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

(1．貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003；2．貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3．貴州理工環(huán)保新材料研究有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

木材是傳統(tǒng)建筑材料，宋代《營(yíng)造法式》系統(tǒng)地總結(jié)了我國(guó)的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)體系[1]，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)[2]，因此當(dāng)前對(duì)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的研究主要為結(jié)構(gòu)的受力性能[3]、抗震性能[4、5]、修繕加固[6]、防火性能[7]等方面。原木具有構(gòu)造不均勻性、受力各向異性的特點(diǎn)[8]，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(lái)國(guó)內(nèi)外開展了大量膠合木結(jié)構(gòu)的研究工作，我國(guó)編制的《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB/T50708，對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)性作用。膠合木材質(zhì)相對(duì)均勻、強(qiáng)度較高、具有良好的耐腐蝕性能和抗火性能[9]，便于制作大尺寸構(gòu)件。張慶[10]等開展的層板膠合木和原木簡(jiǎn)支梁受彎對(duì)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)[11]和預(yù)應(yīng)力膠合木結(jié)構(gòu)[12]的研究，這些工作對(duì)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(huì)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(guó)的秸稈等植物資源十分豐富，但總體利用率不高[13]，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(wú)機(jī)膠凝人工集成材料[14]，這種材料不含甲醛，生產(chǎn)成本低且易于加工。劉艷君[15]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(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的基本指標(biāo)，由于目前尚無(wú)這種材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[15]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(lái)測(cè)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)[14]的原材料配合比，將干燥的秸稈和木屑顆粒摻入氧化鎂拌和均勻、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?jī)?nèi)完成，全部試件采用類木材料切割得到。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本文共制作了21個(gè)短梁試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試件的理論尺寸為100 mm×100 mm×300 mm；對(duì)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，共制作了30個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件。兩種試件的實(shí)測(cè)幾何參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 短梁試件的基本幾何參數(shù)Tab.1 Basic parameters of short beam specimens

表2 立方體試件的基本幾何參數(shù)Tab.2 Basic parameters of cube specimens

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50 t油壓千斤頂施加，通過(guò)與YC-4-300輪輻式傳感器相連的TST3826F-H(W)測(cè)試分析系統(tǒng)來(lái)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(duì)中后，按0.51.0 kN/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(cè)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20 mm，加載速率為0.20.5 kN/s，勻速加載至試件破壞。

圖1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Loading device for shear strength test

圖2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Loading device for tensile strength test

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 材料的微觀結(jié)構(gòu)

采用S-3400電子掃描顯微鏡觀察材料樣品，發(fā)現(xiàn)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完全被化學(xué)晶體所充填，如圖3(a)所示；此外還可以觀察到原材料由于拌和不均勻引起纖維的順向排列現(xiàn)象，如圖3(b)所示。這些因素會(huì)影響材料的力學(xué)性能指標(biāo)及材料的壓縮性能。

圖3 材料的SEM形貌分析Fig.3 SEM of materials morphology photographs

2.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

短梁抗剪的典型破壞狀態(tài)如圖4所示。加載至破壞荷載的75%左右時(shí)，可觀察到試件側(cè)面中間處下部出現(xiàn)豎向裂縫，并隨荷載的增加而逐漸向上延伸；接近破壞荷載時(shí)，短梁的兩個(gè)剪切面幾乎同時(shí)出現(xiàn)豎向裂縫，且迅速延伸并貫通剪切面，而中部豎向裂縫的開展較緩慢。試件破壞較為突然，部分試件的中部裂縫貫通了全截面。

圖4 抗剪試件的典型破壞狀態(tài)Fig.4 Typical failure modes of sheer specimens

2.3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

隨著荷載增大，立方體試件產(chǎn)生橫向變形，墊條逐漸被壓入。加載接近破壞荷載時(shí)，試件橫向變形明顯，在墊條處出現(xiàn)豎向裂縫，且在試件側(cè)面產(chǎn)生橫向裂縫。至破壞荷載時(shí)，豎向裂縫迅速開展并貫通試件截面，破壞較為突然，破壞后試件被崩裂為兩塊或四塊破壞體。典型破壞狀態(tài)如圖5所示。

圖5 抗拉試件的典型破壞狀態(tài)Fig.5 Typical failure modes of tensile specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 材料密度

全部短梁試件和立方體試件的質(zhì)量測(cè)定結(jié)果分別如表3和表4所示，可得類木材料的密度平均值為1 314 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)差為55 kg/m3，變異系數(shù)為0.042。本文測(cè)定的材料密度結(jié)果與文獻(xiàn)[15]大體相當(dāng)，且材料的密度與常用木材的密度接近。

3.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度由破壞荷載和剪切面計(jì)算得到。21個(gè)短梁試件的抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可見結(jié)果差異較大，表明材料的內(nèi)孔隙或植物纖維的順向排列對(duì)抗剪強(qiáng)度影響較大。

表3 短梁試件的材料密度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results for material density of short beam specimens

表4 立方體試件的材料密度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results for material density of cube specimens

圖6 短梁試件抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.6 Shear strength of short beam specimens

本文參照砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按下述要求來(lái)評(píng)定測(cè)試結(jié)果：當(dāng)結(jié)果數(shù)值與中間值之差超過(guò)20%時(shí)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(gè)較大值和3個(gè)較小值，共獲得11個(gè)有效數(shù)據(jù)，如表5所示。材料抗剪強(qiáng)度的最大值為4.65 MPa，最小值為3.46 MPa，平均值為3.86 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.39 MPa，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)。

表5 短梁試件抗剪強(qiáng)度的有效測(cè)試結(jié)果Tab.5 Effective of shear strength for short beam specimens

3.3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

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

圖7 立方體試件抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Tensile strength of cube specimens

剔除與測(cè)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(lái)評(píng)定抗拉強(qiáng)度，則共獲得22個(gè)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3.58 MPa，最小值為2.55 MPa，平均值為3.17 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.25 MPa，變異系數(shù)為0.078。抗拉強(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。

表6 立方體試件抗拉強(qiáng)度的有效測(cè)試結(jié)果Tab.6 Effective tensile strength of cube specimens

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(wú)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(shí)，試件有明顯的橫向變形。

(3)材料的密度測(cè)試值為1 314 kg/m3，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(cè)試結(jié)果的離散性較大，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后，類木材料的抗剪強(qiáng)度測(cè)試值為3.86 MPa，變異系數(shù)為0.101?？辜魪?qiáng)度接近常用木材的抗剪強(qiáng)度。

(5)通過(guò)立方體試件劈裂抗拉測(cè)定的材料抗拉強(qiáng)度值為3.17 MPa，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。