重組竹力學性能及設計強度取值研究

束必清，張文娟，陶玉鵬，李 晨，張?zhí)K俊，肖忠平，傅乃強，俞君寶，顧一鳴，盧曉寧

(1.南京林業(yè)大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.揚州工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程學院，江蘇 揚州 225127)

竹材在中國分布廣[1]，4～5 a成材，且性能優(yōu)越，為快速可再生材料[2]，竹林每年均可間伐；應用領域涉及建筑、家具等[3-4]，為木材的替代補充資源[5]，應用于建筑領域可提高竹材的長期固碳能力[6]，增加竹材的經濟附加值。

竹材存在尖削度，將原竹直接應用于建筑工程實現(xiàn)工業(yè)化生產較為困難，為此將其加工制作成重組竹，形成較為規(guī)則的尺寸和形狀，便于實現(xiàn)工業(yè)化生產、裝配式施工。重組竹力學性能高強穩(wěn)定、尺寸因需而定、原材料利用率高，強重比高于木材和混凝土，可作為建筑主體結構材料使用，順紋和橫紋性能差別大[7-12]。Y.Yu等[13]利用酚醛(PF)樹脂浸漬竹纖維束制備重組竹，指出在最佳參數(shù)16%PF和1.30 g/cm3下，重組竹彎曲強度和彈性模量分別為310.0 MPa和29.7 GPa、抗剪強度28.2 MPa。重組竹機械性能隨密度和纖維取向而顯著變化[14]，最佳密度1.00 g/cm3[15]，順紋剪切強度6.0 MPa[16]。

重組竹力學性能穩(wěn)定，非碳化重組竹梁延性好、抗彎承載能力高，碳化重組竹梁延性大幅降低，受拉破壞模式為脆性拉斷，軸心受壓破壞為壓屈破壞、剪壓破壞和縱向劈裂破壞，偏心受壓破壞主要表現(xiàn)為柱身中部竹材纖維受拉斷裂[17-24]。其應用在地板、家具等領域較多，但應用于建筑主體結構較少，魏洋等[25]利用重組竹設計建造了二層現(xiàn)代竹結構抗震安居房；束必清等[11]將重組竹用于建筑主體受力構件，設計建造了二層竹博物館；范慧[26]將重組竹應用于建筑樓面板，研究了其加工工藝和力學性能。

重組竹應用于建筑工程主體結構，需要有可靠的力學性能，但不同地區(qū)竹材，重組竹力學性能可能有差別；不同加工工藝，重組竹力學性能差別較大，使得重組竹應用于建筑領域無統(tǒng)一標準，推廣應用存在較大困難。要想解決重組竹力學性能離散型大的問題，實現(xiàn)重組竹在中國建筑領域大規(guī)模應用，使重組竹成為木材的補充替代資源，則必須以某一離散型小的加工工藝為統(tǒng)一標準，分別研究不同地區(qū)竹材制成的重組竹力學性能，形成中國重組竹使用資料庫和性能選用標準。

中國的重組竹研究未形成有效的系統(tǒng)性，絕大多數(shù)學者僅研究了重組竹的標準值，未能形成可供推廣設計使用的設計值，中國竹林資源豐富的省份為浙江、福建、江西、湖南[27]，其中僅張秀華等[28]指出浙江省毛竹制作成重組竹順紋抗壓強度設計值22.8 MPa、抗彎強度設計值20.4 MPa，肖綱要等[29-30]指出四川省毛竹制作成重組竹順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量設計值分別為39.6 MPa、29.5 MPa、28.3 GPa，但對重組竹加工制作工藝交代較少，使得相關研究不具備可重復性，對國內其余重組竹的性能不具備指導和參考性。

針對中國竹林資源豐富的浙江省，選取4～5年生毛竹枝下材，在一定的加工工藝下，制作成重組竹，通過試驗研究其順紋抗拉性能、順紋抗剪性能、順紋抗彎性能、抗彎彈性模量及其破壞模式，分析其設計強度取值。結合國內已有研究成果將其與常規(guī)建筑材料性能進行對比，對不同地區(qū)毛竹制作成的重組竹性能進行補充，也為重組竹在中國建筑領域的大規(guī)模推廣應用指明了研究方向。

1 材料與方法

1.1 材料

重組竹原材料為浙江省湖州市安吉縣毛竹，生長周期4～5 a。重組竹由桐廬竹楠木環(huán)?？萍加邢薰咎峁恢袷杞?次，原纖維束含水率8%；采用酚醛(PF)樹脂常壓浸漬竹纖維束，浸膠質量濃度16%、浸膠時間20 min，接著在50 ℃下干燥至含水率12%；采用模壓冷壓工藝壓制重組竹，壓力60 MPa，密度1.13 g/cm3。

以ISO3133:1975和ISO3349:1975為依據(jù)，結合試驗設備型號尺寸，抗彎強度和抗彎彈性模量檢測采用200根20 mm×20 mm×300 mm重組竹。順紋抗剪強度檢測按照ISO3347:1976加工制作試件，順紋抗拉強度檢測按照ISO3345:1975加工制作試件，試件數(shù)量均為200根，順紋抗拉強度檢測試樣見圖1。

1.2 方法

重組竹力學性能試驗采用長春新特試驗機有限公司生產的WDW-200型微機控制電子萬能試驗機，最大試驗力200 kN。百分表采用上海工具廠有限公司生產的SXB-2型數(shù)顯百分表，最大響應速度1000 mm/s，分度值0.01 mm。

順紋抗剪強度檢測及強度計算按照ISO3347:1976進行，勻速加載，控制試樣在1.5～2.0 min內破壞，現(xiàn)場測試如圖2所示；抗彎強度檢測及強度計算按照ISO3133:1975進行，加載速度5 mm/min，現(xiàn)場測試如圖3所示；抗彎彈性模量檢測及模量計算按照ISO3349:1975進行，加載速度1 mm/min，現(xiàn)場測試如圖4所示；順紋抗拉強度檢測及強度計算按照ISO3345:1975進行，勻速加載，控制試樣在1.5～2.0 min內破壞，現(xiàn)場測試如圖5所示。重組竹含水率檢測及計算按照ISO3130:1975進行，現(xiàn)場試樣如圖6所示。

檢測數(shù)據(jù)的平均值、標準差、標準誤差、變異系數(shù)和準確指數(shù)按照ISO3129:2012計算。

2 結果與分析

參照《木結構設計手冊》(第4版)，計算順紋抗拉強度、順紋抗剪強度、抗彎強度設計值和彈性模量。尺寸誤差影響系數(shù)KA取0.96，抗拉分項系數(shù)γtR取1.95，抗剪分項系數(shù)γvR取1.50，抗彎分項系數(shù)γmR取1.60；干燥缺陷影響系數(shù)KQ2取0.9，長期受荷強度折減系數(shù)KQ3取0.72，尺寸影響系數(shù)KQ4取0.75。

2.1 順紋抗拉強度

通過順紋抗拉試驗檢測可知，隨著荷載的增大，試件竹纖維拉斷發(fā)出陣陣響聲，抗拉強度較小的纖維先發(fā)生斷裂使得該截面有效面積減小、應力增加。試件內部各纖維伸長率相近時，試件發(fā)生同一截面處纖維拉斷破壞(圖7)；試件內部各纖維伸長率相差較大時，纖維間產生剪切應力，試件發(fā)生鋸齒狀界面剪切破壞(圖8)；試件內部各纖維伸長率差異介于某一狀態(tài)時，纖維拉斷和界面剪切破壞同時發(fā)生(圖9)。上述3種破壞模式在破壞前征兆均較小，屬脆性破壞。

通過順紋抗拉強度檢測，得出了重組竹順紋抗拉強度檢測值(表1)。

表1 重組竹順紋抗拉強度檢測值

試件抗拉強度標準值ftk=mft-1.645σ=112.5 MPa,方程標準性影響系數(shù)KP=1-P=0.921≤1.0。

考慮重組竹生產過程中密度分布、纖維長度、鋪裝工藝等因素的離散性，參照《木結構設計手冊》，重組竹抗拉缺陷影響系數(shù)KtQ1取0.66。

試件材料強度折減系數(shù)KtQ=KtQ1KQ2KQ3KQ4=0.321，重組竹順紋抗拉強度設計值ft=(KPKAKtQftk)/γtR=16.4 MPa。

為了使檢測數(shù)據(jù)與木材具有可比性，對其進行含水率調整。含水率12%時，重組竹順紋抗拉強度設計值為：ft12=ft[1+0.015(w-12)]=16.3 MPa。

參照《木結構設計手冊》，計算得出重組竹順紋抗拉強度設計值為16.3 MPa，該強度高于常見木材的順紋抗拉強度設計值，說明從順紋抗拉強度角度，重組竹可作為木材的替代補充資源在建筑工程領域進行使用。

2.2 順紋抗剪強度

對試件進行順紋抗剪試驗檢測，隨著荷載的增大，纖維之間的剪應力呈線性增加，當剪應力超過材料的順紋抗剪強度，試件發(fā)生界面剪切破壞(圖10)。破壞前變形較小、無明顯征兆，斷口平齊，屬脆性破壞。

通過順紋抗剪強度檢測，得出了重組竹順紋抗剪強度檢測值(表2)。

表2 重組竹順紋抗剪強度檢測值

試件抗剪強度標準值fvk=mfv-1.645σ=16.5 MPa，方程標準性影響系數(shù)KP=1-P=0.913≤0.97。

因重組竹生產過程中密度分布、纖維長度、鋪裝工藝等因素的離散性，參照《木結構設計手冊》，重組竹抗剪缺陷影響系數(shù)KvQ1取0.80。

試件材料強度折減系數(shù)KvQ=KvQ1KQ2KQ3KQ4=0.257，重組竹順紋抗剪強度設計值fv=(KPKAKvQfvk)/γvR=3.76 MPa。

為了使檢測數(shù)據(jù)與木材具有可比性，對其進行含水率調整。含水率12%時，重組竹順紋抗剪強度設計值為：fv12=fv[1+0.015(w-12)]=3.69 MPa。

參照《木結構設計手冊》，計算得出重組竹順紋抗剪強度設計值為3.69 MPa，該強度高于常見木材的順紋抗剪強度設計值，說明從順紋抗剪強度角度，重組竹可作為木材的替代補充資源在建筑工程領域進行使用。

2.3 抗彎強度

對試件進行抗彎試驗檢測可知：加載初期，試件處于彈性階段，荷載-位移曲線呈線性，該階段約占整個加載階段的3/4；隨著荷載的增加，受拉區(qū)纖維先發(fā)生拉斷，試件撓度明顯增大，中性軸上移，部分試件存在受拉區(qū)纖維間的層間界面剝離；加載后期，撓度繼續(xù)增大，中性軸上移，受壓區(qū)纖維被壓潰，抗彎強度破壞如圖11。試件在破壞前有較大撓度變形，破壞征兆明顯，屬塑性破壞。

通過抗彎強度檢測，得出了重組竹抗彎強度檢測值(表3)。

表3 重組竹抗彎強度檢測值

試件抗彎強度標準值fmk=mfm-1.645σ=172.1 MPa，方程標準性影響系數(shù)KP=1-P=0.909≤1.0。

因重組竹生產過程中密度分布、纖維長度、鋪裝工藝等因素的離散性，參照《木結構設計手冊》，重組竹抗彎缺陷影響系數(shù)KmQ1取0.75。

試件材料強度折減系數(shù)KmQ=KmQ1KQ2KQ3KQ4=0.193，重組竹抗彎強度設計值fm=(KPKAKmQfmk)/γmR=34.2 MPa。

為了使檢測數(shù)據(jù)與木材具有可比性，對其進行含水率調整。含水率12%時，重組竹抗彎強度設計值為：fm12=fv[1+0.015(w-12)]=33.8 MPa。

參照《木結構設計手冊》，計算得出重組竹抗彎強度設計值為33.8 MPa，該強度高于常見木材的順紋抗剪強度設計值，說明從抗彎強度角度，重組竹可作為木材的替代補充資源在建筑工程領域進行使用；該強度高于文獻[28]的抗彎強度設計值，略高于文獻[30]的抗彎強度設計值，說明無論重組竹原料是否來自于同一地區(qū)，重組竹的加工制作工藝不同，重組竹強度會有較大差異，要想大力推廣使用重組竹，首先要確定統(tǒng)一的加工制作工藝標準，選用性能好、離散性小的重組竹加工制作工藝作為基本的工藝標準。

2.4 抗彎彈性模量

通過抗彎彈性模量檢測，得出了重組竹抗彎彈性模量檢測值(表4)。

表4 重組竹抗彎彈性模量檢測值

試件抗彎彈性模量標準值Ek=mE-1.645σ=23.3 GPa。

參照強度計算，偏于安全，考慮尺寸誤差影響系數(shù)KA取0.94，天然缺陷影響系數(shù)KEQ1取0.75，干燥缺陷影響系數(shù)KQ2取0.85，長期受荷強度折減系數(shù)KQ3取0.72，尺寸影響系數(shù)KQ4取0.89。

方程標準性影響系數(shù)KP=1-P=0.923≤1.0，重組竹抗彎彈性模量Em=KPKAKEQ1KQ2KQ3KQ4Ek=8.3 GPa。

參照《木結構設計手冊》，計算得出重組竹抗彎彈性模量為8.3 GPa，該值低于常見木材的抗彎彈性模量，說明在進行重組竹抗彎設計時，以受彎構件的撓度控制作為構件設計的依據(jù)較為準確，該結論與文獻[31]一致。

2.5 材料性能對比

將通過試驗分析計算得到的順紋抗拉強度、順紋抗剪強度、抗彎強度設計值和抗彎彈性模量結合國內已有研究成果，與常規(guī)建筑材料性能進行對比，具體見表5。其中東北落葉松、樟子松、杉木、櫟木強度設計值和彈性模量取自《木結構設計規(guī)范》(GB 50005-2017)，C30混凝土強度設計值和彈性模量取自《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010-2010(2015版))，Q235鋼強度設計值和彈性模量取自《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017-2017)，木材、混凝土和鋼材自重取自《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)。

由表5對比可知，重組竹順紋性能不低于常見木材和混凝土，強重比高于常見木材和混凝土、略小于鋼材，可作為建筑結構主體受力材料使用。由于材料抗壓和抗剪破壞屬于脆性破壞，故須適當提高抗壓和抗剪安全系數(shù)。文獻[30]的四川重組竹抗彎彈性模量未考慮缺陷等因素進行折減，與本文未折減前抗彎彈性模量平均值基本吻合。

表5 重組竹與常見建筑材料的順紋性能對比

重組竹自重大，可通過優(yōu)化截面設計等措施降低重組竹構件重量。

由于不同地區(qū)毛竹材料性能和重組竹加工制作工藝不同，重組竹材料性能相差較大，在確定統(tǒng)一的加工制作工藝標準基礎上，比較不同地區(qū)毛竹制成的重組竹材料性能，形成中國的重組竹材料性能庫，才可大規(guī)模提高重組竹在建筑領域的推廣應用。

3 結論與討論

建筑業(yè)迫切需要尋找可再生資源；竹材為快速可再生材料，性能優(yōu)越，用于建筑領域可提高長期固碳能力、增加經濟附加值。通過對浙江毛竹枝下材制作成的重組竹進行順紋抗拉強度、順紋抗剪強度、抗彎強度、抗彎彈性模量研究，分析其破壞模式，計算其設計強度，并與常規(guī)建筑材料性能進行了對比，得出如下結論。

重組竹順紋抗拉強度設計值為16.3 MPa，抗拉破壞屬于脆性破壞，破壞模式有3種：受拉纖維拉斷、鋸齒狀界面剪切破壞、纖維拉斷和界面剪切破壞同時發(fā)生。

重組竹順紋抗剪強度設計值為3.69 MPa，抗剪破壞屬于脆性破壞，破壞模式為纖維界面的剪切破壞。

重組竹抗彎強度設計值和抗彎彈性模量分別為33.8 MPa和8.3 GPa，抗彎破壞屬于塑性破壞，破壞模式為受拉纖維先拉斷、受壓纖維后壓潰破壞。

重組竹強重比高于常見木材和混凝土、略小于鋼材，可作為建筑結構主體受力材料使用，但須適當提高抗壓強度和抗剪強度安全系數(shù)，用作受彎構件時以撓度控制較為準確。

選用性能好、離散性小的重組竹加工制作工藝作為全國統(tǒng)一的基本工藝標準，比較不同地區(qū)毛竹制成的重組竹材料性能，形成中國重組竹材料性能庫，具有較大的實用意義。