竹皮材料綜合力學(xué)性能探究

雷鳴宇，蒲萬麗，廖益林，張潔

竹皮材料綜合力學(xué)性能探究

雷鳴宇，蒲萬麗，廖益林，張潔

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都，610000）

目前國內(nèi)外針對(duì)竹皮材料各種力學(xué)性能的研究尚不充分。通過大量試驗(yàn)，對(duì)不同厚度和高度的單層竹皮材料和多層粘接竹皮材料的順紋抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等因素展開深入探究。研究結(jié)果表明：受制作工藝制約，0.35 mm厚度的單層竹皮材料抗拉強(qiáng)度不佳；三層試件抗拉強(qiáng)度高于單層試件，且彌補(bǔ)了雙層試件的粘接性能缺憾；通過竹筒高度參數(shù)優(yōu)化，推算出竹皮材料抗壓強(qiáng)度約為18 MPa～21 MPa。上述科學(xué)研究方法和寶貴數(shù)據(jù)結(jié)果為以竹皮材料制作的構(gòu)件受力分析提供了理論力學(xué)依據(jù)。

竹皮；力學(xué)性能；抗拉強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

引言

竹皮作為一種節(jié)能環(huán)保材料，集高韌性、高彈性、高強(qiáng)度于一身，是一種較為理想的天然纖維材料，具有十分廣闊的應(yīng)用價(jià)值。目前針對(duì)竹皮材料性能測(cè)試的試驗(yàn)尚缺，相應(yīng)的參考文獻(xiàn)也非常匱乏，對(duì)竹皮各種性能還有待開展更充分研究[1-6]。本文旨在探究竹皮材料的綜合力學(xué)性能，其中包括測(cè)量其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等，以及多層竹皮粘接后上述力學(xué)性能的變化，從而為以竹材作為原材料的構(gòu)件受力分析提供基礎(chǔ)，為相關(guān)相應(yīng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1　試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)器材

本試驗(yàn)采用材料為杭州某生產(chǎn)廠家提供的3年生毛竹竹皮，規(guī)格包括0.2 mm、0.35 mm和0.5 mm三種厚度。試驗(yàn)器材采用WDW-G微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，能夠用于測(cè)量抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。若無特別聲明，本文開展的一律為順紋試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)步驟

1.2.1竹皮單向受拉試驗(yàn)

（1）試件制作

如章節(jié)1.1所述，竹皮包括三種厚度，將每種厚度的竹皮分別制作成層數(shù)為1、2和3的試件各6個(gè)。其中雙層和三層試件層間均用膠水粘接而成（完全均勻涂抹），并在試件兩端用規(guī)格為40 mm×10 mm的竹片粘接加固，便于夾頭的夾持。試件共計(jì)54個(gè)。試件規(guī)格為100 mm×20 mm×t（t即指試件厚度，單位mm），易算得由0.2 mm厚度竹皮所組成的試件t分別取0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm；由0.35 mm厚度竹皮所組成的試件t分別取0.35 mm、0.7 mm和1.05 mm；由0.5mm竹皮所組成的試件t分別取0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm。抗拉試驗(yàn)構(gòu)件尺寸示意圖如圖1所示。

圖1　抗拉試驗(yàn)構(gòu)件尺寸示意圖

（2）測(cè)量方法

受拉試件豎直放在萬能試驗(yàn)機(jī)上，并用夾頭夾持住試件兩頭，使試件處于自然長(zhǎng)度，并用游標(biāo)卡尺記錄原始標(biāo)距，以方便計(jì)算拉伸破壞后的斷裂伸長(zhǎng)率?？刂萍虞d速度為1 mm/min，直至試件受拉破壞時(shí)，記錄極限抗拉強(qiáng)度值。

1.2.2竹皮單向受壓試驗(yàn)

（1）試件制作

本試驗(yàn)采用0.35 mm和0.5 mm這兩種厚度的竹皮，長(zhǎng)和寬分別統(tǒng)一為350 mm和y mm，利用模具卷成內(nèi)徑為35 mm，高為y mm的空心圓筒，其中y取75 mm、95 mm及115 mm。對(duì)每種厚度的竹皮，每種高度各制作3個(gè)圓筒，共計(jì)18個(gè)圓筒試件?？箟涸囼?yàn)構(gòu)件尺寸示意圖如圖2所示。

圖2　抗壓試驗(yàn)構(gòu)件尺寸示意圖

（2）測(cè)量方法

將制作好的竹筒上下各墊一層竹片，保證其與上下壓件的水平接觸面無間隙，從而保證圓筒試件為軸心受壓?？刂萍虞d速度為1 mm/min，直至試件受壓破壞時(shí)，記錄極限抗壓強(qiáng)度值。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1竹皮單向受拉試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同厚度竹皮試件的受拉試驗(yàn)結(jié)果見表1。材料抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)一共進(jìn)行了9組，其中去除了離散性較大以及由于試驗(yàn)方法不當(dāng)造成的無效數(shù)據(jù)，并對(duì)有效數(shù)據(jù)求取了平均值，如圖3和圖4所示。分析得出以下結(jié)論：

表1　竹皮抗拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3　竹皮材料抗拉強(qiáng)度折線圖

圖4　受拉破壞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）單層0.2 mm和0.5 mm厚度竹皮材料抗拉強(qiáng)度約為60 MPa，但單層0.35 mm厚度竹皮材料抗拉強(qiáng)度約為45 MPa。分析其原因是廠家在制作該厚度的竹皮材料時(shí)，制作工藝與其他有所不同。0.35 mm材料本身內(nèi)部纖維較為離散，使其強(qiáng)度有所降低。另外，經(jīng)過對(duì)0.35 mm材料破壞結(jié)果的觀察，發(fā)現(xiàn)其破壞形式多為不規(guī)則的鋸齒形，沿著不同的橫向位置的裂紋展開破壞。因此，使用單層竹皮時(shí)，應(yīng)盡量避免使用0.35 mm厚度。

（2）雙層0.2 mm和0.5 mm厚度竹皮材料抗拉強(qiáng)度相比單層均有下降，分析其原因是竹皮內(nèi)部纖維具有不連續(xù)性，以及膠水粘接不均勻等，可以作為試驗(yàn)誤差考慮。膠水對(duì)粘接性能也具有較大影響，應(yīng)特別注意。然而在三層試件中，強(qiáng)度反而可以得到保證，表明其能夠彌補(bǔ)以上缺憾。

（3）通過竹皮受拉破壞時(shí)的現(xiàn)象比較（圖4）可知，大多數(shù)裂紋為鋸齒狀，分析其原因是斷裂時(shí)發(fā)生了脆性破壞，系纖維受拉破壞。

2.2竹皮單向受壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同厚度、不同高度的竹皮圓筒試件受拉試驗(yàn)結(jié)果見表2。分析得出以下結(jié)論：

表2　竹皮抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　竹皮材料抗壓強(qiáng)度折線圖

圖6　受壓破壞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）在直徑相同的前提下，當(dāng)竹筒高度為75 mm時(shí)，大多試件無明顯的連續(xù)性破壞，而是主要表現(xiàn)為試件截面破壞；當(dāng)竹筒高度達(dá)95 mm及以上時(shí)，發(fā)生了屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致局部失穩(wěn)破壞。因此，在竹筒高度處于75 mm～95 mm之間時(shí)，能夠保持穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)著發(fā)生順紋受壓破壞的極限強(qiáng)度約為18 MPa～21 MPa，即為竹皮材料的抗壓強(qiáng)度。

（2）0.5 mm厚度竹皮材料相比0.35 mm厚度，其抗壓強(qiáng)度有所提高，且竹筒高度越低，抗壓強(qiáng)度越高。因此建議制作抗壓柱時(shí)盡量采取相應(yīng)措施，以提高試件整體與局部穩(wěn)定性，如可在柱子上的適當(dāng)位置添加加勁肋等。

3　建議與結(jié)束語

（1）本文試驗(yàn)中主要采用竹皮材料，其離散性較大。無論抗拉試驗(yàn)還是抗壓試驗(yàn)，502膠水的使用方式與用量對(duì)整個(gè)竹皮材料的強(qiáng)度起到了至關(guān)重要的作用。必須在整個(gè)試件層間均勻粘膠，使其獲得應(yīng)有強(qiáng)度，不致脫膠破壞試件。

（2）隨著竹皮材料層數(shù)增加，順紋抗拉強(qiáng)度逐漸升高，說明膠水對(duì)于提高材料強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)。在三層粘接試件中，3種厚度材料的抗拉強(qiáng)度都在75 MPa左右。

（3）在制作構(gòu)件時(shí)，若需要多層材料，應(yīng)盡量選擇0.2 mm厚度，其質(zhì)量大約為0.5 mm厚度的1/3，這樣既達(dá)到了強(qiáng)度要求，還減輕了結(jié)構(gòu)自重，性價(jià)比最高。另外，厚度為0.35 mm的竹皮紙強(qiáng)度明顯低于0.2 mm和0.5 mm厚度的情況，不宜使用。

（4）斷裂伸長(zhǎng)率反映了材料的塑性性能。竹皮材料的斷裂伸長(zhǎng)率普遍為0.5%～1.5%，均小于5%，故屬于脆性材料。在使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制外力在容許應(yīng)力以內(nèi)，以防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

（5）制作抗壓柱等試件時(shí)，不同高度對(duì)應(yīng)著不同的破壞形式，應(yīng)采取相應(yīng)措施提高整體和局部穩(wěn)定性。

[1]林金春, 林金國, 余雁. 立地條件對(duì)人工林毛竹材物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 773-777.

[2]張俊珍, 任海青, 鐘永, 等. 重組竹抗壓與抗拉力學(xué)性能的分析[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 36(4): 107-111.

[3]張黎, 趙榮軍, 費(fèi)本華. 歐美楊107楊木材纖維形態(tài)分析[J]. 中國造紙, 2008, 27(5): 28-31.

[4]劉承斌, 王步宇, 孫鳳鋼,等. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽材料性能試驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007,26(10), 178-180.

[5]翟海潮, 李印柏, 林新松, 等. 實(shí)用膠粘劑配方手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1997.

[6]俞書宏, 馬寶驕. 瓦楞紙板用氧化玉米淀粉粘合劑的研制[J].中國膠粘劑, 1997(1): 23-25.

雷鳴宇(1994-)，男，漢族，四川人，本科生，主要研究方向：土木工程。

E-mail: 13551094641@163.com

Investigation on Comprehensive Mechanical Properties of Bamboo Skin Materials

LEI Ming-yu, PU Wan-li, LIAO Yi-lin, ZHANG Jie
(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, 610000, China)

At present, the research on the mechanical properties of bamboo skin materials is not enough at home and abroad. Through a large number of experiments, the tensile strength, compressive strength, elongation at break and other factors of the different thickness and height of the single layer of bamboo skin material and multilayer adhesive bamboo skin are deeply explored. The results show that by production process control, the 0.35 mm thickness of single layer of bamboo skin material is poor at tensile strength; three layer specimen tensile strength higher than that of single-layer specimen, and it has also made up for the double specimen adhesion defects; through optimizing the bamboo tube height parameter, we have calculated the compressive strength of bamboo skin material is about 18 MPa～21 MPa. The scientific research methods and valuable data above provide a theoretical basis for the analysis of the mechanical components of bamboo.

Bamboo Skin; Mechanical Properties; Tensile Strength; Compressive Strength

TU 531.3

A

2095-8412 (2016) 05-949-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.032