不同溫度下竹集成材受剪性能分析

李海濤 許 偉 陳 晨 姚連書

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)(2南京林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)復(fù)合建筑材料與結(jié)構(gòu)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南京210037)(3貴州新錦竹木制品有限公司，遵義564700)

竹集成材[1-2]是一種可再生的生物質(zhì)材料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和優(yōu)良的力學(xué)性能[3-7].溫度是影響竹集成材力學(xué)性能的因素之一[8-9].文獻(xiàn)[10]指出，低溫下竹材會(huì)出現(xiàn)硬化，高溫下纖維會(huì)軟化而熱解.竹集成材所用膠黏劑為溫度敏感性材料，研究竹集成材力學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律[11-12]，對(duì)竹結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)及推廣意義重大.Xu等[13-14]研究了高溫下竹材壓縮和拉伸性能，建立了抗拉、抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度折減的經(jīng)驗(yàn)公式.Gonzalez等[15]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于室溫20 ℃，當(dāng)溫度升至200 ℃時(shí)，竹子僅保留了20%的抗壓強(qiáng)度和42%的抗拉強(qiáng)度.包永潔[16]研究了不同熱處理?xiàng)l件下竹材主要化學(xué)成分及力學(xué)性能的變化，發(fā)現(xiàn)溫度從20 ℃升至210 ℃時(shí)，竹纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了15.02%，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了29.08%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高了24.26%，導(dǎo)致弦向抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗剪強(qiáng)度分別下降20.96%、26.65%、12.20%和46.79%.然而，目前關(guān)于不同溫度(尤其是負(fù)溫條件)下竹集成材的受剪性能則鮮有研究.

本文通過對(duì)竹集成材順紋抗剪試件進(jìn)行低溫、常溫及高溫下的試驗(yàn)研究，揭示了試件的破壞機(jī)理，分析了溫度對(duì)于竹集成材抗剪強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和平均極限位移的影響規(guī)律，進(jìn)而提出了不同溫度下竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

試件由貴州新錦竹木制品有限公司生產(chǎn).以毛竹為原材料，將原竹加工成截面尺寸為5 mm×12.5 mm的竹片單元，放入200 ℃左右的炭化爐中炭化1 h，其中前0.5 h升溫升壓，后0.5 h轉(zhuǎn)為靜置養(yǎng)護(hù).而后在溫度為80 ℃、壓力為8～10 MPa的條件下，以酚醛樹脂為膠黏劑，將碳化后的竹片單元蒸汽熱壓8 min左右，制成竹集成材.參照《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JG/T 199—2007)，制作竹集成材順紋抗剪試件，尺寸及形狀見圖1(a).試驗(yàn)共設(shè)計(jì)11個(gè)目標(biāo)溫度，分別為 -60、-40、-20、0、20、60、100、130、175、185、200 ℃.每一溫度下重復(fù)6次試驗(yàn)，共測(cè)試了66個(gè)試件.試件命名規(guī)則為“抗剪試驗(yàn)+纖維方向+溫度”，如SL-60表示-60 ℃下的順紋(Z方向)抗剪試件.

1.2 試驗(yàn)方法

圖1(b)為試驗(yàn)加載裝置示意圖.采用帶溫控箱的SANS-5t萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)加載，溫控箱內(nèi)溫度可調(diào)節(jié)范圍為-70～350 ℃.試驗(yàn)前先將試件放入溫控箱，以±5 ℃/min的速度調(diào)整至設(shè)定溫度，隨后在恒溫下養(yǎng)護(hù)30 min，以便試件在溫控箱內(nèi)受熱均勻.在試件升溫和養(yǎng)護(hù)過程中，需保證試驗(yàn)機(jī)負(fù)載、溫控箱濕度均為0.另外，在加載過程中，保證溫度維持在設(shè)定試驗(yàn)溫度不變.恒溫養(yǎng)護(hù)完成后，將試件安裝在剪切夾具中，置于溫控箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn).加載方式采用位移控制法單調(diào)加載，加載速度為 0.3 mm/min.

(a) 試件示意圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

觀察破壞后的試件可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，竹集成材試件的顏色逐漸加深.如圖2所示，當(dāng)溫度為-60 ℃時(shí)試件表面比較光亮；當(dāng)溫度為-40 ℃～100 ℃時(shí)，試件顏色沒有發(fā)生顯著變化，基本上保留著竹集成材的原有顏色；當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，試件顏色開始逐漸加深；當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，試件表面已全部呈現(xiàn)褐色.

(a) -60 ℃

對(duì)比竹集成材順紋抗剪試件在11個(gè)溫度下的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件的破壞均為脆性破壞，沿破壞截面裂成2塊，且破壞面較平整，并與纖維方向平行.試件的破壞模式可分為如下2類：

1)破壞模式Ⅰ.試件在設(shè)計(jì)剪切面處發(fā)生剪切破壞；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，試件沿著設(shè)計(jì)剪切面產(chǎn)生明顯裂縫或出現(xiàn)錯(cuò)位；試件破壞時(shí)，剪切面處的纖維間出現(xiàn)滑移，最終裂為2塊(見圖3(a))，斷裂截面較平整并與纖維方向平行.該破壞模式屬于剪切破壞.

2)破壞模式Ⅱ.試件在竹片單元膠合層發(fā)生破壞.這是因?yàn)楦邷叵履z黏劑黏結(jié)性能降低，荷載還未達(dá)到剪切面的抗剪極限承載力，但此時(shí)竹片單元膠合層由于膠黏劑失效而出現(xiàn)裂縫，隨后沿該膠合層裂成2塊(見圖3(b)).此破壞模式為膠層破壞.

(a) 破壞模式Ⅰ

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，61個(gè)試件發(fā)生了破壞模式Ⅰ的剪切破壞；而只有當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，試件才會(huì)發(fā)生破壞模式Ⅱ的膠層破壞.可見，溫度對(duì)于順紋竹集成材抗剪試件破壞模式的影響并不明顯.當(dāng)溫度從-60 ℃升高到185 ℃時(shí)，試件破壞模式并未發(fā)生變化.僅當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，竹片單元間的酚醛樹脂膠性能失穩(wěn)，試件的破壞模式也隨之發(fā)生改變.

2.2 抗剪強(qiáng)度

竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度fs的計(jì)算公式為

(1)

式中，F(xiàn)max為極限荷載，kN；As為試件剪切面的截面面積，mm2.

不同溫度下的抗剪試驗(yàn)結(jié)果見表1.由表可知，除了試件SL200外，其余試件的極限荷載和抗剪強(qiáng)度變異系數(shù)均小于0.1，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性.膠黏劑在高溫下喪失部分黏合力，使得部分試件在達(dá)到極限荷載之前就發(fā)生膠層破壞，導(dǎo)致試件SL200的變異系數(shù)較大.

常溫(20 ℃)下，竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度平均值為13.13 MPa.低溫(-60 ℃)下，抗剪強(qiáng)度值平均值達(dá)到最大值19.38 MPa，較常溫下提高47.60%；高溫(200 ℃)下達(dá)到最小值3.54 MPa，較常溫下降低了73.04%.順紋抗剪強(qiáng)度平均值的最大值約為最小值的5.47倍.

試驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫環(huán)境(-60、-40、-20、0 ℃)下，試件抗剪強(qiáng)度明顯大于常溫和高溫環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度；究其原因在于，試件在低溫環(huán)境下的含水率較高，溫度升高會(huì)導(dǎo)致試件內(nèi)部的水分含量及其分布發(fā)生變化，故受剪性能逐漸降低.然而，當(dāng)溫度為60～100 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度并沒有隨溫度的升高而降低；這是因?yàn)榄h(huán)境溫度臨近100 ℃時(shí)，試件內(nèi)部的水分蒸發(fā)，進(jìn)而在試件表面形成一層保護(hù)膜，增加了試件的抗剪強(qiáng)度[17].當(dāng)溫度為100～130 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度保持相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài).當(dāng)溫度升高至130 ℃以上時(shí)，該保護(hù)作用消失，竹材內(nèi)部纖維成分軟化熱解，細(xì)胞壁成分加速熱解，強(qiáng)度持續(xù)下降，并且下降速度逐漸增加.

表1 不同溫度下抗剪試驗(yàn)結(jié)果

2.3 質(zhì)量損失率

試件質(zhì)量損失率w由試驗(yàn)前、后試件質(zhì)量差值除以試驗(yàn)前試件質(zhì)量計(jì)算得到，即

(2)

式中，M1、M2分別為試驗(yàn)前、后的試件質(zhì)量.

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在低溫和常溫條件下，試驗(yàn)前、后試件質(zhì)量幾乎保持不變.而在高溫條件下，隨著溫度的升高，試驗(yàn)后的試件質(zhì)量逐漸減小.圖4給出了溫度為20～200 ℃時(shí)7組試件的質(zhì)量損失率隨溫度變化情況.由圖可知，溫度由20 ℃開始升高后，竹材內(nèi)部的自由水分布隨之發(fā)生變化.當(dāng)溫度升高到100 ℃時(shí)，試件內(nèi)部的水分蒸發(fā)大幅增多，導(dǎo)致試件質(zhì)量損失加快，質(zhì)量損失率快速增大到 0.071.隨著溫度的繼續(xù)升高，試件含水率持續(xù)降低，質(zhì)量損失率增大速度略微減緩.當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃左右時(shí)，竹材內(nèi)部半纖維素、纖維素成分出現(xiàn)熱解，質(zhì)量損失率進(jìn)一步增大至0.1左右.而后竹纖維細(xì)胞壁進(jìn)一步熱解，膠黏劑也逐漸不穩(wěn)定，導(dǎo)致質(zhì)量損失率快速增大到0.15左右.

圖4 質(zhì)量損失率-溫度變化曲線

通過回歸分析，可得竹集成材順紋抗剪試件的質(zhì)量損失率w與溫度T的關(guān)系式為

w=4.07×10-8T3-1.41×10-5T2+2.08×10-3T-
0.039 20≤T≤200

(3)

2.4 荷載-位移曲線

圖5給出了11個(gè)溫度下順紋抗剪試件的典型荷載-位移曲線.由圖可知，試件經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段.在加載初期，試件處于彈性階段，承受荷載較小，軸向位移隨荷載的增加而線性增加，但增長(zhǎng)速度不快.隨著荷載的增大，位移不斷增加，當(dāng)位移達(dá)到0.3 mm左右時(shí)，曲線的斜率有所降低，表明試件進(jìn)入彈塑性階段.荷載增加至極限荷載附近時(shí)，竹材內(nèi)部纖維裂開并發(fā)出撕裂聲；而后迅速達(dá)到極限荷載，試件發(fā)生脆性破壞，伴隨著一聲巨響，試件瞬間被剪切成兩半.從溫控箱取出試件，發(fā)現(xiàn)除破壞截面外，試件其他部位無明顯變形，試件表面無明顯鼓曲和開裂.

圖5 荷載-位移曲線

當(dāng)溫度為-60 ℃時(shí)，試件的荷載-位移曲線近似為線性關(guān)系，非線性特征不明顯.當(dāng)溫度為-40～185 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，試件加載過程的彈塑性階段逐漸明顯.當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，由于試件極限荷載很小，較早發(fā)生破壞，無明顯彈塑性階段.

2.5 平均極限位移

圖6給出了不同溫度下竹集成材抗剪試件發(fā)生破壞時(shí)的平均極限位移.由圖可知，當(dāng)溫度為-60～20 ℃時(shí)，平均極限位移不斷增加.當(dāng)溫度為20～200 ℃時(shí)，平均極限位移逐漸降低.試件在常溫(20 ℃)下的平均極限位移最大.

圖6 平均極限位移曲線

相比于前10組溫度下試件的平均極限位移，200 ℃下的平均極限位移下降明顯，僅為0.48 mm.這是因?yàn)槟z層開裂，試件提前進(jìn)入破壞階段，導(dǎo)致平均極限位移大大降低.

3 強(qiáng)度折減/提高系數(shù)

3.1 抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)

常溫(20 ℃)條件下，竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度為13.13 MPa.相比常溫下，低溫(-60 ℃)條件下，抗剪強(qiáng)度提高了47.60%；高溫(200 ℃)條件下，抗剪強(qiáng)度降低了73.04%.

為便于描述試件在不同溫度下的抗剪強(qiáng)度，以常溫20 ℃為基準(zhǔn)溫度，將其余溫度下的抗剪強(qiáng)度除以20 ℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度定義為抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)λ，其中大于1的稱為提高系數(shù)，小于1的稱為折減系數(shù).計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)表

3.2 現(xiàn)行公式適用性對(duì)比

歐洲規(guī)范EN1995-1-2[18]中，軟木的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)采用雙線性變化曲線擬合，即

(4)

式中，ω表示溫度為T時(shí)軟木的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù).當(dāng)溫度在20～300 ℃范圍內(nèi)時(shí)，ω可根據(jù)式(4) 通過線性插入法計(jì)算得到.

岳孔等[19]通過試驗(yàn)測(cè)定了興安落葉松、花旗松、楊木3種木材在高溫下的順紋弦面抗剪強(qiáng)度.鑒于3種木材抗剪強(qiáng)度差異不大，取其抗剪強(qiáng)度平均值來討論抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度的劣化規(guī)律，即

(5)

式中，ηT表示溫度為T時(shí)木材的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù).當(dāng)溫度在20～300 ℃范圍內(nèi)時(shí)，ηT可根據(jù)式(5) 通過線性插入法計(jì)算得到.

選取式(4)、(5)與本試驗(yàn)重合的溫度區(qū)間，比較20～200 ℃下抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的變化情況，結(jié)果見圖7.由圖可知，隨著溫度的升高，抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)均下降，但下降規(guī)律不同.本試驗(yàn)得到的竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范[18]給出的軟木抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)差異較大，且高于歐洲規(guī)范數(shù)值，說明采用歐洲規(guī)范公式計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)預(yù)測(cè)值偏保守.岳孔等[19]試驗(yàn)中興安落葉松、花旗松、楊木3種木材的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)與竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度較為接近.

圖7 抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)比較圖

3.3 抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

圖8為本試驗(yàn)測(cè)得的竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)隨溫度的變化曲線.由圖可知，當(dāng)溫度由-60 ℃升高至0 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高系數(shù)逐漸減小，說明在負(fù)溫條件下，溫度的升高雖然會(huì)使試件抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，但增強(qiáng)效果逐漸減弱.在室溫條件(0～20 ℃)下，抗剪強(qiáng)度變化不大.當(dāng)溫度由20 ℃升高至130 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)整體上呈下降趨勢(shì)，但下降幅度較小，其中在60～100 ℃時(shí)還出現(xiàn)短暫的上升段.當(dāng)溫度超過130 ℃時(shí)，竹材內(nèi)部的纖維素、半纖維素等成分加快熱解，膠黏劑黏合性能進(jìn)一步降低，抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)下降幅度增大.

圖8 抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)曲線圖

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過回歸分析，提出竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式為

(6)

4 結(jié)論

1)溫度對(duì)竹集成材順紋抗剪試件的破壞模式影響較小.當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，試件由于膠黏劑黏結(jié)性能失效發(fā)生膠層破壞，其余溫度下均發(fā)生剪切破壞.

2)試件破壞時(shí)的平均極限位移會(huì)隨溫度變化而變化.20 ℃時(shí)，試件的平均極限位移達(dá)到最大值，而在200 ℃時(shí)由于試件發(fā)生膠層破壞，平均極限位移較低.

3)常溫(20 ℃)下，竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度平均值為13.13 MPa.低溫(-60 ℃)下，抗剪強(qiáng)度值平均值達(dá)到最大值19.38 MPa，較常溫下提高 47.60%；高溫(200 ℃)下達(dá)到最小值3.54 MPa，較常溫下降低了73.04%.順紋抗剪強(qiáng)度平均值最大值約為最小值的5.47倍.低溫對(duì)于竹材順紋抗剪強(qiáng)度具有增強(qiáng)效應(yīng)，高溫對(duì)于抗剪強(qiáng)度具有折減效應(yīng).

4)分析了抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律.當(dāng)溫度為-60～60 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)隨溫度的升高而降低；當(dāng)溫度為60～100 ℃時(shí)，水分蒸發(fā)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)有所提高；當(dāng)溫度為100～200 ℃時(shí)，竹材內(nèi)部纖維熱解，酚醛樹脂膠黏合性能下降，抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)下降速度增大.

5)歐洲規(guī)范和其他研究中給出的木材抗剪強(qiáng)度溫度變化系數(shù)與竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度溫度折減系數(shù)存在一定差異.本文基于試驗(yàn)研究給出了竹集成材順紋抗剪強(qiáng)度折減/提高系數(shù)隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式.