樣品尺寸對竹材順紋壓縮力學性能的影響研究

石俊利 黎 靜 朱家偉 王漢坤

(1國際竹藤中心北京100102；2國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室北京100102)

竹子屬禾本科植物，產(chǎn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1]。竹材與許多常規(guī)建材 (例如木材)相比，優(yōu)勢明顯，包括極佳的力學性能、繁殖能力快、制造工藝簡單等，是一種深受歡迎的環(huán)保型建筑材料[2－3]。竹材已廣泛應用于很多領域，比如家具[4]、建筑施工[5]、竹纖維增強復合材料[6]、橋梁[7]等。

竹材的力學性能由其獨特的微觀結構決定[8]。竹材主要由2種細胞類型組成:一種是維管束中的厚壁纖維，在力學性能上起關鍵作用；另一種是圍繞著維管束的薄壁細胞，可以作為復合基質(zhì)傳輸載荷[9－11]。因此，竹材是一種天然的纖維增強復合材料，由定向的纖維 (維管束)嵌入柔軟的薄壁細胞基質(zhì)中形成[12－13]。竹材中纖維的體積分數(shù)從內(nèi)部向外部、從下部到上部逐級增加[14－15]。獨特的分層結構使竹材成為一種非均質(zhì)材料，具有分級結構。這種功能分級結構對抵抗環(huán)境載荷具有很大的優(yōu)勢[16]。竹材力學性能與其分層結構有明顯的相關性[9，12，17－20]。

順紋抗壓強度是評估竹材不同用途適用性的重要指標[21－22]。Chung等[23]分析了從竹稈下部到上部的抗壓性能的變化，結果顯示，隨著取樣高度的增加，順紋壓縮模量從5 GPa增加到10 GPa，軸向抗壓強度從0.05 GPa增加到0.07 GPa。 Lo等[5，24]的研究也表明，竹稈的上部抗壓強度比其下部更高。不僅竹材的力學性能與取樣部位有關，其制備的集成材也具有相關特點。Li[25]分析了從竹稈3個不同高度取樣所制層壓板抗壓性能的變化，結果顯示，抗壓強度隨著取樣高度的增加而增加；中部竹稈所制層壓板彈性模量最高。目前，大多數(shù)研究多集中在竹材順紋壓縮性能與取樣高度的關系，而對于竹材梯度分層結構的抗壓機制、尺寸效應等尚未進行詳細研究。本研究對不同尺寸竹塊的順紋壓縮進行測試，目的是探討竹材樣品的尺寸對順紋壓縮性能的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 樣品準備

樣品采自浙江，為4年生毛竹 (Phyllostachys pubescens Mazei ex H.de Lebaie)。從距地面1.5 m處向上截取2 m長的竹段，制備順紋壓縮試件。本文主要考察樣品尺寸對順紋壓縮性能的影響，故樣品的制備以尺寸作為變量。壓縮樣品的高度 (軸向)與寬度 (弦向)之比設為1.5∶1。預設樣品的高度尺寸分別為15、30、60、90和110 mm，寬度分別對應為10、20、40、60、80(半個竹環(huán))mm，樣品橫截面見圖1(a)。在順紋壓縮試驗前，所有樣品都在室溫23℃、濕度50%的條件下放置1個月，使最終的平衡含水率達到約為8%。

1.2 順紋壓縮試驗

按照國家標準 GB/T 15780－1995進行試驗。測試設備為Instron 5582萬能力學試驗機，見圖1(b)，配備有100 kN載荷傳感器。測試速度為1.5 mm/min，每組樣品重復測試20次，取有效破壞樣品數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

順紋壓縮試驗指標包括順紋壓縮模量和順紋抗壓強度。其中，順紋壓縮模量計算區(qū)間取破壞載荷的20%～40%區(qū)間進行計算，計算方法見圖2(a)，應變來源為設備的十字頭位移。圖1(a)表明:隨著樣品寬度的增加，試樣弧度逐漸增大，標準中“長度×厚度”的面積計算方式不適用本研究，為保證測試結果的準確性，本研究中應力的計算所取面積為樣品的實際面積，具體是用掃描儀采集樣品的橫切面圖片 (圖2b)，然后用IPP軟件計算實際面積。

順紋壓縮力學性能影響因素很多，在本研究中主要考察樣品高度 (寬度)、竹壁厚度、弧度 (弧高)等尺寸參數(shù) (圖2b)。

2 結果分析與討論

2.1 竹材的分級結構

竹材是一節(jié)一節(jié)的竹節(jié)連接而成的空心莖，連接部位為竹節(jié)，竹節(jié)之間稱為節(jié)間，節(jié)間長度通常隨竹稈高度增加而增加。竹稈具有一定的尖削度，節(jié)間外徑及壁厚沿著稈莖從下向上逐漸減小。作為功能分級材料，在徑向上可以觀察到纖維 (維管束)的梯度分布 (圖3)，維管束的分布密度沿著徑向方向從竹壁內(nèi)部向外部不斷增加。例如，按相同尺寸的橫截面積計算，外部維管束的組織比量約為59.8%，而內(nèi)部維管束的組織比量約為17.1%。

圖3 竹材橫截面徑向結構

竹材的分級結構表明，竹材的密度與竹材維管束的梯度分布有關，在徑向方向存在明顯差異，當厚度增加時，竹黃部分所占比例越大，密度略有減小。以往的研究表明，密度是決定力學性能的主要因素。因此，本研究分析尺寸對力學性能的影響，首先應排除密度的影響，圖4為樣品的高度和竹壁厚度與密度的關系，由圖4可知，本研究所取樣品的密度相差不大，基本可排除密度的影響。

2.2 樣品尺寸對竹材順紋壓縮應力—應變的影響

圖5 不同尺寸樣品壓縮測試的應力—應變曲線

圖5為不同尺寸竹塊的典型順紋壓縮應力—應變曲線。從圖5可以觀察到3個區(qū)域:彈性區(qū)域、彈塑性區(qū)域以及塑性區(qū)域 (15和30 mm最明顯)。5組樣品有明顯的區(qū)別:尺寸小的樣品具有更大的彈性變形區(qū)域，塑性變形的平臺期也明顯大于大尺寸樣品。綜合圖1(a)中樣品的橫切面形狀可知:15和30 mm的樣品因為沒有明顯的弧度，樣品在壓縮過程中塑性變形平臺期很長，而60、90和110 mm的樣品，則沒有明顯的塑性變形期，可見隨著樣品高度的增加，竹材在壓縮過程中會產(chǎn)生提前破壞。維管束在竹材內(nèi)部為平行排列，排除薄壁細胞的因素，竹材中的維管束為細長桿的并列結構，隨著樣品高度的增加，這種結構的穩(wěn)定性會受到很大影響，在壓力的作用下，越高的樣品越容易發(fā)生屈曲而失穩(wěn)破壞。通過實驗選取了不同尺寸竹塊的代表性破壞模式，匯總見圖6。其中，小尺寸樣品的破壞主要是剪切破壞，為正常破壞模式，隨著樣品尺寸的增大，則會出現(xiàn)屈曲、開裂等因弧度因子產(chǎn)生的非正常破壞模式。

圖6 竹材壓縮試樣的破壞模式

2.3 樣品尺寸對竹材順紋壓縮力學性能的影響

圖7 不同尺寸竹材順紋壓縮力學性能與竹壁厚度、樣品高度和弧高的關系

為定量分析樣品尺寸對竹材順紋壓縮力學性能的影響，對實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，結果見圖7。由圖7可知，隨著樣品尺寸 (高度、厚度、弧高)的增加，竹材順紋壓縮模量和順紋抗壓強度的變化表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，隨著樣品高度的增加，順紋壓縮模量有較為明顯的增加，順紋抗壓強度則表現(xiàn)為明顯減小的趨勢，尤其是樣品高度與弧高的影響最為明顯。原因在于，樣品的高度越大，寬度就越大，由此導致樣品的弧度越大，順紋壓縮模量越大，順紋抗壓強度越小。這個結果與2個力學性能指標的計算有關:在1.2中對順紋壓縮模量和抗壓強度的計算進行了闡述，模量的計算主要取自彈性變形區(qū)間 (破壞載荷的20%～40%)，在此區(qū)間，竹材承受的力是均勻的，但是竹青部位維管束組織比量大 (圖3)，且竹青位于竹環(huán)外部，外徑周長大于內(nèi)徑周長，隨著樣品高度 (寬度)的增加，弧度增加，竹青部分所占比例增加 (圖1、圖3)，樣品內(nèi)用于承載壓力的維管束的組織比量會相應增加，樣品產(chǎn)生的變形相同時，維管束組織比量較大的樣品，所承載的應力會增大，因此順紋壓縮模量計算值隨之增加；而順紋抗壓強度則是由極限破壞載荷決定，在彈性區(qū)域以后，弧度越大的樣品會失穩(wěn)而導致在達到最大載荷前就發(fā)生失穩(wěn)破壞 (圖6)。圖7中高度為90 mm樣品測試結果偏小，原因在于取樣方式導致高度為90 mm的樣品的竹黃部分所占比例較高，樣品密度較低，材料內(nèi)部用于承載壓力的維管束的相對比量較低，導致其力學性能較低。

3 結論

不同尺寸竹材的順紋壓縮模量與竹壁厚度、樣品高度、弧度呈正相關關系，順紋抗壓強度與竹壁厚度、樣品高度、弧度呈負相關關系。樣品尺寸和弧度在彈性區(qū)間內(nèi)會增強材料的力學性能 (順紋壓縮模量)；在塑性階段，樣品的弧形結構導致樣品提前失穩(wěn)對順紋抗壓強度有削弱作用。