薄壁紙筒的力學(xué)性能之單軸壓縮試驗(yàn)研究

黃正均，張 棟，吳冠德，李青翔，劉 鈺，陳倩男

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2.北京科技大學(xué) 城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

0 引 言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工程建設(shè)的快速發(fā)展，保障工程建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)等工作順利開(kāi)展所必需的臨時(shí)建筑的使用需求和功能要求愈顯突出。臨時(shí)建筑主要以各種活動(dòng)板房和帳篷為主[1]，多以中小型建筑為主，往往對(duì)生態(tài)環(huán)保、低成本、拆裝便捷、防水防火等要求較高，但同時(shí)也不可忽視其結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。

目前，臨時(shí)建筑中對(duì)竹木、纖維、紙材等新型環(huán)保材料的使用越來(lái)越多。傳統(tǒng)材料和環(huán)保材料的性能對(duì)比如表1所示[2-3]。其中，紙質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，如具有無(wú)污染、低成本、可循環(huán)利用、保溫隔熱性好等，部分學(xué)者及建筑師也對(duì)此較為關(guān)注。如日本建筑大師坂茂自20世紀(jì)80年代進(jìn)行紙質(zhì)建筑設(shè)計(jì)，取得了很多成功案例，并在2008年汶川地震后赴中國(guó)為西南交通大學(xué)和華林小學(xué)建立了過(guò)渡安置房和臨時(shí)校舍，是紙筒建筑在國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用的典范[4-7]。Steven等[8]利用回收紙管設(shè)計(jì)在大型臨時(shí)戶(hù)外雕塑建造中。解本豪[2]用紙質(zhì)材料進(jìn)行了臨時(shí)建筑方案設(shè)計(jì)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析。

表1 傳統(tǒng)材料與新型環(huán)保材料對(duì)比[2-3]

但是，作為臨建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)材料的紙管、紙板等性能研究方面，相關(guān)研究卻較少見(jiàn)，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)紙材的基礎(chǔ)性能或組合結(jié)構(gòu)的性能有見(jiàn)介紹。如Kawasaki等[9]采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)得其彈性模量為2.0 GPa或更大。Suda等[10]研究指出紙管有明顯的各向異性，會(huì)產(chǎn)生層間斷裂，研究了其拉伸壓縮和剝離等力學(xué)性能，分析了橫向壓縮后的斷裂性能，發(fā)現(xiàn)紙管的初始斷裂在紙管內(nèi)部而非分層之間，且剝離性能對(duì)橫向壓縮有顯著影響。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同種類(lèi)紙板和層數(shù)紙管的橫向壓縮性能測(cè)試，分析紙管壓縮過(guò)程的斷裂機(jī)理，并用Is-dyna軟件模擬分析橫向壓縮過(guò)程中紙管的應(yīng)力分布。此外，還對(duì)浸漬在熱固性樹(shù)脂中的紙管和混合紙管進(jìn)行測(cè)試分析，研究其在橫向壓縮載荷下紙管和層壓紙與聚合物復(fù)合的變形和斷裂行為。Yang等[11]將V形缺口梁測(cè)試方法應(yīng)用于紙蜂窩層壓板，獲得了紙蜂窩在剪切和壓縮載荷作用下的破壞模式和剪切特性。王志剛等[12]對(duì)紙帶、紙桿進(jìn)行了單向拉伸破壞實(shí)驗(yàn)，分析了紙桿的拉伸力學(xué)特性。陳昱[13]針對(duì)瓦楞紙箱進(jìn)行了壓縮性能測(cè)試。Mamush等[14]研究了紙管RC空心板的強(qiáng)度、開(kāi)裂載荷、剛度和延展性等結(jié)構(gòu)性能。

以上研究主要在紙材應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及紙管拉伸性能方面，對(duì)于紙筒（紙管）的軸向壓縮性能和變形特征方面未見(jiàn)涉及。本文以薄壁紙筒為研究對(duì)象，對(duì)其單軸壓縮和變形特性進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)分析，以便為紙筒材料在臨建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)提供準(zhǔn)確、合理的基礎(chǔ)性能參數(shù)，保障紙筒結(jié)構(gòu)的功能使用和結(jié)構(gòu)安全。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備

本文結(jié)合某實(shí)際臨建工程需求，選用符合標(biāo)準(zhǔn)（BB/T 0032—2006《包裝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——紙管》）生產(chǎn)的A類(lèi)紙筒進(jìn)行試驗(yàn)。紙筒尺寸：內(nèi)徑152 mm，外徑182 mm，壁厚15 mm，高度300 mm。其中，外內(nèi)徑比為1.197≤1.2，故其結(jié)構(gòu)形式為薄壁圓筒，樣品截面示意及照片見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)用紙筒截面尺寸及實(shí)物照片

試驗(yàn)采用WAW-300型電子伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（最大負(fù)荷300 kN）和uT7110Y靜態(tài)應(yīng)變儀分別進(jìn)行試驗(yàn)加載和應(yīng)變采集，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及加載方案

目前，針對(duì)紙筒材料還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)中僅有Suda等[11-13]提到采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試紙管的橫向壓縮性能。本文考慮紙筒材料特性，采用參考巖石、混凝土等試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[15-16]。采用應(yīng)變片和加載位移兩種方式進(jìn)行彈性模量測(cè)試。

單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，在紙筒試樣兩側(cè)1/4、1/2、3/4高度處分別粘貼應(yīng)變片，以測(cè)量壓縮過(guò)程中的縱橫向應(yīng)變[17-18]。加載時(shí)采用載荷控制的方式進(jìn)行，速率0.5 kN/s，至最大載荷后保持位移s、速率恒定，直至位移量達(dá)20 mm左右停止，測(cè)量方案如圖3所示，加載過(guò)程設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 單軸壓縮及彈性模量測(cè)試方案

圖4 加載過(guò)程及控制方式

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算

試驗(yàn)共完成18件紙筒試樣，分為A、B兩組，其中A組為原狀結(jié)構(gòu)，B組為浸泡過(guò)防水涂料后的試樣，目的是為了驗(yàn)證選用的防水涂料是否會(huì)影響其強(qiáng)度等力學(xué)性能。紙筒的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用試樣的基本物理參數(shù)

參照巖石壓縮試驗(yàn)計(jì)算方法，分別采用應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變和壓縮位移計(jì)算彈性模量，包括切線模量和割線模量，計(jì)算公式如下：

式中：σc——紙筒單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

Pmax——紙筒最大破壞載荷，N；

E、E′——割線彈性模量和切線彈性模量，GPa；

σc(50)——單軸抗壓強(qiáng)度的50%，MPa；

σ1、σ2——彈性段不同時(shí)刻的軸向壓應(yīng)力，MPa；

εh(50)、εd(50)——σc(50)處對(duì)應(yīng)的軸向和橫向應(yīng)變；

εh1、εh2——彈性段σ1、σ2處對(duì)應(yīng)的軸向壓縮應(yīng)變；

A——試件受壓面積，mm2。

部分試驗(yàn)過(guò)程照片見(jiàn)圖5所示。

圖5 單軸壓縮及變形試驗(yàn)過(guò)程照片

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)式（1）～（4）的計(jì)算結(jié)果，兩組紙筒試樣的單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表3，彈性模量結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

不同試樣的單軸抗壓強(qiáng)度分布如圖6。從表3、表4和圖6可以看出，同為A組原狀紙筒，但不同批次強(qiáng)度差異明顯，第一批次平均強(qiáng)度為9.38 MPa，第二批次平均為7.16 MPa，兩批次強(qiáng)度相差約30%，與生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)用原紙材料等有很大關(guān)系。同批次之間強(qiáng)度差異也明顯不同，統(tǒng)計(jì)分析可得：第一批A組不同樣間標(biāo)準(zhǔn)差SD值為1.20 MPa，離散系數(shù)C.V值為0.128；B組單軸強(qiáng)度SD值為0.78 MPa，C.V值為0.085。第二批A組不同樣間SD值為1.28 MPa，C.V值為0.178。表明第二批生產(chǎn)的紙筒材料質(zhì)量明顯不如第一批（如圖6(a)），但從紙筒外觀尺寸、結(jié)構(gòu)上無(wú)明顯區(qū)別，可能為紙材本身或生產(chǎn)工藝的影響。

圖6 紙筒單軸抗壓強(qiáng)度分布圖

表4 彈性模量計(jì)算結(jié)果（應(yīng)變2：中間位置）1）

此外，B組（浸泡過(guò)防水涂料后的紙筒）單軸抗壓強(qiáng)度平均為9.22 MPa，與同批次A組（未浸泡）9.38 MPa相比，強(qiáng)度僅降低1.70%，表明該涂料的浸泡對(duì)紙筒強(qiáng)度基本沒(méi)有明顯影響。

圖7～圖8為部分典型試樣單軸壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)力-位移曲線（應(yīng)變2），圖9～圖10分別為A、B兩組（原狀和浸泡過(guò)防水涂料）全部試樣的應(yīng)力-應(yīng)變及應(yīng)力-位移曲線，各組試樣的彈性模量分布如圖11所示。

圖7 AT-1應(yīng)力-位移以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 BT-1應(yīng)力-位移及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 A組試樣應(yīng)力-位移及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 紙筒試樣彈性模量取值分布

從表4和圖7～圖10可以看出，由中間位置應(yīng)變（應(yīng)變2）計(jì)算所得的割線模量略大于切線模量，整體位移計(jì)算的割線模量略小于切線模量，且位移遠(yuǎn)大于應(yīng)變結(jié)果（3～5倍）。紙筒中部最大應(yīng)力時(shí)的縱向應(yīng)變基本約5 000～6 000個(gè)微應(yīng)變( 0.5%～0.6%)。這是由于測(cè)量位移為試驗(yàn)機(jī)自身所帶傳感器測(cè)量結(jié)果，包含試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)誤差（設(shè)備間隙、傳感器誤差等），故切線模量大于割線模量（割線模量計(jì)算所取位移包含更多的系統(tǒng)誤差）。同時(shí)，應(yīng)變片測(cè)量實(shí)際僅為中部50 mm長(zhǎng)度表層區(qū)域的應(yīng)變，且紙筒本身會(huì)發(fā)生分層破壞，其應(yīng)力-應(yīng)變呈典型的非線彈性變化特征。隨著應(yīng)力增加，塑性表現(xiàn)越為明顯，而割線模量為50%強(qiáng)度處的應(yīng)力/應(yīng)變比值，切線模量取值為20%～70%之間的應(yīng)力差/應(yīng)變差，故割線模量大于切線模量。因此，考慮以中部位置的應(yīng)變測(cè)量進(jìn)行彈性模量計(jì)算取值。

因此，第一批試樣去掉偏高較多的AT-2后平均值為2.11 GPa，其標(biāo)準(zhǔn)差SD值為0.59 GPa，離散系數(shù) C.V值為 0.281，不去掉 AT-2的平均值為2.40 GPa，SD值為 0.84 GPa，C.V值為 0.350。綜合分析后本次紙筒A組彈性模量取為2.11 GPa，即中部應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果切線模量平均值（不含AT-2，見(jiàn)圖11(a)）。同理，B組彈性模量可取為1.90 GPa，即中部應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果切線模量平均值（見(jiàn)圖11(b)）。此外，對(duì)比圖11(a)、(b)可見(jiàn)，A、B組紙筒的彈性模量誤差分布明顯不同，表明經(jīng)浸泡防水涂料后可明顯改善紙筒試樣的變形特征。

圖12為同一個(gè)紙筒試樣在壓縮過(guò)程中不同部位的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從中可知，薄壁圓筒結(jié)構(gòu)同樣會(huì)受壓縮過(guò)程中端部效應(yīng)的影響，導(dǎo)致上下兩端的軸向應(yīng)變小于中部，且上部小于下部，其徑向應(yīng)變上部最小進(jìn)一步說(shuō)明了該現(xiàn)象；上部和下部破壞時(shí)的軸向應(yīng)變又重新一致。徑向應(yīng)變上部最小，下部應(yīng)變與中間規(guī)律一致，數(shù)值略小一點(diǎn)。根據(jù)中間應(yīng)變計(jì)算其泊松比約0.245，上部應(yīng)變計(jì)算為0.132，下部應(yīng)變計(jì)算為0.272。

圖12 單軸壓縮不同部位的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 紙筒試樣破壞形態(tài)分析

圖13為單軸壓縮試驗(yàn)破壞后的紙筒試樣照片。由圖可知，紙筒在單軸壓縮過(guò)程中，由于受端部效應(yīng)和試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理（上端固定，下端上升式作動(dòng)加載）的影響，試樣上、下端呈現(xiàn)不同的變形破壞形態(tài)。上部固定端側(cè)變形明顯大于下部移動(dòng)端側(cè)，且A組（原狀）大于B組（浸泡過(guò)防水涂料）。紙筒在壓縮過(guò)程中整體呈斜向條帶狀破壞，且沿筒壁結(jié)構(gòu)順時(shí)針?lè)謩e向下朝內(nèi)、外側(cè)旋轉(zhuǎn)鼓出，表明薄壁紙筒在單軸壓縮荷載作用下，其破壞主要呈分層鼓出破壞模式，右側(cè)試樣照片可見(jiàn)明顯的分層剝離現(xiàn)象，與Suda等提出的紙筒具有明顯的層壓結(jié)構(gòu)，且在橫向壓縮荷載下呈現(xiàn)明顯的各向異性特征完全吻合，說(shuō)明紙筒不僅在橫向壓縮，在軸向壓縮下也具有明顯的各向異性和層壓結(jié)構(gòu)破壞特征。

圖13 單軸壓縮試樣破壞后照片

3 結(jié)束語(yǔ)

3.1 結(jié)論

通過(guò)本次試驗(yàn)分析，可得出如下結(jié)論：

1）本次試驗(yàn)用薄壁紙筒的單軸抗壓強(qiáng)度第一批原狀樣品平均為9.38 MPa，浸泡防水涂料后為9.22 MPa，基本不受防水涂料浸泡影響；第二批所送紙筒平均強(qiáng)度約為7.16 MPa，明顯低于第一批，說(shuō)明不同批次、不同工藝、不同原料的紙筒強(qiáng)度差異較為明顯。

2）圓筒試樣同樣會(huì)受端部效應(yīng)影響，不同位置的軸向應(yīng)變有明顯差異，建議以中間位置應(yīng)變計(jì)算模量和泊松比，即彈模約2.11 GPa，泊松比約為0.25。

3）紙筒材料在橫向和軸向壓縮下均具有明顯的各向異性力學(xué)行為和層壓結(jié)構(gòu)破壞特征。

4）薄壁紙筒具有較好的抗壓性能，其單軸抗壓強(qiáng)度與普通砂漿、砌塊磚強(qiáng)度相當(dāng)，且具有零污染、低成本、輕質(zhì)、可變空間等優(yōu)勢(shì)，在作為臨建結(jié)構(gòu)的重要材料方面具有良好的應(yīng)用前景。

3.2 討論

1）薄壁紙筒與巖石、混凝土材料等類(lèi)似，其強(qiáng)度與試樣尺寸，尤其是高徑比密切相關(guān)。一般情況下，高徑比越大，所測(cè)強(qiáng)度應(yīng)越小，由于篇幅和時(shí)間有限，本次試驗(yàn)未開(kāi)展不同高度（高徑比）下的對(duì)比分析，而直接借鑒巖石、混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選用高徑比2∶1的圓筒試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，后續(xù)將考慮就高徑比、壁厚、直徑等不同因素對(duì)紙筒壓縮強(qiáng)度的影響開(kāi)展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2）文中圖7～圖10所示兩組紙筒的應(yīng)力-應(yīng)曲線，峰值強(qiáng)度后期（峰后階段）均有來(lái)回抖動(dòng)現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是由于紙筒的分層結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致壓縮過(guò)程中出現(xiàn)分層破壞，故峰值強(qiáng)度后貼有應(yīng)變片的外層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部剝離，在持續(xù)荷載作用下會(huì)反復(fù)出現(xiàn)松弛、變形，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯抖動(dòng)。