重組竹高溫處理后物理力學(xué)性能研究

俞君寶，楊鼎宜，杜保聰，蔡元成

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100)

竹材是一種生長(zhǎng)周期短、力學(xué)性能優(yōu)良、一次種植可持續(xù)利用的綠色建材[1]。為滿足現(xiàn)代工業(yè)化、裝配化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用材的需求，利用復(fù)合加工技術(shù)，將小徑雜竹加工成竹束后經(jīng)疏解、施膠、組坯熱壓而成重組竹[2-3]。F.Rao等[4]、李頻[5]和吳文清等[6]對(duì)重組竹的基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明重組竹具有較好的物理力學(xué)性能。肖綱要等[7]、肖忠平等[8]和魏洋等[9]對(duì)結(jié)構(gòu)用重組竹的抗彎性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明重組竹可用作建筑結(jié)構(gòu)用材。然而，竹材與木材一樣屬于可燃性材料，高溫下竹材炭化、承載性能及剛度下降，阻礙著其工程應(yīng)用。

向金華[10]、夏秋羚[11]研究了膠合竹和重組竹高溫后基本性能，結(jié)果表明，膠合竹和重組竹高溫后物理力學(xué)性能顯著下降，碳化深度明顯增加，且與時(shí)間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。肖忠平等[12]、朱彥等[13]研究了高溫后重組竹的受壓性能，發(fā)現(xiàn)重組竹受壓隨高溫時(shí)間逐漸下降，但仍具有一定的剩余強(qiáng)度，可以減少火災(zāi)高溫對(duì)建筑的損傷。M.Xu等[14-15]開(kāi)展了高溫下重組竹壓縮和拉伸性能的試驗(yàn)研究，闡明了重組竹材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞機(jī)理，建立了高溫下重組竹強(qiáng)度和彈性模量折算因子方程。靳肖貝等[16-17]、王嘉輝等[18]開(kāi)展了重組竹燃燒性能和物理力學(xué)性能研究，并通過(guò)添加阻燃劑提高重組竹的阻燃性能。

當(dāng)前對(duì)重組竹高溫后力學(xué)性能的研究較少且不成系統(tǒng)。本研究通過(guò)對(duì)重組竹高溫處理，探討了重組竹力學(xué)性能和質(zhì)量損失隨高溫時(shí)間和溫度的變化規(guī)律，并比較不同冷卻方式對(duì)重組竹高溫處理后力學(xué)性能的影響，為重組竹建筑的抗火設(shè)計(jì)、火災(zāi)后的重組竹結(jié)構(gòu)性能評(píng)估提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 原材料和設(shè)備

重組竹：密度分別為0.85 g/cm3(A類)和1.05 g/cm3(B類)，廣西綠鏡竹業(yè)有限公司生產(chǎn)并提供。SX2-10-24智能箱式高溫爐、WDW-200電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法與性能測(cè)試

參照《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GBT 1935-2009、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GBT 1936.1-2009、《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GBT 1937-2009、《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GBT 1938-2009分別制作試件并測(cè)試力學(xué)性能?？箟涸嚰叽纾?0 mm×20 mm×20 mm，抗彎試件尺寸：30 mm×20 mm×20 mm，抗剪試件和抗拉試件尺寸如圖1 所示。

圖1 抗剪試件和抗拉試件尺寸Fig.1 Sizes of shear and tensile specimens

將制作好的試件放置于高溫爐內(nèi)并進(jìn)行高溫處理。設(shè)置溫度為110、170、230 ℃，分別恒溫處理1、2、3、4 h，取出后自然冷卻，測(cè)試其力學(xué)性能。為了研究冷卻方式對(duì)重組竹力學(xué)性能的影響，將制作好的試件放置于高溫爐內(nèi)，設(shè)置溫度230 ℃，恒溫4 h，取出分別進(jìn)行自然冷卻和浸水冷卻，然后測(cè)試其力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度變化

由圖2可知，高溫下重組竹的抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而逐漸降低，且溫度越高下降越快。相同條件下，密度對(duì)高溫下重組竹抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，2種不同密度的重組竹抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)和殘余強(qiáng)度基本相同。高溫下，前1 h內(nèi)的重組竹抗壓強(qiáng)度下降較快，后3 h下降變緩慢。230 ℃高溫下1 h，A類重組竹的殘余抗壓強(qiáng)度約50 MPa，B類重組竹的殘余抗壓強(qiáng)度約60 MPa，強(qiáng)度保留率約為50%。110 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余強(qiáng)度約為75 MPa，強(qiáng)度保留率約為80%。170 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余強(qiáng)度約為50 MPa，強(qiáng)度保留率約為55%。230 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余強(qiáng)度約為30 MPa，強(qiáng)度保留率約為35%。

圖2 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of class A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

2.2 抗剪強(qiáng)度變化

由圖3可知，高溫下重組竹的抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的增加逐漸降低，且溫度越高下降越快。相同條件下，重組竹密度越大，抗剪強(qiáng)度下降越緩慢，殘余強(qiáng)度越大。高溫下，重組竹的抗剪強(qiáng)度在第1 h內(nèi)下降較快，后3 h下降變緩慢。110 ℃高溫下1 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度約為20 MPa，強(qiáng)度保留率約為83%。170 ℃高溫下1 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度分別為15 MPa和18 MPa，強(qiáng)度保留率約為62%和75%。230 ℃高溫下1 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度分別為8 MPa和12 MPa，強(qiáng)度保留率約為30%和50%。110 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度約為18 MPa，強(qiáng)度保留率約為80%。170 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度約為13 MPa，強(qiáng)度保留率約為50%。230 ℃高溫下4 h，2種重組竹的殘余抗剪強(qiáng)度約為5 MPa，強(qiáng)度保留率約為20%。

圖3 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)抗剪強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of class A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

2.3 抗彎強(qiáng)度變化

由圖4可知，高溫下重組竹的抗彎隨時(shí)間的增加逐漸降低，且溫度越高下降越快。相同條件下，密度對(duì)高溫下重組竹抗彎強(qiáng)度的影響不明顯，2種密度的重組竹抗彎強(qiáng)度下降趨勢(shì)和殘余強(qiáng)度基本相同。110 ℃高溫下，2種重組竹的抗彎強(qiáng)度下降較緩慢，4 h后的殘余抗彎強(qiáng)度為110 MPa，強(qiáng)度保留率約為90%。170 ℃高溫下，2種重組竹的抗彎強(qiáng)度下降變快，4 h內(nèi)下降速率均勻，4 h后殘余抗彎強(qiáng)度50～70 MPa，強(qiáng)度保留率約為45%～60%。230 ℃高溫下，2種重組竹的抗彎強(qiáng)度在前2 h下降迅速，2 h時(shí)后殘余抗彎強(qiáng)度為30 MPa，強(qiáng)度保留率約為25%；后2 h重組竹的抗彎強(qiáng)度變化較小。

圖4 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)抗彎強(qiáng)度Fig.4 Flexure strength of class A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

2.4 抗拉強(qiáng)度變化

由圖5可知，高溫下重組竹的抗拉強(qiáng)度隨時(shí)間的增加逐漸降低，且溫度越高下降越快。相同條件下，重組竹密度越大，抗拉強(qiáng)度下降越緩慢，殘余強(qiáng)度越大。110 ℃高溫下，A類重組竹的抗拉強(qiáng)度下降較緩慢，B類重組竹的抗拉強(qiáng)度下降較快。170 ℃高溫下，2種重組竹的抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)較快的下降，1 h后A類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為70 MPa，B類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為80 MPa，2種重組竹的強(qiáng)度保留率分別約為56%和72%；4 h后2種重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度接近，約為45 MPa，強(qiáng)度保留率約為35%。230 ℃高溫下，1 h后A類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為30 MPa，B類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為35 MPa，2種重組竹的強(qiáng)度保留率分別約為24%和31%；4 h A類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為10 MPa，B類重組竹的殘余抗拉強(qiáng)度為20 MPa，2種重組竹的強(qiáng)度保留率分別約為8%和18%。

圖5 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of class A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

2.5 質(zhì)量損失

由圖6可知，高溫下重組竹的質(zhì)量損失率隨時(shí)間的增加逐漸增大，且溫度越高損失越明顯。相同條件下，密度對(duì)高溫下重組竹質(zhì)量損失的影響不明顯，2種密度的重組竹質(zhì)量損失趨勢(shì)和殘余質(zhì)量基本相同。110 ℃和170 ℃高溫下，2種重組竹質(zhì)量損失不明顯，隨著時(shí)間的增加質(zhì)量損失率略有增加，恒溫4 h后殘余質(zhì)量分別約為95%和90%。230 ℃高溫下2種重組竹質(zhì)量損失明顯，且隨著時(shí)間的增加質(zhì)量損失率大幅增加，恒溫4 h后殘余質(zhì)量?jī)H剩約為70%。

圖6 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)質(zhì)量損失率Fig.6 Mass loss rate ofclass A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

2.6 冷卻方式對(duì)強(qiáng)度損失的影響

為了研究冷卻方式對(duì)高溫處理后重組竹力學(xué)性能的影響，將重組竹在高溫230 ℃下處理4 h，取出分別對(duì)其進(jìn)行自然冷卻和浸水冷卻，然后測(cè)試其力學(xué)性能。

由圖7可知，高溫后自然冷卻下重組竹的殘余強(qiáng)度均大于浸水冷卻的殘余強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度相差較為明顯，且A類重組竹比B類重組竹相差更明顯，分析原因：重組竹隨著含水率的增加，強(qiáng)度會(huì)降低。A類重組竹密度小，孔隙率大，吸水率大等導(dǎo)致強(qiáng)度降低較大。實(shí)際火災(zāi)情況下，用水消防滅火后，重組竹的強(qiáng)度會(huì)有所下降，因此，在一定程度上會(huì)增加重組竹結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)的危險(xiǎn)性。

圖7 A類重組竹(a)和B類重組竹(b)殘余力學(xué)強(qiáng)度Fig.7 Residual mechanical strength ofclass A bamboo scrimber (a) and class B bamboo scrimber (b)

3 結(jié)論與討論

高溫處理后重組竹的力學(xué)性能逐漸降低，溫度越高，高溫時(shí)間越長(zhǎng)，下降越明顯。230 ℃高溫下重組竹力學(xué)強(qiáng)度急劇下降，4 h后殘余強(qiáng)度在10%～35%?？箟簭?qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的殘余強(qiáng)度相對(duì)較大，抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的殘余強(qiáng)度相對(duì)較小。相同條件下，重組竹的密度越大，強(qiáng)度損失越小。高溫處理后重組竹的質(zhì)量損失率逐漸增加，110 ℃和170 ℃高溫下，重組竹質(zhì)量損失不明顯，230 ℃高溫下重組竹質(zhì)量損失明顯，恒溫4 h后殘余質(zhì)量?jī)H剩約為70%。高溫處理后，自然冷卻的重組竹殘余強(qiáng)度高于浸水冷卻，尤其是抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。重組竹密度越大，冷卻方式對(duì)殘余強(qiáng)度的影響越小。

相較于傳統(tǒng)竹木材，重組竹是一種在高壓下形成的密實(shí)型復(fù)合材料，具有較好的防高溫和阻燃性能。同時(shí)，由于生產(chǎn)重組竹所用的樹(shù)脂類膠黏劑具有較好的高溫穩(wěn)定性，所以，重組竹在高溫下的物理力學(xué)性能較好。但是，當(dāng)溫度較高時(shí)，重組竹的物理力學(xué)性能也會(huì)急劇下降，這為重組竹在工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，確保使用的安全性。