竹節(jié)對竹材抗壓力學(xué)性能影響的試驗研究

林福地，陳穎輝，2，戴志峰，歐明喜，2

（1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明650500；2.云南省土木工程防災(zāi)重點實驗室，云南昆明650500）

鋼筋在工程建筑行業(yè)中被大量運用，作為建筑骨架結(jié)構(gòu)，有著抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、抗碳化性等優(yōu)點，很大程度上帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但針對我國綠色生態(tài)建筑材料的提倡，也有著造價高、工業(yè)制造污染大及不利于資源再生利用等缺點。基于此，提出綠色環(huán)保材料——竹材的開發(fā)利用，相對于鋼筋，竹材有著生長速度快、低自重、周期短及強(qiáng)度高且穩(wěn)定等優(yōu)點［1］。

目前，針對竹材部位的測試、竹材混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究、竹材連接方式的不同，國內(nèi)學(xué)者已做了大量研究。鄧友生［2］等通過比較國內(nèi)外不同毛竹構(gòu)件及竹質(zhì)結(jié)構(gòu)的試驗方法，研究了毛竹管不同部位、空竹管與混凝土竹管對其抗壓承載力的影響規(guī)律，并分析了變形破壞特點。王?？。?］等通過探究竹材的斜接工藝，對比分析了斜接竹材與竹材的力學(xué)性能。王雪花、宋莎莎［4］等采用現(xiàn)在的技術(shù)手段和構(gòu)造方式，將竹材用于現(xiàn)代建筑的墻體，以滿足現(xiàn)代社會的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。陳溪，許清風(fēng)［5］等對工程竹的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了提高其力學(xué)性能和生產(chǎn)工藝的技術(shù)途徑。

同時，國外學(xué)者也做了大量以竹材為原料來增加復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的研究，Anu Gupta［6］通過對竹材中提取的竹纖維進(jìn)行表征，并結(jié)合聚丙烯基復(fù)合材料，以增強(qiáng)材料的整體穩(wěn)定性。Matthew Penelluma［7］等通過模擬竹纖維的微觀結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)竹板復(fù)合材料，改變建筑的建造方式來提高竹材復(fù)合板在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。T.Tana，b［8］等人利用納米壓痕技術(shù)結(jié)合有限元數(shù)值模擬，運用楊氏模量的實際變化來模擬竹材在斷裂韌性試驗中的變形和斷裂。針對于竹材試驗，在我國已有的試驗規(guī)范中，往往以竹環(huán)壁為研究對象，而忽略了竹節(jié)的影響，造成實際數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，基于此，本文主要通過對比無竹節(jié)及帶竹節(jié)的抗壓彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度的測試，并結(jié)合對比計算數(shù)據(jù)分析出竹節(jié)對竹材的影響，為實際工程提供科學(xué)有效的依據(jù)。

1 方法和材料

1.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

竹材主要以橫紋和順紋進(jìn)行抗壓試驗。依據(jù)《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》JG/T199-2007［11］對竹材的抗壓彈性模量進(jìn)行測定。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《竹子物理與機(jī)械性能的測定》ISO 22157-1-2004［9］，ISO 22157-2-2004［10］對竹材的順紋和橫紋抗壓性能進(jìn)行研究。

試驗器材采用型號為UTM-系列微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)（5～20 t）、小型切割機(jī)、游標(biāo)卡尺、磨光砂紙、掃描儀及天平等。

1.2 試驗方法

試驗儀器采用UTM-系列微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，以50 N/S的速率進(jìn)行加載，竹材外徑及壁厚采用游標(biāo)卡尺測得，氣干密度根據(jù)掃描儀掃描出的計算面積進(jìn)行換算。

1.3 試驗材料

試件共3組，每組3個試樣，按照無竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)分為A、B、C3組，采集地位于湖北黃石湖北理工學(xué)院，種類為毛竹，竹齡為3 a，含水量控制在30%～50%之間，采集時間為2019年3月13日～2019年4月1日，具體參數(shù)如表1所示，表中參數(shù)為每組3個試樣的平均值。

表1 竹材基本參數(shù)Tab.1 Bamboo parameters

2 結(jié)論與分析

2.1 竹材抗壓彈性模量測定

試驗竹材彈性模量試件一共制定3組，每組3個試樣，按照無竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)進(jìn)行測定。為避免試驗過程中竹筒壁局部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，將試樣制作成竹條，制作過程如下：利用刀具將竹材剖開制成筋條，并將厚度適當(dāng)削薄，用砂輪將其砂光，以此制作成tmm×20 mm×7 mm（長×寬×厚）的試樣。試驗機(jī)械采用UTM-系列微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，并將加載速率調(diào)制30 N/S，測得的彈性模量取其平均值，試驗裝置及試驗數(shù)據(jù)如下圖1和表2所示。

圖1 竹材彈性模量測定Fig.1 Measurement of elastic modulus of bamboo

表2 毛竹抗壓彈性模量試驗參數(shù)Tab.2 Parameters for the test of bamboo compressive modulus of elasticity

2.2 竹節(jié)對竹材橫紋抗壓力學(xué)性能的影響

參考 Amada Shigeyasu［14］、Derek Mitch［15］、L.A.TORRES［16］的試驗方法，進(jìn)行竹材橫紋抗壓試驗。圖 2給出了竹材無竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)在橫紋抗壓下的荷載-位移關(guān)系曲線，表3對試驗結(jié)果進(jìn)行了編排，由圖可知竹材帶竹節(jié)較無竹節(jié)的抗壓強(qiáng)度有顯著的提高，從表3可知提升幅度有1.30及2.333倍，破壞位移量相對有所減小，表明在橫紋方向上竹節(jié)對竹材的力學(xué)性能有較大影響。利用spearman分析竹節(jié)與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，并基于竹節(jié)對竹材抗壓強(qiáng)度無顯著性影響的原假設(shè)，通過顯著性檢驗可知竹材有無竹節(jié)對橫紋抗壓強(qiáng)度有顯著性影響。竹節(jié)部位處于密實形態(tài)，竹材橫紋受壓時能較好地緩沖力的作用，從整體上大幅度增強(qiáng)了竹材的極限承載力。

2.3 竹節(jié)對竹材順紋抗壓力學(xué)性能的影響

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《竹子物理與機(jī)械性能的測定》ISO 22157-1-2004［9］，ISO 22157-2-2004［10］中第 9節(jié)對竹材進(jìn)行抗壓試驗，試件尺寸為250 mm×20 mm×7 mm（長×寬×厚）。試驗開始一段時間內(nèi)，竹材并未發(fā)生明顯變化，但隨著荷載的徒步增大，竹材開始出現(xiàn)裂紋，向外鼓曲并呈現(xiàn)片狀開裂，破壞形式如下圖3（b）所示。

圖3（a）給出了竹材基于不同竹節(jié)作用下的荷載-位移曲線對比，從圖中可知竹節(jié)對增強(qiáng)竹材順紋抗壓強(qiáng)度有一定影響，從表4分析可知：相比于無竹節(jié)，單竹節(jié)及雙竹節(jié)在抗壓強(qiáng)度上有1.08及1.12倍的增強(qiáng)，但提升幅度不夠明顯。利用spearman分析竹節(jié)與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，并基于竹節(jié)對竹材抗壓強(qiáng)度無顯著性影響的原假設(shè)，通過顯著性檢驗，竹節(jié)對竹材順紋抗壓強(qiáng)度的影響在90%的置信區(qū)間上存在顯著相關(guān)。竹材屬于空心材料，在順紋壓力作用下，竹筒壁局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力急劇增加促使竹節(jié)的緩沖作用不夠顯著［12］，同時竹節(jié)處局部出現(xiàn)鼓曲且向外膨脹的現(xiàn)象，在試驗之前就形成了初彎曲，一定程度上削減了竹材的抗壓承載性能［13］。試驗數(shù)據(jù)還表明順紋抗壓極限承載力明顯優(yōu)于橫紋。

表3 竹材橫紋抗壓試驗結(jié)果Tab.3 Results of bamboo transverse compression test

圖2 竹節(jié)橫紋抗壓對比曲線及現(xiàn)場試驗Fig.2 Comparison curves of transverse compression of bamboo with various nodes

表4 竹材順紋抗壓試驗結(jié)果Tab.4 Test results of bamboo parallel grain compression

圖3 竹材順紋抗壓對比曲線及現(xiàn)場試驗Fig.3 Test of bamboo parallel grain compression

3 結(jié)論

通過試驗數(shù)據(jù)結(jié)合理論計算方法討論竹節(jié)對竹材橫紋及順紋抗壓承載力性能影響的研究，為竹材在實際工程中的運用提供合理依據(jù)，試驗總結(jié)如下所示：（1）通過對9組竹材的測定，發(fā)現(xiàn)含水率與抗壓彈性模量微成反比，即含水率越高，抗壓彈性模量越小，按照無竹節(jié)及帶竹節(jié)試驗得出抗壓彈性模量均值分別為12.66 GPa、13.673 GPa、14.087 GPa。（2）對于橫紋抗壓，竹節(jié)對竹材承載力性能有影響顯著，隨著竹節(jié)數(shù)量的增加，竹材的抗壓承載力呈現(xiàn)增加的趨勢，帶竹節(jié)較無竹節(jié)在強(qiáng)度上有1.30及2.33倍的提升。（3）竹材順紋抗壓強(qiáng)度按照無竹節(jié)、單竹節(jié)及雙竹節(jié)分別為35.91 MPa、38.786 MPa及42.72 MPa，較竹材橫紋抗壓有較大增加，幅度為23.62、16.255及9.2倍。竹節(jié)對竹材順紋抗壓承載力的提升效果不夠明顯，主要是受壓下竹筒壁局部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同時竹節(jié)局部出現(xiàn)鼓曲且向外膨脹，在一定程度上消減了竹材的承壓性能。（4）通過顯著性檢驗可知竹材有無竹節(jié)對橫紋抗壓強(qiáng)度有顯著性影響，竹節(jié)對竹材順紋抗壓強(qiáng)度的影響在90%的置信區(qū)間上存在顯著相關(guān)。

竹節(jié)對竹材抗壓承載性能的影響目前研究相對較少，能夠提供的理論依據(jù)及試驗方案尚不完善，為實際工程應(yīng)用的指導(dǎo)作用不全面，相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)有待提高，竹材作為新型材料，在生活中廣泛運用，但與其他材料的混合應(yīng)用仍很匱乏，工程中的應(yīng)用仍需研究探討。