a的柏木試樣拉斷時(shí)無明顯劈裂響聲，80 a的柏木試樣拉斷時(shí)有較大的劈裂響聲.這也說明木材隨使用年限增長，會(huì)表現(xiàn)出明顯的脆性.

圖11 抗拉試驗(yàn)典型破壞形態(tài)

圖12所示抗拉試驗(yàn)荷載-位移關(guān)系曲線表明，不同使用年限柏木的順紋抗拉性能同樣存在差異，10 a柏木試樣達(dá)到極限抗拉荷載后有一段硬化階段，且抗拉極限荷載也最大，40 a柏木次之，1 a和80 a柏木極限抗拉荷載較為接近并最低.

圖12 不同使用年限柏木代表性抗拉荷載-位移曲線

表2和圖13所示4種不同使用年限柏木的抗拉強(qiáng)度值表明，10 a的柏木抗拉強(qiáng)度最高，為126.86 MPa，80 a的柏木抗拉強(qiáng)度值最低，為80.40 MPa.隨著年限的增長，柏木抗拉強(qiáng)度并不是逐漸降低的，而在一定年限內(nèi)，抗拉強(qiáng)度有所提高，之后逐漸降低.本次試驗(yàn)10 a的柏木抗拉強(qiáng)度比1 a柏木的抗拉強(qiáng)度高51.1%，40 a的柏木抗拉強(qiáng)度較10 a木材的抗拉強(qiáng)度低17.8%，80 a的柏木抗拉強(qiáng)度較10 a木材的抗拉強(qiáng)度低36.6%.

表2 不同使用年限柏木的抗拉強(qiáng)度

圖13 不同使用年限柏木的抗拉強(qiáng)度值

4 柏木彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 試樣制作及試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9,13-14]，對(duì)1 a、10 a、40 a、80 a的柏木進(jìn)行彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(圖15)，其試件(圖14)尺寸為：20 mm×20 mm×300 mm.同時(shí)，也測定了柏木的抗彎彈性模量.試驗(yàn)加載采用位移增量控制，加載速度為1 mm/min.

圖14 抗彎試驗(yàn)試件

圖15 柏木彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

圖16 柏木抗彎試驗(yàn)典型破壞形態(tài)

4種不同使用年限柏木的抗彎破壞現(xiàn)象均是先在試件跨中下緣出現(xiàn)一短小豎向垂直拉裂縫，然后沿柏木順紋出現(xiàn)破裂現(xiàn)象(圖16).在破壞時(shí)，80 a的柏木在受彎破壞時(shí)，有明顯的劈裂聲，其它年限柏木未出現(xiàn)明顯的劈裂聲.再次說明柏木隨著使用時(shí)間的增長，表現(xiàn)出明顯的脆性.圖17所示4種不同使用年限柏木的彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)荷載-位移關(guān)系曲線表明，10 a柏木彎曲抗拉極限荷載最大，40 a次之，80 a最小.表3和圖18所示不同使用年限柏木彎曲抗拉強(qiáng)度值表明：與柏木的順紋抗拉強(qiáng)度類似，10 a的柏木彎曲抗拉強(qiáng)度最高，為197.68 MPa，80 a的柏木彎曲抗拉強(qiáng)度最低，為101 MPa.10 a的柏木抗彎強(qiáng)度比1 a柏木的抗彎強(qiáng)度高75.2%，40 a柏木彎曲抗拉強(qiáng)度較10 a柏木的彎曲抗拉強(qiáng)度低22.8%，80 a的柏木彎曲抗拉強(qiáng)度較10 a柏木的彎曲抗拉強(qiáng)度低48.9%.隨著使用年限的增長，在一定年限內(nèi)，彎曲抗拉強(qiáng)度有所提高，到一定年限后之后逐漸降低.

圖17 不同使用年限柏木代表性彎曲抗拉試驗(yàn)荷載-位移曲線

表3 不同使用年限柏木的極限抗彎強(qiáng)度

圖18 試件的抗彎強(qiáng)度值

表4 柏木的抗彎彈性模量值

同時(shí)，根據(jù)抗彎彈性模量計(jì)算公式[12]整理出了不同使用年限柏木的抗彎彈性模量(表4)，也繪制了柏木抗彎彈性模量隨使用年限的規(guī)律圖(圖19).表4數(shù)據(jù)和圖19表明，10 a柏木的抗彎彈性模量最大，為11 993 MPa，80 a柏木的抗彎彈性模量最低，為7 691 MPa.10 a的柏木彎曲彈性模量比1 a彎曲彈性模量高28.2%，40 a柏木彎曲彈性模量較10 a柏木的彎曲彈性模量低5.7%，80 a的柏木彎曲彈性模量較10 a木材的彎曲彈性模量低35.9%.說明在一定年限范圍內(nèi)，柏木的抗彎彈性模量是增加的，達(dá)到最大值后，又逐漸降低.

圖19 柏木抗彎彈性模量

5 結(jié)論

柏木抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度及彈性模量均表現(xiàn)出隨使用年限(時(shí)間)增長而變化的規(guī)律：

(1)柏木順紋抗壓強(qiáng)度隨使用年限的增長而逐漸降低，使用年限越長，降低越明顯；10 a左右柏木表現(xiàn)出較好的抗壓延性；隨使用年限增長，柏木會(huì)表現(xiàn)出明顯的脆性.

(2)柏木順紋抗拉強(qiáng)度早期表現(xiàn)出一定的增長，到一定年限(本試驗(yàn)數(shù)據(jù)為10 a)達(dá)到最大值，然后隨使用年限的增長而逐漸降低.

(3)柏木的彎曲抗拉強(qiáng)度和抗彎彈性模量表現(xiàn)出與順紋抗拉強(qiáng)度一樣的規(guī)律，早期表現(xiàn)出一定的增長，到一定年限(本試驗(yàn)數(shù)據(jù)為10 a)達(dá)到最大值，隨使用年限的增長而逐漸降低，使用年限越久，降低程度越大.

(4)建議對(duì)柏木或其他木材的抗壓、抗拉和彎曲抗拉和彈性模量等強(qiáng)度指標(biāo)的取值應(yīng)考慮隨使用年限(時(shí)間)的增加而變化的特性，以保證木結(jié)構(gòu)建筑的全壽命周期內(nèi)的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性.