毛竹竹篼順橫紋抗剪性能的試驗1)

張榮興 張德暉 黃文城 鄭文鑫

(福建農(nóng)林大學(xué)，福州，350002) (現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心(福建農(nóng)林大學(xué)))

毛竹系禾本科剛竹屬，單軸散生型常綠喬木狀竹類植物，由根、稈、枝葉、竹節(jié)組成。我國位于世界竹子分布的中心，有“竹子王國”的美稱[1]，竹林面積、蓄積量和產(chǎn)量均居世界首位，竹材已成為我國的“第二森林資源”[2]。毛竹是我國數(shù)量最多、分布面積最廣的竹種，具有質(zhì)量輕、產(chǎn)量高、剛性足、生長周期短、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，其強度質(zhì)量比大于除碳纖維以外的所有材料[3-6]，其抗拉強度、抗壓強度分別約為木材的2～25倍、1.5～2.0倍。竹稈的彎曲性優(yōu)于木材，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，具有極大的經(jīng)濟效益，同時也緩解了木材資源的消耗，以竹代木成為解決目前木材資源匱乏的最佳途徑[7-8]。

竹林伐后所遺留的樁根稱為竹篼，在自然條件下需要8～10 a才會腐爛[9]，竹篼占去了大片竹林地的空間，影響了竹子根系的生長，減少了竹子的產(chǎn)量，因此有必要及時清除竹篼，人工清除竹篼費時、費力。國內(nèi)外竹篼清理設(shè)備關(guān)鍵部件與竹篼作用的形式主要為剪切，因此竹篼物理力學(xué)性能，特別是抗剪性能直接影響著竹篼清理設(shè)備關(guān)鍵部件的研發(fā)。據(jù)文獻表明，目前國內(nèi)外對于毛竹物理力學(xué)性能的研究都是以竹稈部位作為研究對象，主要探討竹齡、竹稈不同部位對其物理力學(xué)性能的影響[4，8，10-13]，對竹篼相關(guān)物理力學(xué)性能研究甚少。曾其蘊、陳超科等[14-15]所做試驗表明：由于竹節(jié)處的維管束有不同程度的彎曲、分叉、合并而導(dǎo)致組織腫大，所以帶竹節(jié)與不帶竹節(jié)的竹材物理力學(xué)性能有較大差異。筆者發(fā)現(xiàn)，同一株竹中，竹篼的竹節(jié)數(shù)量是竹稈的6～20倍(圖1)，所以竹篼與竹稈的物理力學(xué)性能有更大差異。郭維俊等[16]也曾指出，植物根系部位參與代謝活動，具有多相性，不同生理狀態(tài)所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)也不同，因此，有必要開展竹篼物理力學(xué)性能試驗。本研究以毛竹竹篼為試驗材料，進行抗剪試驗，并探討竹篼含水率、竹篼基本密度(以下簡稱含水率、基本密度)對抗剪性能的影響，以期為竹篼清理設(shè)備關(guān)鍵部件的研發(fā)提供依據(jù)。

圖1 竹篼與竹稈橫斷面對比圖

1 材料與方法

1.1 材料與制作

毛竹竹篼于2019年7月中旬采集于福建龍巖。從不少于100株4年生的樣竹中，隨機選取20株成熟、無缺陷且胸高直徑100 mm以上的竹子，截取一段直徑與竹節(jié)較為均勻的竹篼作為試材，如圖2所示。根據(jù)JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》[17]及借鑒美國標準ASTMD143-94《木材無疵小試樣的試驗方法》[18]的相關(guān)規(guī)定制作抗剪試件；試件類型按厚度與維管束方向劃分(圖3)，各類試件力的加載方向如圖4所示，單箭頭表示厚度方向，雙箭頭表示維管束方向，加號表示力的加載方向。試件編號原則：SKJ-V——順紋V向(載荷方向與厚度方向垂直)抗剪試件、SKJ-H——順紋H向(載荷方向與厚度方向平行)抗剪試件、HKJ-V——橫紋V向抗剪試件、HKJ-H——橫紋H向抗剪試件。每類10個試件，編號1—10。為探討含水率對竹篼物理力學(xué)性能的影響，試驗前，每類試件分3組，分別做5、10、15 h的100 ℃烘干處理。

1.2 設(shè)備

竹篼抗剪試驗采用AG-Xplus電子萬能試驗機(島津，日本)進行試驗，載荷容量20 kN，載荷精度為顯示值的±0.5%，試驗速度0.000 5～1 000 mm/min，采樣間隔0.2 ms。其他設(shè)備：推臺鋸、手工鋸、電烘箱、電子天平、電子數(shù)顯卡尺、量筒等。

1.3 方法

根據(jù)JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》[17]及借鑒美國標準ASTMD143-94《木材無疵小試樣的試驗方法》[18]進行抗剪強度試驗，各類試驗均以1 mm/min的速度加載至試件破壞。根據(jù)JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》[17]測試件含水率和基本密度。

圖2 竹篼的截取位置

圖3 竹篼的厚度與維管束方向

a.順紋V向抗剪試件；b.順紋H向抗剪試件；c.橫紋V向抗剪試件；d.橫紋H向抗剪試件。

抗剪強度、含水率、基本密度的計算公式按JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》[17]，由式(1)—式(5)決定。

(1)

式中：fv,ω為含水率為ω時的抗剪強度(MPa)；Pmax為破壞載荷(N)；s為受剪面積(mm2)。

fv,12=Kfv,ωfv,ω。

(2)

式中：fv，12為含水率為12%時的抗剪強度(MPa)；Kfv,ω為竹材抗剪強度含水率修正系數(shù)；ω為試件含水率(%)。

(3)

(4)

式中：m1為試件試驗狀態(tài)時的質(zhì)量(g)；m0為試件全干時的質(zhì)量(g)。

ρ=m0/Vmax。

(5)

式中：ρ為基本密度(g/mm3)；Vmax為試件飽和水分時的體積(mm3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 順紋V向抗剪強度

順紋V向抗剪強度試驗破壞形態(tài)如圖5所示，載荷曲線如圖6所示。隨著上夾具的下降，載荷逐漸增大，直至最大后突然下降再逐漸減小至零，該破壞形式為脆性斷裂破壞。

1.上夾具；2.載荷加載方向；3.厚度方向；4.維管束方向。

由圖7可知，順紋V向抗剪強度與含水率成負相關(guān)，順紋V向抗剪強度與基本密度成正相關(guān)。當(dāng)含水率提高10%時，則順紋V向抗剪強度降低約4%。當(dāng)基本密度提高10%時，則順紋V向抗剪強度提高約8%。詹天翼等[19]曾指出，當(dāng)含水率增加時，水分子進入細胞壁切斷原有的氫鍵連接，與新的游離羥基形成氫鍵連接，使平均鍵能降低，并且水分子使纖維與基體之間的內(nèi)聚力減小，纖維內(nèi)摩擦系數(shù)降低。趙春花等[20]也曾指出，植物纖維素數(shù)量隨著含水率的增高而降低。因此，順紋V向抗剪強度與含水率成負相關(guān)。曾其蘊等[14]曾指出，維管束、纖維的數(shù)量直接影響竹材的密度與強度。郭維俊等[21]也曾指出，植物承載能力取決于維管束的數(shù)量。所以密度大，維管束、纖維數(shù)量較多，強度較高。因此，順紋V向抗剪強度與竹篼基本密度成正相關(guān)。含水率對順紋V向抗剪強度的影響覆蓋了基本密度對順紋V向抗剪強度的影響，說明含水率是影響順紋V向抗剪強度的主要因素。

圖6 順紋V向抗剪強度試驗載荷曲線

a.順紋V向抗剪強度(y1);b.含水率12%時的順紋V向抗剪強度(y2)。

2.2 順紋H向抗剪強度

順紋H向抗剪強度試驗破壞形態(tài)如圖8所示，載荷曲線如圖9所示。隨著上夾具的下降，載荷逐漸增大，直至最大后突然直線下降，該破壞形式為脆性斷裂破壞。

1.上夾具；2.載荷加載方向；3.維管束方向；4.厚度方向。

由圖10可知，順紋H向抗剪強度與含水率成負相關(guān)，順紋H向抗剪強度與基本密度成正相關(guān)。當(dāng)含水率提高10%時，則順紋H向抗剪強度降低約8%；當(dāng)基本密度提高10%時，則順紋H向抗剪強度提高約20%。含水率在12%時的順紋H向抗剪強度平均值為8.4 MPa，而順紋V向抗剪強度為12.4 MPa，順紋V向抗剪強度約為順紋H向抗剪強度的1.5倍。因此，在順紋破壞中，順著厚度方向施加載荷比順著維管束方向施加載荷更易破壞，因為SKJ-V的破壞是維管束等的分離并帶有些許維管束順紋斷裂，而SKJ-H的破壞僅是維管束等的分離。

圖9 順紋H向抗剪強度載荷曲線

a.順紋H向抗剪強度(y3);b.含水率12%時的順紋H向抗剪強度(y4)。

2.3 橫紋V向抗剪強度

橫紋V向抗剪強度試驗如圖11所示，載荷曲線如圖12所示。隨著上夾具的下降，載荷逐漸增大，然后出現(xiàn)屈服階段，達到最大值后再緩慢下降，位移在15 mm時，試件斷裂，試驗終止，該破壞形式為塑性屈服破壞。

1.上夾具；2.載荷加載方向；3.厚度方向；4.維管束方向。

由圖13可知，橫紋V向抗剪強度與含水率成負相關(guān)，橫紋V向抗剪強度與基本密度成正相關(guān)。當(dāng)含水率提高10%時，則橫紋V向抗剪強度降低約7%；當(dāng)基本密度提高10%時，則橫紋V向抗剪強度提高約15%。含水率在12%時的橫紋V向抗剪強度平均值為24.1 MPa，分別約為順紋V向抗剪強度、順紋H向抗剪強度的1.9、2.9倍。因為橫紋抗剪破壞是載荷使維管束、纖維等斷裂分離，順紋抗剪破壞是載荷使維管束、纖維等兩兩分離。

圖12 橫紋V向抗剪強度試驗載荷曲線

a.橫紋V向抗剪強度(y5);b.含水率12%時的橫紋V向抗剪強度(y6)。

2.4 橫紋H向抗剪強度

橫紋H向抗剪強度試驗如圖14所示，載荷曲線如圖15所示。隨著上夾具的下降，載荷逐漸增大，達到最大值后出現(xiàn)屈服階段，再上升后又緩慢下降，然后突然下降至零，該破壞形式為塑性屈服破壞。

1.上夾具；2.載荷加載方向；3.維管束方向；4.厚度方向。

由圖16可知，橫紋V向抗剪強度與含水率成負相關(guān)，橫紋V向抗剪強度與基本密度成正相關(guān)。當(dāng)含水率提高10%時，則橫紋H向抗剪強度降低約5%；當(dāng)基本密度提高10%時，則橫紋H向抗剪強度提高約14%。含水率在12%時的橫紋H向抗剪強度平均值為23.2 MPa，略小于橫紋V向抗剪強度。

圖15 橫紋H向抗剪強度試驗載荷曲線

3 結(jié)論

含水率12%時的竹篼各方向抗剪強度從大到小為：橫紋V向抗剪強度、橫紋H向抗剪強度、順紋V向抗剪強度、順紋H向抗剪強度，且比例關(guān)系為橫紋V向抗剪強度∶橫紋H向抗剪強度∶順紋V向抗剪強度∶順紋H向抗剪強度=2.3∶2.2∶1.2∶1.0。

a.橫紋H向抗剪強度(y7);b.含水率12%時的橫紋H向抗剪強度(y8)。

當(dāng)含水率增高10%時，對于順紋抗剪強度，則順紋V向抗剪強度降低約4%，順紋H向抗剪強度降低約8%，均與含水率呈負相關(guān)；對于橫紋抗剪強度，則橫紋V向抗剪強度降低約7%，橫紋H向抗剪強度降低約5%，均與含水率成負相關(guān)。當(dāng)基本密度提高10%時，則順紋V向抗剪強度提高約8%，順紋H向抗剪強度提高約20%，橫紋V向抗剪強度提高約15%，橫紋H向抗剪強度提高約14%，均與基本密度呈正相關(guān)。

含水率、基本密度對竹篼抗剪強度的影響顯著。當(dāng)兩種因素同時發(fā)生變化時，含水率對竹篼抗剪強度的影響覆蓋基本密度對竹篼抗剪強度的影響，所以含水率是主要影響因素。

施加平行于厚度方向的載荷使維管束等順紋分離，竹篼最易破壞。此結(jié)論可為竹篼清理設(shè)備關(guān)鍵部件的研發(fā)提供參考。竹林伐后所遺留的竹篼，在活性期限內(nèi)，應(yīng)盡早清理，因為其含水率隨著時間的推移而降低，導(dǎo)致竹篼抗剪性能增強而加大清理難度。