竹片坡口連接與抗拉力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳 強(qiáng)，余 方*，俞 靜

(1. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，竹材的利用越來越被重視.國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家從20世紀(jì)90年代就開始了竹膠合板的研究[1-3]，而對(duì)膠合竹材料和相關(guān)竹材構(gòu)件性能的研究則是近10年才慢慢出現(xiàn)[4].關(guān)于膠合竹材料和構(gòu)件的研究，主要集中在竹材復(fù)合材料所用的膠黏劑、膠合竹材物理特性、膠合竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接、膠合竹結(jié)構(gòu)體系等的研究.很多研究者只是對(duì)各自設(shè)計(jì)和膠合的材料性能和受力性能進(jìn)行探索.由于膠合竹材規(guī)格尺寸及測(cè)試方法并沒有統(tǒng)一明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范，導(dǎo)致許多研究者所研究的膠合竹在一定程度上沒有定量的可比性，而且對(duì)膠合竹材的力學(xué)性能的研究方法和試驗(yàn)結(jié)果并沒有得出統(tǒng)一的結(jié)論，這也給膠合竹材的性能研究和膠合竹在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用帶來了很大的不確定性[5-7].目前的研究均限于對(duì)膠合竹應(yīng)用前景的討論及物理力學(xué)性能的初步探討，沒有總結(jié)出較統(tǒng)一的研究方法和試驗(yàn)結(jié)論，研究的涉及面較窄[8-16].國(guó)內(nèi)多層竹集成材竹接方式有：榫頭、榫槽式，即料槽中處于同一水平位置的竹片將榫頭與榫槽設(shè)為相對(duì)放置；梯形嚙合式，長(zhǎng)竹板材及其集成板材由竹條或竹板胚排列、接長(zhǎng)而成；鋸齒形嚙合式接長(zhǎng)竹板材及其集成板材；鋼夾板與螺栓對(duì)重組竹梁進(jìn)行接長(zhǎng)；相互對(duì)應(yīng)的拉槽、榫鉤緊密配合接長(zhǎng).現(xiàn)有接長(zhǎng)方法均使用在多層竹集成材中，竹木組合梁、板、柱抗拉集成材一般在1～3層.采用以上方法的接口強(qiáng)度影響了竹集成材整體抗拉強(qiáng)度，在工程中無法滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求.為解決其強(qiáng)度下降問題，急需尋找出一種合適的薄竹集成材連接方式.本文擬設(shè)計(jì)一種坡口連接方式，并研究坡口不同粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)竹片接長(zhǎng)后的抗拉承載力影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

選用產(chǎn)自湖南益陽的4年生南竹竹片作為試驗(yàn)原材料，其表皮第2層對(duì)接端部加工制成坡口竹片，平均密度為0.746 g/cm3，平均含水率8%～12%，寬度B=31 mm，厚度H=4 mm.3種接長(zhǎng)竹片的長(zhǎng)分別為250，350和450 mm，對(duì)接端部坡口長(zhǎng)度分別為12.5，25和37.5倍竹片厚度，即50，100和150 mm，見圖1和圖2.試驗(yàn)用膠水為頂力新材料科技有限公司生產(chǎn)的木工膠，膠水型號(hào)：頂力800特效型拼版膠.3種型號(hào)板材各制作12件，每件2片，共24片；由2片相同的坡口竹片試件粘接為1根完整試件；3組接長(zhǎng)試件長(zhǎng)度分別為450，600和750 mm(見圖2)；同步制作30片原竹片，長(zhǎng)600 mm.以上試件分為A、B、C、D 4組，進(jìn)行拉伸對(duì)比試驗(yàn).

圖1 未粘接竹片

圖2 竹片規(guī)格 /mm

1.2 試件粘接

選取接口平齊完整的竹片準(zhǔn)備粘接，在涂抹膠水前，將試件粘接坡口進(jìn)行清潔；用木刷將膠水均勻涂抹在1片試件的粘接口上，將另1片試件對(duì)準(zhǔn)接口反向接(見圖3)；擦去溢出的多余膠水；把試件安置在平整的工作面上；在試件接口上方放置好砝碼并壓緊，以保證粘接效果；試件靜置養(yǎng)護(hù)1周，讓膠水達(dá)到最大強(qiáng)度.粘接竹片時(shí)需保證竹片坡口對(duì)接處受力均勻，避免因砝碼壓力不均而使竹片粘接不齊，造成竹片連接后軸心不在同一線上，見圖4.

圖3 竹片粘接方向示意

圖4 竹片粘接效果

1.3 加載裝置與測(cè)試方法

將4組試驗(yàn)竹片依次夾在數(shù)顯萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試.首先，將竹片夾在下夾口，緊固下夾口旋鈕；其次，調(diào)節(jié)上夾口高度，夾好上夾口，確認(rèn)竹片處于軸心受拉狀態(tài)，緊固上夾口旋鈕；最后，按5 mm/min的速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，見圖5.

圖5 竹片試件拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

A組因粘接長(zhǎng)度過小，拉力較小時(shí)試件并沒有發(fā)出“滋拉”聲，當(dāng)拉力加載到7.7 kN左右時(shí)，大部分試件發(fā)出“崩”的一聲，隨之發(fā)生了斷裂，其主要破壞形態(tài)是在試件粘接口處的部分竹纖維受拉脫落和連接脫離出膠結(jié)面，見圖6.B、C組當(dāng)拉力加載＜10 kN時(shí)，試件正常拉伸，未發(fā)出明顯聲響；當(dāng)拉力繼續(xù)增加時(shí)，試件開始發(fā)出“滋拉”聲；隨著試件上的拉力不斷加大，“滋拉”聲開始變得頻繁，直至竹片破壞.其斜接口薄弱段主要破壞形態(tài)有：竹纖維斷裂、Z字型材料破壞和膠結(jié)面材料破壞，見圖7和圖8.D組為原竹試件，當(dāng)拉力值＜10 kN時(shí)，儀器正常運(yùn)行，試件未發(fā)出聲響；當(dāng)加載拉力＞12.2 kN時(shí)，竹片開始發(fā)出“滋拉”聲；隨著拉力值進(jìn)一步加大，“滋拉”聲出現(xiàn)的頻率提高，直至試件破壞.其主要破壞形態(tài)有材料破壞、試件夾持處破壞、材料缺陷處破壞，見圖9.

圖6 A組破壞形態(tài)

圖7 B組破壞形態(tài)

圖8 C組破壞形態(tài)

圖9 D組破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)主要結(jié)果

A組大量試件粘接口發(fā)生脫膠，突然發(fā)生斷裂，極限拉力分布散亂，只有少數(shù)竹片出現(xiàn)材料破壞的傾向；B組大部分試件存在受拉破壞的過程，極限拉力分布較為集中，試件的斷口有竹纖維或者竹片縱向開裂，破壞形態(tài)主要是材料破壞；C組破壞形態(tài)與B組較為接近，但其極限拉力平均值較B組有一定提升，同時(shí)部分試件的極限拉力較大，十分接近原竹；D組破壞形態(tài)主要是竹片沿竹纖維縱向開裂，但也有少數(shù)竹片在鉗口處因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂，且其平均極限拉力是4組中最大的，分布也較為集中.坡口連接的3組竹片的破環(huán)形態(tài)因膠接坡口長(zhǎng)度、粘接工藝及膠水的影響，由結(jié)構(gòu)破壞轉(zhuǎn)變成了材料破壞，這說明增強(qiáng)粘接口能有效提高竹片的縱向受拉能力.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

將每組拉壞的試件數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并整理，得出各組竹片的極限拉力平均值，見表1.

表1 各組竹片的極限拉力平均值

2.3.2 拉力與伸長(zhǎng)量關(guān)系

4組試件在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，所測(cè)得竹片拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系，分別如圖10～圖13所示.從圖10可知，A組的拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線較為分散，并且最大拉力值曲線與最小拉力值曲線差距較大.結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象來看，A組試件因?yàn)檎辰娱L(zhǎng)度最短，大部分試件的接口破壞情況為脫膠斷開，只有少數(shù)試件的斷開處殘留有另一端的竹纖維，即為部分材料破壞，這說明A組的粘接長(zhǎng)度不能充分發(fā)揮出竹片的抗拉性能.

圖10 A組竹片拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系

從圖11可知，B組的拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線較為集中，同時(shí)拉力＜12 kN時(shí)的線型也基本接近線性變化，且部分試件在出現(xiàn)極限拉力后拉力值出現(xiàn)了下降.結(jié)合試件破壞情況來看，B組試件的斷口大部分殘留有另一端竹纖維，少部分試件出現(xiàn)了Z字型斷口，這說明B組的粘接長(zhǎng)度能提供的抗拉性能較A組有較大提升.

圖11 B組竹片拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系

從圖12可知，C組的拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線更為集中，C組的極限拉力值較A組也有較大提升，曲線的分布相比B組更為集中，但是極限拉力值提升較小.從試驗(yàn)情況來看，C組試件在拉伸破壞后大多殘留了另一端的竹纖維，并且試件中有5根出現(xiàn)了Z字型的破裂口，這說明C組的破壞形式主要為材料破壞.

圖12 C組竹片拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系

從圖13可知，D組的拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線較為集中，原竹的平均極限破壞拉力最大，且部分曲線在極限拉力后拉力值出現(xiàn)了下降，經(jīng)2次加載才最終破壞，同時(shí)曲線也較為接近.結(jié)合試件實(shí)際破壞情況來看，原竹的破壞形態(tài)主要是竹片沿竹纖維縱向開裂，在發(fā)生斷裂時(shí)有部分試件出現(xiàn)了Z字型破壞，所以試件出現(xiàn)了2次破壞拉力值；同時(shí)也有少數(shù)竹片在鉗口處因應(yīng)力集中而發(fā)生了斷裂，但其平均極限拉力值是4組中最大的，且分布較為集中.

圖13 D組原竹拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系

從4組拉力-伸長(zhǎng)量關(guān)系圖可看出，起始點(diǎn)均在某個(gè)拉力值，這主要是因?yàn)橹衿嚰灰讑A緊容易滑移，基于此，每組試件在張拉前施加1.3～1.7 kN初張力.當(dāng)試件的粘接坡口長(zhǎng)度為厚度12.5倍增加到25倍時(shí)，試件的抗拉性能有較大提升；而從25倍再增加到37.5倍時(shí)，抗拉性能提升較少；隨試件粘接長(zhǎng)度增加，試件破壞由發(fā)生脫膠斷開變?yōu)橹窭w維縱向開裂和橫向斷裂破壞的材料破壞.這說明，增加粘接長(zhǎng)度能提高粘接竹片的抗拉性能.

2.3.3 極限拉力與粘接面積的關(guān)系

竹片采取的是坡口斜接的連接方式，則選取其俯視向下的接口長(zhǎng)度作為接口長(zhǎng)度LJ，以竹片厚度H作為每次增加的接口長(zhǎng)度.在本試驗(yàn)中將LJ/H稱為粘接長(zhǎng)度-厚度比，并將粘接竹片的最大拉力與粘接長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到3組連接長(zhǎng)度與原竹竹片極限拉力值的關(guān)系.

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)竹片的LJ/H=12.5時(shí)，粘接竹片與原竹平均極限拉力的比值為0.56，在A組的破壞試件中出現(xiàn)了3片因粘接長(zhǎng)度不足而直接脫膠破壞的竹片，可以看出其粘接強(qiáng)度與原竹差距較大；當(dāng)LJ/H=25時(shí)，可以看出粘接竹片與原竹極限拉力的比值達(dá)到了0.83，同時(shí)觀察B組的破壞試件，可以看到竹片在粘接面中間出現(xiàn)了沿竹纖維方向的裂縫，且在部分竹片的斜接口薄弱處出現(xiàn)了橫向的斷裂，這說明粘接竹片已經(jīng)接近其材料的破壞強(qiáng)度；當(dāng)LJ/H=37.5時(shí)，粘接竹片與原竹的極限拉力的比值上升到了0.84.

3 結(jié)論

1)坡口連接是一種無明顯接口的竹片連接方式，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著斜接面積的逐步增加，粘接竹片的強(qiáng)度達(dá)到了原竹片的85%左右，接近原竹片強(qiáng)度，這說明薄竹集成材坡口斜接的方式是可行的.

2)坡口接長(zhǎng)竹片的粘接長(zhǎng)度-厚度比在12.5以下時(shí)，粘接竹片強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)脫膠；粘接長(zhǎng)度-厚度比達(dá)到25時(shí)，粘接竹片的強(qiáng)度達(dá)到了原竹強(qiáng)度的83%；當(dāng)粘接竹片的粘接長(zhǎng)度-厚度比達(dá)37.5時(shí)，其粘接效果最好，達(dá)到原竹片的84%，但該強(qiáng)度相對(duì)于粘接厚度比為25的提升較小.從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用粘接長(zhǎng)度-厚度比為25左右的坡口竹片較為適宜.