溫度對重組竹短期受壓蠕變性能的影響

劉嬌，周愛萍，盛寶璐，劉燕燕，孫麗惟

(南京林業(yè)大學生物質(zhì)材料國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京 210037)

重組竹是將竹材疏解成竹束，通過順紋組坯，經(jīng)冷、熱壓膠合而成的一種高性能竹基纖維復合材料[1]。重組竹由于其優(yōu)異的力學性能，可作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)用材，在建筑行業(yè)有著廣闊的應用前景[2-4]。重組竹具有黏彈性，在溫度、濕度以及長期荷載作用下，重組竹構(gòu)件內(nèi)部瑕疵處會萌生損傷，產(chǎn)生初始裂紋，繼而發(fā)展成宏觀裂紋產(chǎn)生蠕變斷裂，最終導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生災難性破壞。

在正常使用條件下，重組竹不可避免會受到溫度以及荷載的影響而發(fā)生蠕變。受壓構(gòu)件是建筑結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)件，明確重組竹在不同溫度條件下的蠕變響應是重組竹結(jié)構(gòu)設計體系中亟待解決的重要問題之一。為更好地描述材料的黏彈性特性，國內(nèi)外學者對材料的黏彈性模型進行了研究，常用的有Maxwell模型、Kelvin模型和標準線性模型，它們由彈簧元件和阻尼器元件組成，分別表示材料的彈性特性和黏性特性，這些模型已用于預測材料彈性行為的若干模擬中[5-7]。材料的蠕變應變-時間曲線大致相同，當試件達到穩(wěn)定蠕變階段時，蠕變曲線近似為直線，蠕變速率保持不變?；趶V義Kelvin模型并根據(jù)蠕變速率不變性，求出符合該材料的蠕變模型，可以較好地擬合不同樹種的短期蠕變性能。研究表明，六元件Kelvin模型可以較好擬合木材的蠕變性能[8-9]。Burgers模型是由一個Maxwell模型和一個Kelvin模型串聯(lián)而成的四單元模型，可用于模擬重組竹短期蠕變性能[10-11]。在長期荷載以及溫度的作用下，重組竹在抗彎蠕變過程中會產(chǎn)生裂紋，而裂紋的方向是通過受拉部位向上延伸的，在厚度方向上裂紋從竹束間膠合較弱的部位開始延伸，最終導致重組竹纖維損傷斷裂[12]。低溫環(huán)境中木材抗壓強度與溫度呈線性關系，當木材的含水率較高、溫度較低時，順紋抗壓強度顯著增加[13]。溫度對復合材料短期蠕變性能有顯著影響，可通過時溫等效原理將蠕變曲線水平移動對復合材料進行長期蠕變行為預測[14-15]。溫度的變化對木材蠕變影響也較為顯著，隨著溫度的升高，蠕變第一階段較為明顯，瞬時蠕變應變增加且瞬時彈性模量降低，總?cè)渥兞吭黾覽16-18]。因此，研究溫度對重組竹的抗壓蠕變對于重組竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計有重要意義。

季節(jié)變化會導致溫度波動較大，傳統(tǒng)的蠕變試驗不能對溫度進行嚴格控制。筆者利用恒溫恒濕箱對溫度進行嚴格控制，通過重組竹在外加荷載及不同溫度下的抗壓蠕變試驗，得到其蠕變應變-時間的變化曲線，揭示溫度對重組竹抗壓蠕變的影響規(guī)律，為重組竹構(gòu)件的工程設計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試件制作

選用江西省奉新縣4年生毛竹制備重組竹試件。試件平均含水率為7.01%，氣干密度平均值為1.12 g/cm3，施膠量為112 kg/m3。試件設計參照ASTM D143-15“Standard test methods for small clear specimens of timber”，受壓試件尺寸為25 mm×25 mm×100 mm，如圖1所示，每個溫度對應的不同應力水平下的試件數(shù)均為3個。

圖1 重組竹受壓蠕變試件Fig.1 Bamboo scrimber compression creep specimen

1.2 試驗設備及方法

試驗設備為微機控制電液伺服壓力試驗機、TDS-530靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機控制高低溫蠕變試驗機(由環(huán)境箱、采集數(shù)據(jù)的常溫引伸計、溫濕度控制裝置、主機控制系統(tǒng)四部分組成，具有應力、應變、位移3種閉環(huán)控制方式，嚴格控制試驗環(huán)境)。

每次試驗前，先將試件按照預先設定的目標溫濕度置于環(huán)境箱中保養(yǎng)1 h，之后測得本批次順紋受壓試件平均極限強度為102.36 MPa。重組竹順紋受壓蠕變試驗加載方式見圖2，加載時間為24 h，溫度為-25，0，25，50，75和100 ℃，荷載取同一批次重組竹順紋受壓平均極限強度的7.5%，15%，30%應力水平下的應力。當溫度為-25～0 ℃時，試驗環(huán)境濕度為0%；在其他溫度下，試驗環(huán)境濕度為60%。

圖2 重組竹受壓蠕變試驗加載方式Fig.2 Loading method of bamboo scimber compression creep test

2 Burgers蠕變模型

描述材料黏彈性特性一般采用Maxwell模型或Kelvin模型，但Maxwell模型不包含蠕變單元，Kelvin模型不能處理材料應力松弛問題。當Maxwell模型和Kelvin模型級聯(lián)時能夠表征重組竹的黏彈性特征，Burgers模型就是由這2種模型串聯(lián)級聯(lián)而成的四單元模型，能較好地模擬穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變[19]。Burgers模型及其蠕變特征曲線如圖3所示，其本構(gòu)方程為：

ε=ε1+ε2+ε3

(1)

(2)

式中：ε1為Maxwell模型中的彈簧應變；ε2為Kelvin模型的應變；ε3為Maxwell模型中黏性元件的應變；t為蠕變時間；E1和E2為彈簧的彈性模量；η1和η2為黏性元件的黏性系數(shù)。

當應力恒等于σ0時，Burgers模型可轉(zhuǎn)化為：

ε(t)=A+B(1-e-μt)+Ct

(3)

式中：ε(t)為應變；A為瞬時彈性應變；B為延遲彈性應變；μ為黏彈系數(shù)；C為黏性系數(shù)。A和C可反映彈性形變和黏性形變，B和μ可反映黏彈性形變。依據(jù)該公式并結(jié)合試驗及Burgers模型相關系數(shù)可得出不同部分的應變量，即可計算出重組竹順紋受壓蠕變中不同部分的應變占比。

圖3 Burgers模型及其蠕變特征曲線Fig.3 Burgers model and its creep characteristic curve

3 模型擬合

3.1 不同溫度下重組竹短期蠕變試驗結(jié)果與模型擬合

7.5%應力水平不同溫度下順紋受壓蠕變曲線見圖4。由圖4可知，隨著溫度的升高，重組竹受壓蠕變穩(wěn)定性減弱，抵抗蠕變變形能力降低，溫度越高，蠕變第3階段越明顯。重組竹處于低溫環(huán)境時內(nèi)部水分形成冰柱[13]，這是重組竹順紋抗壓強度增加的主要原因。在常溫下，當應力水平較低時，重組竹初始蠕變應變及蠕變應變總量與應力水平呈線性正相關關系，達到穩(wěn)態(tài)階段后重組竹幾乎不再發(fā)生形變及破壞。當溫度逐漸升高時，重組竹順紋受壓試件表面顏色逐漸加深，竹材纖維中的水分隨之蒸發(fā)，使重組竹試件內(nèi)部的含水率下降，從而降低重組竹受壓試件極限抗壓強度及彈性模量，導致其極限承載力降低，蠕變應變總量增大。

圖4 7.5%應力水平不同溫度下順紋受壓蠕變曲線Fig.4 Compression creep curves along the grain under different temperatures at 7.5% stress level

溫度對重組竹順紋受壓蠕變結(jié)果的擬合主要在應力水平為7.5%，溫度為-25，0，25，50，75，100 ℃ 6個條件下進行，其擬合參數(shù)結(jié)果見表1。由表1可知，Burgers模型在本次試驗結(jié)果中擬合程度較高，決定系數(shù)均在0.95以上，從圖4中也可看到擬合曲線與試驗曲線較為吻合。

表1 7.5%應力水平下順紋受壓試件蠕變擬合參數(shù)結(jié)果Table 1 Results of creep fitting parameters of the compression specimen along the grain in 7.5% stress level

3.2 不同應力水平及25，50和75 ℃試驗結(jié)果與模型擬合

不同應力水平及25，50，75 ℃時重組竹順紋受壓蠕變曲線如圖5所示。同一溫度下重組竹順紋受壓3種應力水平蠕變曲線形態(tài)相近，即在較低應力水平下重組竹順紋受壓蠕變曲線只表現(xiàn)出蠕變的前兩個階段(瞬態(tài)蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段)；隨著應力水平的增加，瞬時蠕變量增加，且初始曲線的斜率也變大，蠕變應變總量升高。在相同應力水平下，溫度越高重組竹蠕變的瞬時蠕變應變量越大，曲線的斜率越大，總?cè)渥儜兞恳苍酱?，蠕變從?階段到第2階段的時間相對增加。

圖5 不同應力水平25，50，75 ℃順紋受壓蠕變曲線Fig.5 Compression creep curves along the grain under different stress levels in 25,50 and 75 ℃

由圖5d可知，75 ℃時30%應力水平下(75 ℃-30%)可明顯地表現(xiàn)出蠕變的三階段，呈非線性蠕變斷裂。75 ℃-30%條件下，重組竹順紋受壓試件很快趨于穩(wěn)態(tài)蠕變，壓縮蠕變速率相對較高，變形呈現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的趨勢；在14 h左右曲線斜率迅速增加，重組竹變形持續(xù)增加；2個試件均在18 h內(nèi)破壞。試件破壞具有明顯的征兆：內(nèi)部孔隙被不斷壓密，膠層開裂或纖維被逐步壓潰至與基體分離。25 ℃時30%的應力水平屬于低應力水平，當溫度升至75 ℃時，30%的應力水平相當于其在25 ℃時極限承載力的70%以上。因此，75 ℃-30%的順紋受壓蠕變試驗屬于較高應力狀態(tài)下的破壞性試驗。為防止高溫影響下重組竹蠕變特性發(fā)生改變，應避免構(gòu)件處于較高溫度的環(huán)境中。

Burgers模型在本次試驗結(jié)果中的擬合決定系數(shù)均在0.98以上，如表2所示；從圖5中可以看出，擬合曲線與試驗結(jié)果吻合。75 ℃-30%條件下，Burgers模型中擬合決定系數(shù)均在0.99以上，其中，75 ℃-30%-2擬合決定系數(shù)達到0.999以上，說明較高溫度和應力水平下Burgers模型的準確度較高，同時也表明在較高溫度以及較高的應力水平下，重組竹抵抗變形的能力較弱。有學者研究了桉樹木材在荷載為30 N、含水率為0%時不同溫度對抗彎蠕變性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度增加會導致桉樹木材蠕變變形增加，試驗所得蠕變應變-時間曲線與Burgers模型擬合得到的曲線較為吻合，進一步驗證了在溫度作用下Burgers模型的準確性[18]。

表2 不同溫度下順紋受壓試件蠕變擬合參數(shù)結(jié)果Table 2 Results of creep fitting parameters of compression specimen along the grain under different temperatures

Burgers模型擬合出的參數(shù)與前面所述模型中的參數(shù)相同，在上述結(jié)果中，A和C反映彈性形變和黏性形變，參數(shù)A隨著溫度的增加而增加，說明蠕變的瞬時彈性應變與溫度呈線性關系。當應力水平增加到30%時，參數(shù)A的值隨著溫度的升高而增大，說明溫度和應力水平的升高會使重組竹瞬時彈性變形增加。

4 不同溫度下重組竹抗壓蠕變變形占比

不同溫度下重組竹順紋受壓蠕變不同部分的占比見圖6，其中，彈性變形占比80%以上，遠高于黏性和黏彈性變形兩部分，說明在不同溫度下重組竹順紋受壓蠕變中彈性變形均占主要部分。當溫度在-25～25 ℃時，彈性變形占比逐漸增加；當溫度不斷升高時，彈性變形占比有所下降，黏性變形有所增加。

圖6 不同溫度下順紋受壓蠕變不同部分的占比Fig.6 Ratio of compressive creep along the grain under different temperatures

5 結(jié) 論

1)重組竹順紋受壓蠕變中，溫度越高其瞬時彈性變形越大，總?cè)渥儜冊酱蟆?/p>

2)在相同溫度下，隨著應力水平的增加，重組竹瞬時蠕變量增加，蠕變應變總量也增加。

3)Burgers模型在本次試驗結(jié)果中的擬合程度較高，擬合決定系數(shù)均在0.98以上，擬合曲線與試驗曲線較為吻合。尤其在較高溫度下Burgers模型的擬合決定系數(shù)均在0.99以上，證明了該模型在較高溫度下的準確性。

4)從整體上看，重組竹順紋受壓蠕變中彈性變形占比較大，但隨著溫度的升高，彈性變形有所下降，黏性變形逐漸增加。