三明毛竹材的順紋抗拉力學性能分析

王軍芳 ，盧超豐 ，田爾布 ，王洪艷

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明，365004；2.竹資源開發(fā)利用福建省高校重點實驗室，福建 三明，365004；3.三明醫(yī)學科技職業(yè)學院 福建 三明，365000）

全球氣候變暖、環(huán)境日益惡化，促使建筑材料也逐漸向綠色低碳生態(tài)環(huán)保、可循環(huán)可持續(xù)方向發(fā)展。傳統(tǒng)建筑材料能耗高，生產過程中會產生大量的廢水、廢氣和廢渣，對環(huán)境污染嚴重，不符合綠色建筑的發(fā)展理念。竹材作為一種天然豐富的可再生資源，來源廣泛，成材周期短，成本及加工耗能較低，力學性能好，具備良好的比剛度和比強度等優(yōu)勢。若在一定范圍內利用其順紋抗拉性能好的優(yōu)勢替代土建工程中的部分鋼筋作為混凝土結構的增強材料[1-4]，既能有效發(fā)揮竹材的作用，降低傳統(tǒng)結構材料帶來的環(huán)境污染，緩解當前木材緊缺危機，減少森林砍伐和控制溫室氣體的排放，又能為農民增收，為社會帶來良好經濟效益。到目前為止，雖然國內外學者對竹材力學性能進行過大量研究[5-10]，但因依據標準不同,竹材種源不同等，均會使得測試結果并不具備通用性。本文利用閩中山區(qū)多毛竹的地域特色，對福建三明毛竹代表性區(qū)域的竹材進行順紋抗拉試驗。結合已有文獻，對毛竹順紋拉伸受力性能進行對比分析，給出三明毛竹的順紋抗拉強度試驗取值，為三明毛竹在竹結構建筑中的進一步應用提供可靠的理論依據。

1 試驗狀況

1.1 試件設計

（1）試材的采集及樣竹選擇

依據JG/T 19—2007《建筑用竹物理力學性能試驗方法》[11]，結合閩中多毛竹的地域優(yōu)勢，試驗用毛竹就地取材。 毛竹試材采集地選址為 E116°22′-118°39′，N25°29′-27°07′的三明 （全年平均氣溫17～26℃，年平均降水量約1 688 mm，12月平均氣溫17℃ ，7月平均氣溫36℃，絕對最高氣溫40℃ ，最低氣溫-3℃ ，全年無霜期299 d），它是福建毛竹最具有代表性產地之一。采集的樣竹數(shù)為100株，竹齡在4～5 a間。其中隨機抽取10株胸徑（從伐根至1.3 m處的直徑）100 mm以上成熟無缺陷的樣株。每株標準竹正常生長，無病害蟲。

（2）試件的加工

為了保證各種試件取自竹桿上相對一致的位置，每一段試材自基部至上部截鋸的試件應遵循一定順序：標準竹伐倒前，在胸高部位以上標明北向記號；標準竹伐倒后，記錄胸徑、竹高，每株從胸徑以上部位截取長度約為2.8 m含11個竹節(jié)的試材；試材截取后，立即將編號寫在試材中段的竹面上；將每5根試材用塑料布包扎成一捆，以防干裂。

試材鋸解及試材截取方法：①截取試樣毛坯。截取試樣毛坯時，應根據竹材密度沿竹株高度由根部到梢部和沿環(huán)形截面由北向南逐漸增大的生長特征，使各項性能試樣的平均密度達到一致。②試材沿竹株高度的分配。采集的試材運至試驗場后，首先據去試材端部，余下兩端帶竹節(jié)并延伸20 mm的8段竹筒，沿竹株有根部到梢部按Ⅰ～Ⅷ的順序編號（見圖1）。③截?、窈廷鴥啥沃裢灿糜跍y試不含竹節(jié)的順紋抗拉強度ft和順紋抗拉彈性模量Et，圖2(a)示出試樣毛坯的長度和寬度尺寸。當竹筒在竹節(jié)之間的長度不能滿足試樣長度的要求時，試樣兩端夾持部分可含有竹節(jié)。④截取Ⅱ、Ⅲ和Ⅶ、Ⅵ兩段竹筒用于測試含有竹節(jié)的順紋抗拉強度粗集料/kg及含水率ω，圖2b)示出制作這些試樣毛坯的試條寬度尺寸沿長度分布的尺寸。⑤第Ⅳ、Ⅴ兩節(jié)竹筒留作必要的補充試驗。（3）試樣毛坯沿環(huán)形截面的截取方法

圖1 竹試件所處部位的順序編號（單位:mm）

圖2 各項性能試樣毛坯的截取方法（單位:mm）

從一對具有沿竹株高度平均密度的竹筒中，沿環(huán)形截面以竹筒直徑對稱軸成雙截取。試樣毛坯的寬度不應少于20 mm，以保證足夠的干縮和加工余量。圖3示出順紋抗拉強度毛坯截取方法的示意圖，本次試驗中，無竹節(jié)試件和有竹節(jié)試件各取12個。

測試試件抗拉強度時，由于竹材含水率對其影響較大，按JG/T 199—2007要求，將加工完成后的試樣，置于溫度（20±2）℃，相對濕度（65±5）%的恒溫恒濕環(huán)境下保存兩周后進行測定。

1.2 試樣的制備、試驗儀器、試驗過程及測試項目

（1）試件的制備：試條及試件制作要求和檢查及試件含水率調整分別按JG/T 199—2007的規(guī)定調整；試件紋理應與中心線平行，竹青面的切線方向應垂直于試樣有效部分 （指中部60 mm）的側面。試件有效部分與兩端夾持部分之間的過渡弧表面應平滑，并與試件中心線對稱；當竹筒長度小于試件長度時，夾持部分可含竹節(jié)。本試驗采用中部有效部分不包含竹節(jié)和包含竹節(jié)兩類試件，分別沿順紋方向以均勻速度施加拉力至破壞，以確定竹材順紋抗壓強度，標準試件如圖4所示。

（2）儀器設備及試驗過程：本試驗選用中國濟南天辰試驗機制造有限公司生產的WDW-20G微機控制電子萬能試驗機對竹試件進行了順紋抗拉強度及彈性模量的測定，試驗機采用球面活動接頭，以保證試件中心受拉，防止縱向扭曲。計算截面選用矩形截面，取試件有效部分的中央及兩端共3處的平均值（寬度和厚度精確到0.1 mm）；試驗時將試件兩端夾緊在鉗口中，使試件窄面與鉗口接觸。兩端靠近弧形部分露出20 mm左右，豎直地安裝在試驗機上；按每分鐘200 MPa的均勻速度加荷直至試件破壞（精確至1 N）；舍棄拉斷處不在有效部分的試件；試件拉斷后，立即在試件斷口兩側各截取一段試樣，按標準規(guī)定測定試件含水率。

（3）測試項目：破壞橫斷面的面積（mm2）；破壞荷載（N），順紋抗拉強度（MPa），含水率（%）。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞過程分析

本試驗是用微機控制電子萬能試驗機進行竹材的順紋抗拉強度試驗，試件端部采用手動方式調節(jié)，用試驗機鉗口夾持試件端部徑面。由于試件端部較厚，在不影響試件抗拉的前提下，對試件端部的夾持部分進行了削薄處理，以達到試件與鉗口牢固夾持的效果。

試驗的荷載-變形曲線主要通過觀察微機控制電子萬能試驗機所自帶的荷載-變形曲線獲取試驗結果。圖5是試樣截取，圖6加工好的部分試樣，將制作好的試件稱重后立即置于溫度（20±2）℃，相對濕度（65±5）%的恒溫恒濕環(huán)境下保存兩周后，進行順紋抗拉試驗。圖7為含水率調整后的部分試件的拉伸試驗。圖8～9分別是部分試件在順紋抗拉試驗過程中所測得的應力-應變曲線圖和力-變形曲線圖。

圖5 部分截取試件

圖6 部分標準拉伸試件

圖7 部分試件的拉伸試驗

圖8 試件順紋拉伸應力-應變曲線圖

圖9 試件順紋拉伸力-變形曲線圖

從圖8～9可以看出，在順紋拉伸試驗過程中，試件從開始受力到破壞，主要經歷三個階段。在加載初期，在加載至試件臨界破壞階段，試件開始出現(xiàn)微小裂縫，變形繼續(xù)增加但增幅變緩。在裂縫呈現(xiàn)的一瞬間，荷載會有一定程度的回落，隨后就又繼續(xù)保持增長，增長速度近似與裂縫產生前一致。

試件的加載過程可分為四個階段：第I階段為線彈性工作階段。剛開始加載時，由于拉力較小，標段內竹纖維應變也小，大部分試件的荷載與變形呈現(xiàn)線性增長，應力-應變或力-變形基本成正比關系，此階段可認為材料是線彈性的。第II階段為裂縫開展階段。隨著荷載的增加，試件開始出現(xiàn)微小裂縫，進入臨界破壞階段。在此階段內，截面的應力基本保持不變，但變形繼續(xù)增加但增幅變緩，該階段持續(xù)時間較短。第III階段為強化階段。經過短暫的荷載回落階段，材料又恢復了持續(xù)變形的能力，該階段內，應力增大的同時，材料的變形繼續(xù)保持增長，增長速度近似與裂縫產生前一致，至承載達到最高點。第IV階段為拉裂破壞階段。承載力增至極值后，試件突然被拉斷裂開，試件破壞，破壞位置主要出現(xiàn)在試件標段中央附近。

綜上所述，在整個順紋拉伸的試驗過程中，材料經歷了線彈性工作、裂縫開展、強化及破壞4個受力階段。從整個受力過程可以看出，毛竹材具有一定的延性性能，但不夠明顯。材料的最終破壞仍歸為脆性破壞。

2.2 試件測試結果及處理分析

本試驗主要是測定福建三明代表性地區(qū)的毛竹順紋抗拉強度。按JG/T 199—2007要求，對拉伸試驗時竹材含水率的測試方法進行說明，對順紋抗拉強度試驗的準確指數(shù)及最少試件數(shù)量進行驗證，以確定試驗結果的準確可靠性。同時進一步研究試件有無竹節(jié)和不同含水率對毛竹材順紋抗拉強度的影響。

2.2.1 竹材含水率的測試方法

竹材含水率是指試驗時試件中所含水分的質量與全干試樣質量的百分比，表示試樣中水分的含量。竹材含水率不同會直接影響竹材順紋抗拉強度值。表1和表2中所采用的竹材含水率測試過程如下：

（1）按 JG/T 199—2007 要求，將加工完成后的試件，置于溫度（20±2）℃，相對濕度（65±5）%的恒溫恒濕環(huán)境下保存兩周后，進行竹材順紋抗拉強度的試驗測定。試件拉斷后，立即除凈附在試件上的雜物，并將試樣立即稱量，精確至0.001 g；之后，放置在烘箱內保持溫度（103±2）℃，烘烤8h，取出試樣進行試稱，以后每隔2 h試稱一次，當前后兩次稱量之差不大于0.002 g時，即認為達到全干。從烘箱中取出試樣，置于裝有干燥劑的玻璃干燥器內，待試樣冷卻至室溫后稱量（精確至0.001 g），所得質量為全干時試樣的質量。

（2）試件含水率（精確至 0.01 g）

式中：ω為含水率,%；m1為試樣試驗狀態(tài)時的質量,g；m0為試樣全干狀態(tài)時的質量,g。

2.2.2 不同含水率的毛竹材的順紋抗拉強度計算公式

（1）試樣含水率為ω的順紋抗拉強度（精確至0.01 MPa）

式中：ft，ω為含水率為 ω 時的順紋抗拉強度（MPa）,Pmax為破壞荷載（N），t為試件厚度（mm），b 為試件寬度（mm）。

（2）試樣含水率為12%時的順紋抗拉強度（精確至0.01 MPa）

式中：ft，12為含水率為 12%時的竹材順紋抗拉強度,MPa；Kft，ω為竹材順紋抗拉強度的含水率修正系數(shù)；ω為試樣含水率，%；試樣含水率在5%～20%范圍內，按式（4）計算有效。

2.2.3 順紋抗拉強度值的測試

按JG/T 199—2007要求，對調整含水率后的試件進行竹材順紋抗拉強度的試驗測定。無竹節(jié)試件和有竹節(jié)試件分別對受荷面積、破壞荷載、拉伸試驗時的試件含水率、含水率修正系數(shù)及順紋抗拉強度等內容進行測試和計算，結果如表1～2所示。

表1 無竹節(jié)毛竹材的順紋抗拉強度試驗結果

表2 有竹節(jié)毛竹材的順紋抗拉強度試驗結果

由表1和表2可知，拉伸試驗時，有、無竹節(jié)時的試件含水率均在5%-20%范圍內，毛竹材順紋抗拉強度的含水率修正系數(shù)按公式（4）計算結果有效，按公式（3）將試驗時不同含水率的毛竹材順紋抗拉強度值轉換成含水率為12%時的順紋抗拉強度值，結果是可靠的。有竹節(jié)和無竹節(jié)的順紋拉伸破壞荷載的平均值分別為3 198和3 804 N，對應的調整后含水率為12%的順紋抗拉強度平均值分別為156.63和185.54 MPa，有竹節(jié)毛竹的順紋抗拉強度值低于無竹節(jié)毛竹的順紋抗拉強度值。

2.2.4 測定數(shù)據的統(tǒng)計處理

由于毛竹材為非理想的均質材料，試驗結果會受不同條件的影響制約，所以本試驗將對表格1和表格2中的毛竹材順紋抗拉強度試驗數(shù)據按JG/T 199—2007進行統(tǒng)計處理。

進行順紋抗拉強度試驗時，由于標準JG/T 199—2007中未給出試驗準確指數(shù)及最小試樣數(shù)，為獲得較為準確的試驗結果，確定試驗所需試件的最小數(shù)量成為試驗的關鍵部分。本次試驗試件數(shù)選取方法：結合已有文獻的研究基礎，先取總試件數(shù)24個，其中無竹節(jié)12個，有竹節(jié)12個，再按照標準JG/T 199—2007給出的公式進行試驗準確指數(shù)和試驗所需最少試件數(shù)量的計算，以驗證所取試件數(shù)是否滿足標準計算規(guī)定，實驗數(shù)據的描述統(tǒng)計和方差分析結果列于表3。將毛竹材順紋抗拉強度變異系數(shù)的平均值與GB/T15780-1995[12]標準進行比較，如表4所示。

表3 毛竹材順紋抗拉強度試驗數(shù)據的統(tǒng)計計算結果

表4 毛竹材順紋抗拉強度變異系數(shù)的平均值對比

從表格3計算結果可知，無竹節(jié)試件和有竹節(jié)試件的試驗準確指數(shù)分別為4.09%和6.22%，其結果分別在5%左右，數(shù)值相對較小，驗證所需的試件最小數(shù)均小于所取試件數(shù)量；另外對比表格4數(shù)據，本試驗的毛竹材順紋抗拉強度變異系數(shù)的平均值均小于GB/T15780-1995和JG/T199-2007規(guī)定取值，說明本次試驗結果是相對準確有效的，這為以后福建山區(qū)毛竹材的力學性能進一步分析提供可靠的參考。

2.3 不同含水率的毛竹材順紋抗拉強度的變化趨勢

因為竹材含水率對其力學性質有較大影響，按照JG/T 199—2007的要求，將加工完成后的試樣，置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±5)%的恒溫恒濕箱中保存兩周后進行測定。圖10為無竹節(jié)試件和有竹節(jié)試件在順紋拉伸試驗時，將不同含水率的抗拉強度值均轉化為含水率為12%時的抗拉強度值的變化趨勢圖。分析圖勢可知，做拉伸試驗時若含水率小于12%，順紋抗拉強度值ft,12隨著含水率的增長基本呈現(xiàn)遞增的趨勢；含水率大于12%時，順紋抗拉強度值ft,12隨著含水率的增長基本呈現(xiàn)遞減的趨勢，含水率在12%左右時，順紋抗拉強度值ft,12達到峰值。

2.4 有、無竹節(jié)對毛竹材順紋抗拉強度的影響

本試驗的試件分為有竹節(jié)試件和無竹節(jié)試件兩類，以考察竹節(jié)對竹材順紋抗拉強度的影響。大部分無竹節(jié)試件的破壞過程是：竹材徑向內側的竹纖維先被拉斷，隨即試件斷裂，原因可能是沿徑向竹材截面纖維受力不均所導致，而小部分試件被直接拉斷。對有竹節(jié)試件，斷裂部位基本上位于受拉纖維的薄弱竹節(jié)處。部分試件拉斷情況如圖11所示。觀察破壞后的試件,發(fā)現(xiàn)部分纖維束管在通過竹節(jié)處時不連續(xù),有竹節(jié)試件的破壞均始于節(jié)部兩側,中部偶有縱向劈裂,且斷口較為平齊；而無竹節(jié)試件的破壞均沿縱向劈裂,呈典型的韌性斷裂。

圖11 竹節(jié)試樣的順紋拉伸斷裂情況

本試驗測得的有竹節(jié)和無竹節(jié)試件的順紋抗拉強度平均值，按上述公式（4）調整為含水率為12%的順紋抗拉強度值時，其值分別為156.63和185.54 MPa。同等條件下，含竹節(jié)試件的順紋抗拉強度相對于無竹節(jié)試件的順紋抗拉強度下降了近16%。

將本試驗的竹材順紋抗拉強度的試驗結果與邵卓平[13]、曾其蘊[14]、劉旭[15]、郝繼平[16]、單波[17]等多位學者的研究成果進行對比，發(fā)現(xiàn)不同文獻所測的有、無竹節(jié)的順紋抗拉強度平均值雖不同，然而竹節(jié)對順紋抗拉強度的影響趨勢卻是一致的，無竹節(jié)試件的抗拉強度與有竹節(jié)試件的抗拉強度之比分別為 1∶0.67、1∶0.81、1∶0.83、1∶0.92、 1∶0.72 和1∶0.84，有竹節(jié)試件相對于無竹節(jié)試件的順紋抗拉強度均為降低，降低幅度的范圍：最小為8%，最大可達到33%，具體降低幅度見表5和圖12所示。引起這種差異的主要原因可能是試件采集時間、采集地、竹齡、試件選取部位和制作過程等的不同引起的，由此可見，竹節(jié)降低了毛竹材的順紋抗拉強度。

表5 不同文獻中含水率為12%的竹材順紋抗拉強度的試驗結果與本實驗結果的對比

3 結論

通過對福建三明毛竹進行順紋拉伸試驗的測試,得到有竹節(jié)和無竹節(jié)的毛竹材順紋抗拉強度值。通過比較，發(fā)現(xiàn)含水率均轉化為12%的情況下，竹節(jié)對試件的順紋抗拉強度有著不同程度降低的影響,降低幅度最少為8%，最大可達到33%。本文試驗還研究了含水率對順紋抗拉強度的影響，含水率為12%左右時順紋抗拉強度值達到最優(yōu)；通過不同文獻的對比，發(fā)現(xiàn)不同地域的毛竹，即使測試標準和竹齡相同，竹材的順紋抗拉強度仍存在差異，其中福建三明地區(qū)的毛竹材順紋抗拉強度值，在含水率轉化為12%時，有竹節(jié)的和無竹節(jié)的分別為156.63和185.54 MPa，該結果可為福建三明毛竹在竹建筑中的應用奠定初步的力學理論基礎。作為結構用材時，毛竹材將會受到多種因素的制約影響，如混凝土堿性環(huán)境對竹材抗拉性能的影響等。為了加快推廣三明毛竹在竹裝配式建筑或竹筋混凝土結構中的應用，需要對三明毛竹在不同環(huán)境中的抗拉、抗壓、抗彎、抗劈裂等力學性能以及對竹材用于混凝土環(huán)境中的防腐性能和耐久性能等進一步深入研究，以提高毛竹材力學性能的可靠指標，為三明毛竹在建筑結構中的推廣應用提供可靠的理論依據。