類木材料抗剪及抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

張鑫 張華剛 吳琴 劉紅帆 李軍

摘要：類木材料是以植物纖維和氧化鎂為主要原材料，通過加入由氯化鎂、可溶性硫酸鹽和磷酸鹽、分析純酒石酸制備的溶液拌和均勻后，經(jīng)高壓靜置固化成形的無機(jī)膠凝人工集成材。為將這種材料應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，本文通過21個短梁的抗剪試驗(yàn)和30個立方體試件的劈裂抗拉試驗(yàn)來測定其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明：材料的微觀結(jié)構(gòu)成絮狀，化學(xué)晶體不能完全充填微孔隙：兩種試件的破壞均較為突然，延性較差：短梁抗剪破壞時，試件中部出現(xiàn)豎向裂縫但開展緩慢，而剪切面裂縫迅速貫通試件：立方體試件劈裂受拉破壞時，在平行于墊條的側(cè)面產(chǎn)生橫向裂縫，破壞時豎向裂縫迅速貫通劈裂面;材料的密度測試值為1314kg/m，變異系數(shù)為0.042;材料的內(nèi)孔隙或纖維的順向排列對強(qiáng)度影響較大，抗剪強(qiáng)度測試值為3.86MPa、變異系數(shù)為0.101.抗拉強(qiáng)度測試值為3.17MPa、變異系數(shù)為0.078。

關(guān)鍵詞：類木材料：木結(jié)構(gòu);抗剪強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度;試驗(yàn)研究

中圖分類號：TU526：TU502.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

木材是傳統(tǒng)建筑材料，宋代《營造法式》系統(tǒng)地總結(jié)了我國的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了較為詳盡的木材強(qiáng)度指標(biāo)，因此當(dāng)前對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的研究主要為結(jié)構(gòu)的受力性能、抗震性能、修繕加固、防火性能等方面。原木具有構(gòu)造不均勻性、受力各向異性的特點(diǎn)，木節(jié)、裂紋等天然缺陷較多，且易吸潮變形和易腐蟲蛀，因此近年來國內(nèi)外開展了大量膠合木結(jié)構(gòu)的研究工作，我國編制的《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB/T50708.對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了巨大的推動性作用。膠合木材質(zhì)相對均勻、強(qiáng)度較高、具有良好的耐腐蝕性能和抗火性能，便于制作大尺寸構(gòu)件。張慶等開展的層板膠合木和原木簡支梁受彎對比試驗(yàn)表明，膠合木梁的受力性能要優(yōu)于原木梁。為了提高膠合木結(jié)構(gòu)的延性和承載力，也有學(xué)者在開展配筋膠合木結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力膠合木結(jié)構(gòu)的研究，這些工作對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要意義。但膠合木的制作仍然會消耗大量原木，可用林資源短缺是制約現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

我國的秸稈等植物資源十分豐富，但總體利用率不高，因此有必要尋求植物纖維在建筑結(jié)構(gòu)中利用的新途徑。以植物纖維和氧化鎂為主制備的材料，是一種類似于木材的新型無機(jī)膠凝人工集成材料，這種材料不含甲醛，生產(chǎn)成本低且易于加工。劉艷君等的研究表明，這種材料具有較好的抗壓和抗彎性能，將其用于建筑結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的外觀尺寸相當(dāng)于混凝土構(gòu)件的外觀尺寸，而密度與常用木材的密度相當(dāng)。為便于工程應(yīng)用，有必要系統(tǒng)開展這種材料力學(xué)性能的研究工作。

抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是評價材料力學(xué)性能的基本指標(biāo)，由于目前尚無這種材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)的研究結(jié)果有可能忽略了試件的尺寸效應(yīng)，因此本文參照砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來測定類木材料的抗拉和抗剪強(qiáng)度，以期為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

基于文獻(xiàn)的原材料配合比，將干燥的秸稈和木屑顆粒摻人氧化鎂拌和均勻、再加入由氯化鎂、可溶性硫酸鹽和磷酸鹽、分析純酒石酸等制備的溶液后，注模加壓、靜置固化后得到類木材料。

本文的原材料制備工作在貴州理工環(huán)保新材料研究有限公司生產(chǎn)廠房內(nèi)完成，全部試件采用類木材料切割得到。

1.2試件設(shè)計

本文共制作了21個短梁試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試件的理論尺寸為100mm×100mm×300mm：對抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，共制作了30個邊長為100mm的立方體試件。兩種試件的實(shí)測幾何參數(shù)分別如表1和表2所示。

1.3加載裝置及制度

全部試驗(yàn)在貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，荷載均采用50t油壓千斤頂施加，通過與YC-4-300輪輻式傳感器相連的TST3826F-H（W）測試分析系統(tǒng)來讀取荷載值。

1.3.1抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

本文采用短梁剪切法進(jìn)行類木材料的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，裝置如圖1所示，試件在幾何對中后，按0.5～1.0kN/s的速率進(jìn)行勻速加載直至破壞。

1.3.2抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

材料的抗拉強(qiáng)度采用劈裂抗拉法測定，加載裝置如圖2所示，在試件上、下端放置的墊條寬度和厚度均為20mm，加載速率為0.2～0.5kN/s，勻速加載至試件破壞。

本文參照砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按下述要求來評定測試結(jié)果：當(dāng)結(jié)果數(shù)值與中間值之差超過20%時將其舍去，用剩余結(jié)果的算術(shù)平均值作為材料的抗剪強(qiáng)度。則本文剔除了結(jié)果中的7個較大值和3個較小值，共獲得11個有效數(shù)據(jù)，如表5所示。材料抗剪強(qiáng)度的最大值為4.65MPa，最小值為3.46MPa，平均值為3.86MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.39MPa，變異系數(shù)為0.101?？梢姴牧系目辜魪?qiáng)度與常用木材順紋向的抗剪強(qiáng)度相當(dāng)。

3.3抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

30個立方體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如圖7所示，結(jié)果的差異仍然較大。

剔除與測試結(jié)果中間值相差20%的數(shù)據(jù)后，用剩余結(jié)果的平均值來評定抗拉強(qiáng)度，則共獲得22個立方體試件的有效數(shù)據(jù)，如表6所示?？估瓘?qiáng)度的最大值為3.58MPa，最小值為2.55MPa，平均值為3.17MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.25MPa，變異系數(shù)為0.078?？估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)低于常用木材的順紋抗拉強(qiáng)度，因此還應(yīng)從原材料配合比或結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取措施提高結(jié)構(gòu)的抗拉承載力。

4 結(jié)論

（1）類木材料的微觀結(jié)構(gòu)成絮狀，植物纖維搭橋后形成的微孔隙不能被化學(xué)晶體完全填充，且纖維有順向排列現(xiàn)象。這些缺陷將影響材料的力學(xué)性能，因此應(yīng)加強(qiáng)原材料的拌和措施。

（2）無論短梁試件抗剪還是立方體試件劈裂抗拉，破壞均較為突然，表明材料的延性較差，且劈裂抗拉時，試件有明顯的橫向變形。

（3）材料的密度測試值為1314kg/m，變異系數(shù)為0.042。材料密度大體相當(dāng)于常用木材的密度。

（4）短梁試件抗剪強(qiáng)度測試結(jié)果的離散性較大，剔除無效數(shù)據(jù)后，類木材料的抗剪強(qiáng)度測試值為3.86MPa，變異系數(shù)為0.101。抗剪強(qiáng)度接近常用木材的抗剪強(qiáng)度。

（5）通過立方體試件劈裂抗拉測定的材料抗拉強(qiáng)度值為3.17MPa，變異系數(shù)為0.078。材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于常用木材的順紋向抗拉強(qiáng)度，因此還應(yīng)采取措施提高材料應(yīng)用的抗拉承載力。