小徑級竹材抗彎性能測試方法

代福寬 潘懷志 王傳貴

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 合肥 230036)

隨著綠色健康生活理念的普及，木材、竹材類產(chǎn)品越來越受到人們的鐘愛。但是，隨著我國天然林保護(hù)政策的實(shí)施以及越來越多的木材生產(chǎn)國出臺禁止或限制原木出口的政策，我國木材供給缺口越來越大。隨著竹材加工技術(shù)的發(fā)展，竹材利用范圍越來越廣泛，以竹代木成為解決木材資源缺口的最佳途徑[1]。竹材材性研究對于材料的安全設(shè)計(jì)及工業(yè)利用起著決定性的作用[2-4]。目前，對于竹材的利用主要是對大徑竹(胸徑50 mm以上)進(jìn)行工業(yè)化加工或者直接利用圓竹[5-6]；測定竹材物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)方法如國家標(biāo)準(zhǔn)《竹材物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T15780-1995)[7]和國際標(biāo)準(zhǔn)《竹子物理和機(jī)械性能的測定》(ISO 22157-1—2004)[8-9]，也主要是針對大徑竹而制定。對于小徑竹(胸徑50 mm以下)竹材物理力學(xué)性質(zhì)測定方法的研究鮮見報道。本文選取幾種材性較好的小徑竹，研究其竹材力學(xué)性能的測定方法，為挖掘小徑竹的工業(yè)利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在竹子產(chǎn)區(qū)安徽省六安市金寨縣，選擇箬竹(Indocalamustessellatus)、早園竹(Phyllostachyspropinqua)、水竹(Ph.heteroclada)、苦竹(Pleioblastusamarus)、筆竿竹(Pseudosasaguanxianensis)5種小徑竹，分散隨機(jī)選取有代表性、完好無缺陷的胸徑50 mm以下的竹株，竹齡處于成熟期，以3～4年生竹為宜，每個竹種取15株。記錄每個竹株的竹高、第1枝下高、竹節(jié)個數(shù)、最長節(jié)間、胸徑以及采集地的地形[10-11]，并對竹株編號。從離地約50 cm的竹節(jié)處向上截取2～4 m竹段作為試驗(yàn)竹段。及時處理試材，防止出現(xiàn)開裂、霉變、腐朽和蟲蛀等[12-13]。試材基本情況見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微型控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，支座中部半圓凹槽半徑10 mm；電子天平，最小分度值0.1 mg；恒溫恒濕箱，能調(diào)節(jié)相對濕度65%±5%，溫度20±2 ℃；電熱鼓風(fēng)干燥箱，能保持103±2 ℃；數(shù)顯游標(biāo)卡尺，最小分度值0.01 mm[14]

表1 樣竹和試驗(yàn)竹段基本情況

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣處理

1) 測量試段直徑。在樣竹縱向隨機(jī)選10個點(diǎn)，用游標(biāo)卡尺測其直徑，同一點(diǎn)在相互垂直的2個方向測量，求其平均值。

2) 截制試樣。根據(jù)試段的平均直徑，沿縱向按平均直徑的8倍、10倍、12倍的長度鋸制出抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度試樣若干(箬竹因直徑太小，未加工8倍試樣)。試樣要求通直，避免竹節(jié)位于試樣中部，可出現(xiàn)在兩端夾持部位。

3) 含水率調(diào)整。將試樣置于恒溫恒濕箱，設(shè)置溫度20±2 ℃、相對濕度65%±5%，使試樣含水率穩(wěn)定趨于一致，約為12%。

1.3.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

1) 隨機(jī)在試樣中部和兩端選取3點(diǎn)用游標(biāo)卡尺測其外側(cè)直徑(D)，同一點(diǎn)在相互垂直的2個方向測量，求其平均值；以同樣方法測定試樣兩端的內(nèi)徑直徑，求其平均值(d)(或者測兩端頭的竹壁厚t)。

2) 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖1所示。調(diào)節(jié)下跨距L及上壓頭的位置(上壓頭厚15 mm，寬60 mm，壓頭圓弧半徑7.5 mm；支座厚20 mm，寬60 mm，圓弧半徑10 mm，中部凹槽半徑10 mm)。加載上壓頭位于支座中間，且使上壓頭和支座的圓柱面軸線相平行。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置示意圖(左為正視圖；右為側(cè)視圖)

3) 按照圖1所示，將試樣置于支座上，采用中央單點(diǎn)加載，沿試樣徑向以5 mm/min的均勻速度加載，加壓至彈性極限以下，隨即卸壓。每個試樣重復(fù)5次；記錄后3次的下限載荷P1對應(yīng)的位移f1和上限載荷P2對應(yīng)的位移f2。

4) 上述步驟做完，如果試樣完好，可接著做抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。同樣采用中央單點(diǎn)加載方式，沿試樣徑向以均勻速度加載，控制試樣破壞時間為60±30 s[7]。記錄破環(huán)載荷Pmax。

5) 在試樣加載位置截取樣品測定試樣含水率，測定方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 15780-1995”進(jìn)行。

6) 計(jì)算試樣的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度。將試樣近似為標(biāo)準(zhǔn)的管狀件計(jì)算，計(jì)算公式為[15-16]：

公式中：EW：試樣在W%含水率時的抗彎彈性模量，單位MPa；σbW：試樣在W%含水率時的抗彎強(qiáng)度，單位MPa；Pmax：試樣破環(huán)載荷，單位N；ΔP：上下限載荷之差P2、P1之差，單位N；Δf：上下限載荷對應(yīng)的變形量f2、f1之差，單位mm；L：兩支座間的跨距，單位mm；D：試樣的平均外徑，單位mm；d：試樣的平均內(nèi)徑，單位mm；t：試樣的平均壁厚，單位mm。

1.3.3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)過程基本與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相同，區(qū)別在于：試樣長度采用平均外徑的12倍；支座和壓頭規(guī)格同“三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)”，但采用2個壓頭，對稱布置[17]；抗彎彈性模量的計(jì)算公式[15-16]為；

圖2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置示意圖(左為正視圖；右為側(cè)視圖)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同長徑比對竹材抗彎彈性模量的影響

標(biāo)準(zhǔn)差用來表示同一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)越穩(wěn)定[18]。5種竹材不同長徑比對抗彎彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差的影響如圖3所示，可以看出，除早園竹外，其他4種竹材以長徑比為12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)差最小。其中，筆竿竹長徑比為12倍的試樣抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)差最小為1 853 MPa。

圖3 試樣不同長徑比對竹材抗彎彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差的影響

標(biāo)準(zhǔn)誤差用來衡量同一組數(shù)據(jù)抽樣誤差，標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，數(shù)據(jù)越可靠[19]。5種竹材不同長徑比對抗彎彈性模量標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響如圖4所示，可以看出，早園竹長徑比為12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)誤差略高于10倍的試樣，其余4種竹材皆為長徑比為12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)誤差最小，其中筆竿竹長徑比為12倍的試樣抗彎彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)誤差最小為405 MPa。

圖4 試樣不同長徑比對竹材抗彎彈性模量標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)越小，說明數(shù)據(jù)的離散程度越小[20]。5種竹材不同長徑比對抗彎彈性模量變異系數(shù)的影響如圖5所示，可見5種竹材的抗彎彈性模量在3種長徑比中，均隨著長徑比的增大而減小，其中筆竿竹長徑比為12倍的試樣變異系數(shù)最小為9.93%。

圖5 試樣不同長徑比對竹材抗彎彈性模量變異系數(shù)的影響

綜上所述，長徑比12倍的試樣，用于測試抗彎彈性模量最好。數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，可靠性較好，變異系數(shù)最小。意味著需要準(zhǔn)備的最小試樣數(shù)量就最少，整個試驗(yàn)的操作就相對容易，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2.2 竹材不同長徑比對抗彎強(qiáng)度的影響

5種竹材試樣不同長徑比對其抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的影響見圖6。苦竹、水竹和筆竿竹的竹材長徑比為12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)差最小，其中水竹最小為10.8 MPa；箬竹和早園竹試樣長徑比為10倍時標(biāo)準(zhǔn)差最小，其中10倍的箬竹試樣標(biāo)準(zhǔn)差為11.8 MPa。

圖6 試樣不同長徑比對竹材抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的影響

5種竹材試樣不同長徑比對抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響見圖7?？嘀?、水竹和筆竿竹的長徑比為12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)誤差最小，其中水竹最小為2.5 MPa。早園竹長徑比為10倍和12倍的試樣標(biāo)準(zhǔn)誤差相差不大，10倍的標(biāo)準(zhǔn)誤差略小些。箬竹試樣長徑比為12倍的標(biāo)準(zhǔn)誤差大于10倍的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖7 試樣不同長徑比對竹材抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響

圖8 試樣不同長徑比對竹材抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)的影響

5種竹材試樣不同長徑比對抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)的影響見圖8?？嘀?、早園竹和筆竿竹的試樣變異系數(shù)對于3種長徑比，均隨長徑比的增加而降低，其中苦竹的變異系數(shù)最小為12.4%。早園竹長徑比為12倍的試樣，其變異系數(shù)低于8倍的試樣，而高于10倍的試樣。箬竹的10倍的試樣變異系數(shù)低于12倍的試樣。

綜上可見，長徑比為12倍的試樣，用于測試抗彎強(qiáng)度較好，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，可靠性好，變異系數(shù)小。這表明，在測試竹材的抗彎強(qiáng)度時，只需準(zhǔn)備較少的試樣數(shù)量，即可獲得更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于早園竹，長徑比為10倍的試樣優(yōu)于12倍的試樣；對于箬竹，由于箬竹外徑太小，12倍的試樣的剛度低，導(dǎo)致12倍的試樣的數(shù)據(jù)變異系數(shù)較大。

2.3 三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲測定抗彎彈性模量的對比

選用早園竹和水竹的長徑比為12倍的試樣分別進(jìn)行三點(diǎn)彎曲法和四點(diǎn)彎曲法測定抗彎彈性模量試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析顯示：對于早園竹，三點(diǎn)彎曲彈性模量與四點(diǎn)彎曲彈性模量的相關(guān)系數(shù)為0.865，相應(yīng)的概率值為0.000(P<0.01)，表明2種測定方法之間的差異呈極顯著水平；對于水竹，2種測定方法之間的相關(guān)系數(shù)為0.613，相應(yīng)的概率為0.015(P<0.05)，呈顯著差異；早園竹和水竹的三點(diǎn)彎曲法的變異系數(shù)均小于四點(diǎn)彎曲法。

對比試驗(yàn)顯示，三點(diǎn)彎曲法測定彈性模量要優(yōu)于四點(diǎn)彎曲法。此外，三點(diǎn)彎曲法的優(yōu)點(diǎn)還在于：試驗(yàn)儀器簡單，操作容易，可降低試驗(yàn)誤差；計(jì)算彈性模量公式簡單，容易計(jì)算；而且由于竹材試樣具有一定的尖削度，采用四點(diǎn)彎曲法時，2個壓頭無法同時接觸試樣，就會出現(xiàn)圖9中的情況。試驗(yàn)力與位移曲線在正比階段出現(xiàn)折線。倘若取上下限載荷點(diǎn)不正確，會引起很大誤差。

圖9 試驗(yàn)力與位移曲線

2.4 竹材抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度

采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法測得的5種竹材抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度見表2。張丹等[21]同樣以圓竹為測試單元對毛竹進(jìn)行力學(xué)性能測試，其中表現(xiàn)較好的4年生毛竹頂部抗彎強(qiáng)度平均值為77.65 MPa，抗彎彈性模量為12.82 GPa。箬竹、早園竹、苦竹、筆竿竹的抗彎強(qiáng)度均高于毛竹，箬竹和筆竿竹的抗彎彈性模量高于毛竹。

表4 試驗(yàn)竹材抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度比較

3 結(jié)論

1) 三點(diǎn)彎曲法測量彈性模量優(yōu)于四點(diǎn)彎曲法。三點(diǎn)彎曲法測量彈性模量具有操作簡單、計(jì)算容易、儀器誤差小等優(yōu)點(diǎn)，尤其在小徑級竹材尖削度比較明顯時優(yōu)勢更明顯。

2) 對于胸高直徑50 mm以下的竹材，當(dāng)測試抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度時，建議采用縱向長度為平均外徑12倍的試件。對于平均外徑小于10 mm的竹材，在測試抗彎強(qiáng)度時，為了避免因長度原因?qū)е略嚰偠冉档投绊懺囼?yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，建議采用縱向長度為平均外徑10倍的試件。

3) 小徑級竹材的性能比較優(yōu)異，部分性能毫不遜色于大徑級竹種。若能完善小徑級竹材的物理力學(xué)測試方法，充分挖掘小徑級竹材的潛力，將會推動小徑級竹材工業(yè)化利用，為國家建設(shè)增磚添瓦。