不同竹齡的赤水楠竹力學(xué)性能試驗分析

黃培東 郭麗娟 陳俊生 梁中勇 劉 勇

（1遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2貴州交通勘察設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 560000）

0 引言

在國家“雙碳”目標(biāo)及節(jié)能降耗的大背景下，建筑行業(yè)應(yīng)當(dāng)積極探索可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)之路。目前，建筑工程所使用的材料如水泥、鋼材、混凝土等都會不同程度地破壞環(huán)境，特別是鋼材，不僅在開采階段會破壞生態(tài)環(huán)境，在提煉階段也會產(chǎn)生大量有害廢氣殘渣，給環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此，探索和發(fā)掘新型工程材料勢在必行。

竹材是世界上生長速度最快的植物之一，將其作為工程材料古來有之，但在改革開放之后追求建筑強(qiáng)度和建筑高度的情況下，很少將其作為工程材料，但其強(qiáng)度高、自重輕、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點可能使其在今后“重生態(tài)輕建設(shè)”的大環(huán)境下會再次成為重要建筑材料。

目前已有大量學(xué)者開始重視竹材在工程中的應(yīng)用研究，毛筱霏[1]立足于竹材在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用，分析了西北地區(qū)夯筑遺址加固中楠竹錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律；肖巖等[2]著眼于竹結(jié)構(gòu)的研究，分析了現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的特點并進(jìn)行了展望；鄒立華等[3]創(chuàng)造型地探索了竹筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能，重點分析了不同配筋率下竹筋混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)規(guī)律。

本文以赤水河沿岸盛產(chǎn)的楠竹作為研究對象，重點通過試驗分析不同竹齡（3~9 年）赤水楠竹的橫順紋受壓、順紋受拉、橫紋受彎特性，意在總結(jié)赤水楠竹力學(xué)特性隨生長年限的變化規(guī)律，為后期竹材的應(yīng)用提供選材參考。

1 試驗方案

1.1 竹材選取

本文主要考慮竹材在工程中的幾種受力形式，重點分析不同竹齡的赤水楠竹在橫順紋抗壓試驗、順紋抗拉試驗、橫紋抗彎試驗下的力學(xué)性能及其變化規(guī)律。試驗前，到赤水河沿岸選取長勢正常無病害、胸徑（伐根至1.3m處直徑）大于100mm的3~9年竹齡楠竹各10株，每珠截取胸徑以上2.8m 含11個竹節(jié)的試材，用塑料薄膜包裹后運至實驗室后，在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干。風(fēng)干后首先去除兩端留帶竹節(jié)并延伸20mm 的8段竹筒，按Ⅰ至Ⅷ的順序，從根部到端部依次編號[4]，如圖1所示。

圖1 竹筒編號

圖1 中，Ⅰ、Ⅷ兩節(jié)竹筒用于測試順紋抗拉強(qiáng)度，Ⅱ、Ⅶ兩節(jié)竹筒用于測試抗彎強(qiáng)度，Ⅲ、Ⅵ用于測試順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度。

1.2 試件處理

竹材自然風(fēng)干后按照《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》要求將其加工成對應(yīng)試驗所需尺寸，然后再用烘干機(jī)將所有試件進(jìn)行脫水并進(jìn)行稱重，最后再將稱完重的風(fēng)干試件放在自然環(huán)境中存放，讓其回到自然風(fēng)干狀態(tài)，再稱重進(jìn)行相應(yīng)試驗并記錄各試件含水率，含水率按公式（1）進(jìn)行計算，精確到0.1。

式中：ω——含水率，%；

m1——試件試驗狀態(tài)時的質(zhì)量，g；

m0——試件全干狀態(tài)時的質(zhì)量，g。

1.3 計算方法

對各試件進(jìn)行試驗以后，對試驗結(jié)果進(jìn)行計算，試件尺寸及計算方法如表1所示。

表1 試件尺寸及計算方法

1.4 誤差處理

試驗過程中難免存在誤差或偶然情況，因此需對試驗結(jié)果進(jìn)行變異性驗算，如果變異系數(shù)滿足表2 要求則試驗數(shù)據(jù)具有可靠性，否則試驗無效。

表2 各試驗對應(yīng)變異系數(shù)最大允許值

在計算變異系數(shù)時首先需要根據(jù)公式（2）求出試驗結(jié)果平均值：

n——試樣的數(shù)量。

按照公式（3）和公式（4）計算試驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差及平均值標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)差；

Si——平均值標(biāo)準(zhǔn)差。

最后根據(jù)公式5求出變異系數(shù)V。

2 試驗結(jié)果修正及分析

2.1 竹齡對橫紋抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 試驗結(jié)果修正方法

根據(jù)試驗要求，需要計算竹材自然風(fēng)干狀態(tài)下即含水率為12%時的橫紋抗壓強(qiáng)度，但在實際試驗過程中不可能保證每個試件的含水率都剛好為12%，而含水率對竹材抗壓強(qiáng)度影響較大。因此，需要對試驗結(jié)果進(jìn)行修正。橫紋抗壓強(qiáng)度按公式（6）和公式（7）進(jìn)行修正，結(jié)果精確至0.1N/mm2。試樣含水率在5%~30%之間，按該公式計算有效。

式中：fc,90，12——含水率為12%時的橫紋抗壓比例極限應(yīng)力，N/mm2；

kfc,90,w——竹材弦向橫紋比例極限應(yīng)力含水率修正系數(shù)；

W——試樣含水率,%。

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

試驗時所有試件含水率均在12%左右，只存在細(xì)微差別，滿足橫紋抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)關(guān)于含水率處于5%~30%之間的條件，同時，變異系數(shù)最大為9 年竹齡楠竹的16，小于規(guī)定的20，試驗數(shù)據(jù)有效可靠。為更加直觀分析橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化規(guī)律，將表3 繪制成圖2所示曲線。

表3 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時橫紋抗壓試驗結(jié)果統(tǒng)計

圖2 橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

結(jié)合表3和圖2可以看出：赤水楠竹橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化較為明顯，在竹齡未達(dá)到5 年前，橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡的增加而增大，且3~4 年階段增長較快，4~5 年階段增長較為緩慢；竹齡超過5 年后，橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡的增加而減小，特別是竹齡超過7 年后，橫紋抗壓強(qiáng)度減小趨勢尤為明顯，超過8 年竹齡的楠竹其橫紋抗壓強(qiáng)度已經(jīng)減小到不足15MPa 的水平，說明超過8 年的楠竹已經(jīng)嚴(yán)重脆化，工程上應(yīng)該杜絕使用超過8 年的赤水楠竹；在赤水楠竹的整個生長過程中，5年左右竹齡的竹材其橫紋抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)工程上使用竹材需受橫向壓力時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮使用5 年左右竹齡的竹材。

2.2 竹齡對順紋抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.1 試驗結(jié)果修正方法

同橫紋抗壓強(qiáng)度一樣，順紋抗壓抗壓強(qiáng)度試驗也需要計算自然風(fēng)干狀態(tài)下即含水率為12%時的抗壓強(qiáng)度，需要對試驗結(jié)果進(jìn)行修正。順紋抗壓強(qiáng)度按公式（8）和公式（9）進(jìn)行修正，結(jié)果精確至0.1N/mm2。試樣含水率在5%~30%之間，按該公式有效。

式中：fc,12——含水率為12%時的順紋抗壓比例極限應(yīng)力，N/mm2；

kfc,w——竹材弦向順紋比例極限應(yīng)力含水率修正系數(shù)；

W——試樣含水率，%。

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗壓強(qiáng)度如4表所示。

將赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗壓強(qiáng)度繪制成隨竹齡變化的曲線如圖3所示。

圖3 順紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

結(jié)合表4和圖3可以看出，赤水楠竹在竹齡未達(dá)到5 年前，其順紋抗壓強(qiáng)度呈明顯增長趨勢，當(dāng)竹齡超過5 年后，其順紋抗壓強(qiáng)度又呈明顯下降趨勢，竹齡為5年的赤水楠竹其順紋抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他竹齡段.因此，當(dāng)工程上需要使用赤水楠竹作為順紋抗壓材料時，應(yīng)優(yōu)先考慮使用5 年竹齡的赤水楠竹。除此之外，結(jié)合圖2 和圖3 可以看出，相同竹齡段的赤水楠竹，當(dāng)都處于自然風(fēng)干狀態(tài)（含水率為12%）時，順紋抗壓強(qiáng)度較橫紋抗壓強(qiáng)度高。

表4 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時順紋抗壓試驗結(jié)果統(tǒng)計

2.3 竹齡對順紋抗拉強(qiáng)度的影響

2.3.1 試驗結(jié)果修正方法

由于試樣的含水率存在細(xì)微差異，因此，與抗壓試驗相同，需將試驗結(jié)果進(jìn)行修正。把所有試件抗拉強(qiáng)度均轉(zhuǎn)化成含水率為12%時的強(qiáng)度，當(dāng)含水率在5%~20%之間時按公式（10）和公式（11）進(jìn)行修正，精確至0.1N/mm2。

式中：ft,12——含水率為12%時的順紋抗拉強(qiáng)度，N/mm2；

kft,w——竹材順紋抗拉強(qiáng)度含水率修正系數(shù)；

W——含水率，%。

2.3.2 試驗結(jié)果及分析

3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗拉強(qiáng)度如5所示。

根據(jù)表5 和圖4 可以看出：當(dāng)竹齡低于5 年時，雖然順紋抗拉強(qiáng)度隨竹齡的增長存在增大的趨勢，但增幅并不大，赤水楠竹的順紋抗拉強(qiáng)度基本處于較高水平；當(dāng)竹齡超過5 年后，赤水楠竹的順紋抗拉強(qiáng)度開始明顯下降；當(dāng)竹齡超過8 年時，順紋抗拉強(qiáng)度已經(jīng)降低到5 年時的50%左右，其原因可能是竹材隨著竹齡增長后逐漸脆化的結(jié)果。

表5 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時順紋抗拉試驗結(jié)果統(tǒng)計

圖4 順紋抗拉強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

除此之外，結(jié)合圖2~4 不難看出，赤水楠竹抗拉強(qiáng)度明顯比同等條件下的抗壓強(qiáng)度要大，因此，工程上應(yīng)盡可能使赤水楠竹作為受拉構(gòu)件而不是受壓構(gòu)件。

2.4 竹齡對抗彎強(qiáng)度的影響

工程上竹材作為受彎構(gòu)件比較普遍，如竹材腳手板等，研究竹材受彎力學(xué)性能具有實用意義。

2.4.1 試驗結(jié)果修正方法

由于試樣的含水率存在細(xì)微差異，因此，與其他試驗相同，需對試驗結(jié)果進(jìn)行修正。把所有試件抗拉強(qiáng)度均轉(zhuǎn)化成含水率為12%時的強(qiáng)度，當(dāng)含水率在5%~20%之間時按公式（12）和公式（13）進(jìn)行修正，精確至0.1N/mm2。

式中：kfm,w——竹材順紋抗彎強(qiáng)度含水率修正系數(shù)。

2.4.2 試驗結(jié)果及分析

將試驗數(shù)據(jù)按照要求整理之后編制成表6，由表6可知：3~9 年楠竹抗彎強(qiáng)度試驗的變異系數(shù)在8~13 之間，符合小于15的要求。

表6 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時的橫紋抗彎試驗結(jié)果統(tǒng)計

為了直觀分析赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡的變化規(guī)律，將表6數(shù)據(jù)繪制成如圖5所示的赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡變化曲線。

圖5 赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

結(jié)合表6 和圖5 可以看出，3~9 竹齡段的赤水楠竹其橫紋抗壓強(qiáng)度變化幅度不大，除9 年以外，其他均在140~180MPa 間，特別是4~7 年的赤水楠竹，不僅強(qiáng)度變化幅度不大，且強(qiáng)度較高，都在160MPa以上。因此，當(dāng)在工程上考慮應(yīng)用赤水楠竹作為受彎構(gòu)件時，應(yīng)該優(yōu)先考慮4~7竹齡段的赤水楠竹。

3 結(jié)束語

本文通過對3~9 年生赤水楠竹進(jìn)行橫紋和順紋抗壓強(qiáng)度試驗、順紋抗拉強(qiáng)度試驗、橫紋抗彎強(qiáng)度試驗得出如下結(jié)論：

（1）同等條件下，赤水楠竹順紋抗壓強(qiáng)度明顯強(qiáng)于橫紋抗壓強(qiáng)度。

（2）無論是赤水楠竹的順紋抗壓強(qiáng)度還是橫紋抗壓強(qiáng)度，隨著竹齡的增長均有先增大后減小的變化趨勢，且5 年生赤水楠竹的橫順紋抗壓強(qiáng)度都較其他竹齡段高。

（3）3~9 年赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度整體較高，均超過了100MPa，且隨著竹齡的增長有先緩慢增大后快速下降的趨勢，其中5 年生赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到了241.62MPa。

（4）赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡的變化幅度不大，但仍表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，特別是4~7 年階段，強(qiáng)度均超過了160MPa，但各竹齡間差異較小。