含水率對不同生長年份赤水楠竹力學(xué)性能的影響分析

黃培東 劉 勇 楊 琴 羅全銳 朱俊卿

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000）

0 引言

竹材是目前發(fā)現(xiàn)生長速度最快的植被之一，在全世界的大部分地區(qū)均有生長，特別是我國的南方和西部地區(qū)，竹材資源尤為豐富。在古代，竹材因其取材方便、易于加工、可塑性好等特點被我國當(dāng)成建筑材料使用，如著名的有浙江河姆渡、四川金沙等地的竹屋[1]，湖南湘西地區(qū)的吊腳樓、西南地區(qū)的傣族“干闌式”竹屋等[2]。在近現(xiàn)代，由于建筑材料越來越豐富，竹材在建筑行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)了短期的下降趨勢，但現(xiàn)在應(yīng)用的大部分材料對環(huán)境都會造成一定程度的污染，不符合國家當(dāng)前的“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，而竹材因強(qiáng)度高、自重輕、環(huán)保、可再生等特點，是最適合作為新型環(huán)保建筑材料研發(fā)的原材之一[3]，在今后一段時間，其在工程中作為新型材料應(yīng)用的前景會越來越好。

竹材的力學(xué)性能受生長環(huán)境、取材部位、使用狀態(tài)、含水率影響較大。因此，探索含水率對竹材力學(xué)性能的影響對今后竹材在工程中的應(yīng)用具有一定促進(jìn)作用。

本文以赤水河流域楠竹為研究對象，通過對不同含水率狀態(tài)下的赤水楠竹進(jìn)行抗壓、抗拉、抗彎等力學(xué)試驗，總結(jié)不同狀態(tài)下赤水楠竹各項力學(xué)性能參數(shù)，探究含水率對赤水楠竹力學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)竹材的相關(guān)研究分析及應(yīng)用提供參考。

1 試驗取材及含水率測定

1.1 取材

本次試驗以赤水河流域生長的楠竹作為研究對象，選取長勢正常、未發(fā)生病蟲害、胸徑（伐根至1.3m處直徑）＞100mm的3～9年竹齡楠竹各3株[4]。按照《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》要求，每珠截取胸徑以上2.8m含11個竹節(jié)的試材，運至實驗室后，首先去除兩端留帶竹節(jié)并延伸20mm的8段竹筒，按Ⅰ～Ⅷ的順序，從根部到端部依次編號，如圖1所示。

圖1 竹筒編號

圖1中，Ⅰ、Ⅷ兩節(jié)竹筒用于測試順紋抗拉強(qiáng)度；Ⅱ、Ⅶ兩節(jié)竹筒用于測試抗彎強(qiáng)度；Ⅲ、Ⅵ用于測試順紋度和橫紋抗壓強(qiáng)度。

1.2 含水率測定

因本次研究需使不同構(gòu)件含水率存在差異，按照試驗原理，需在試驗前提前測定含水率。本研究先將選好的取材在自然狀態(tài)下存放2個月，等取材自然風(fēng)干后再加工成試驗所需的試件，試件制作完成后再對試件進(jìn)行烘干，從而得出全干狀態(tài)下的試件質(zhì)量m0，最后再將試件放于水中浸泡不同時間，等試驗時測定試驗狀態(tài)時的質(zhì)量m1，最終試驗時含水率按照式（1）計算，精確到0.1。

式中：

ω——含水率，%；

m1——試件試驗狀態(tài)時的質(zhì)量，g；

m0——試件全干狀態(tài)時的質(zhì)量，g。

2 含水率對赤水楠竹抗壓強(qiáng)度的影響

竹材屬于各向異性材料，不同方向的受力性能差異較大，而在工程應(yīng)用過程中，竹材順紋和橫紋方向都有可能受壓，因此需要測定順紋、橫紋抗壓強(qiáng)度，其計算公式分別按式（2）和（3）計算，精確到0.1N/mm2。

當(dāng)試件的含水率為ω時的順紋抗壓強(qiáng)度：

式中：

ft,ω——含水率為ω時的楠竹順紋抗壓強(qiáng)度，N/mm2；

Pmax——破壞荷載，N；

b——試件寬度，mm；

t——試件厚度，mm。

當(dāng)試件含水率為ω時的弦向橫紋的抗壓比例極限應(yīng)力：

式中：

fc,90,ω——含水率為ω時的楠竹橫紋抗壓比例極限應(yīng)力，N/mm2；

P——比例極限荷載，N。

根據(jù)《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》要求，竹材橫、順紋抗壓強(qiáng)度測試試件尺寸符合圖2規(guī)定，即將試件加工成20×15×（t長×寬×厚）的試塊，單位為mm，精確到0.1mm。

圖2 抗壓試驗試件尺寸

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗壓試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)小于13）的6個試驗結(jié)果求平均值作為參考，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗壓強(qiáng)度（MPa）

最后將表1數(shù)據(jù)繪制成如圖3所示的順紋抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

圖3 順紋抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線

從圖3中可以看出：3～9年的赤水楠竹其順紋抗壓強(qiáng)度均隨含水率的增加而減小，特別是含水率較小（＜15%）時，順紋抗壓強(qiáng)度受含水率影響較大；當(dāng)含水率較大（＞35%）時，雖然順紋抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減小，但變化趨勢并不明顯。因此，在工程中應(yīng)用赤水楠竹作為順紋抗壓受力構(gòu)件（如腳手架立桿）時，應(yīng)將其盡可能風(fēng)干后使用，保證其順紋抗壓強(qiáng)度符合工程需要[5]。除此之外，還可以看出5年生赤水楠竹順紋抗壓強(qiáng)度相比其他年份較大，而9年生赤水楠竹順紋抗壓強(qiáng)度相比其他年份較小，即赤水楠竹生長年限小于5年時，其順紋抗壓強(qiáng)度在不斷增加，超過5年后，其順紋抗壓強(qiáng)度逐漸減小，可能是因為當(dāng)生長年份小于5年時，赤水楠竹在不斷生長的過程中也在不斷硬化，而大于5年后，隨著生長年份的增加，赤水楠竹又進(jìn)入到不斷脆化的過程導(dǎo)致。

橫紋抗壓試驗的過程與順紋抗壓試驗相同，只是受力方向相互垂直，變異系數(shù)要求＜20，其試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的橫紋抗壓強(qiáng)度（MPa）

將表2數(shù)據(jù)繪制成如圖4所示的橫紋抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

圖4 橫紋抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線

結(jié)合表2和圖4可以看出：3～9年生赤水楠竹橫紋抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加有減小的趨勢，特別是當(dāng)含水率較低（＜15%）時，橫紋抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減小的趨勢特別明顯；當(dāng)含水率較大（＞35%）時，橫紋抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減小的趨勢不明顯，甚至有些年份存在上下波動的情況[6]。因此，工程中應(yīng)用赤水楠竹作為橫紋抗壓構(gòu)件（如腳手板）時，應(yīng)盡可能將赤水楠竹風(fēng)干，使其滿足工程強(qiáng)度需求。除此之外，8～9年生的赤水楠竹橫紋抗壓強(qiáng)度明顯較其他年生要小，而5年生赤水楠竹橫紋抗壓強(qiáng)度較其他年份要高。因此，工程中盡量選擇5年左右的竹材作為橫紋抗壓構(gòu)件。

3 含水率對赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度影響

當(dāng)試件含水率為ω時，竹材順紋抗拉強(qiáng)度可按式（4）計算，精確到0.1N/mm2。

式中，各字母表示含義同公式（2）。

順紋抗拉強(qiáng)度試驗需將試條及試樣毛坯分割成大小為15mm×330mm×t（寬度×高度×厚度）的試件，誤差不超出0.1mm，如圖5所示。如果竹筒在竹節(jié)之間長度達(dá)不到試件長度要求時，試件兩端夾持部分可以含竹節(jié)。試件紋路應(yīng)該與中心線相平行，并且竹青表面的切向應(yīng)該與試件的有效部位（即中間60mm部位）一側(cè)相垂直。試件的有效部位到兩個端部夾持部位過渡弧面應(yīng)該是平滑的，且與試件中心線對稱[7]。

圖5 順紋抗拉強(qiáng)度試件

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗拉試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)＜20）的6個試驗結(jié)果求平均值作為參考，試驗結(jié)果如表3所示。將表3數(shù)據(jù)繪制成如圖6所示的順紋抗拉強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

表3 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗拉強(qiáng)度（MPa）

圖6 順紋抗拉強(qiáng)度隨含水率變化曲線

結(jié)合表3和圖6可以看出：3～9年生赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增加均有先增大后減小的趨勢，增大階段主要在含水率較小（＜15%）時，且增大的趨勢較為明顯；當(dāng)含水率較大（＞35%）時，順紋抗拉強(qiáng)度雖然整體隨含水率的增加而減小，但是減小的趨勢不明顯。因此，在工程中應(yīng)用赤水楠竹作為抗拉受力構(gòu)件（如繩索或吊具等）時，竹材不宜太濕也不宜烘太干，讓其處于自然狀態(tài)自然風(fēng)干后效果最佳。除此之外，當(dāng)含水率超過15%后，5年生赤水楠竹的順紋抗拉強(qiáng)度相對其他年生有較明顯的優(yōu)勢。因此，工程上應(yīng)用赤水楠竹作為抗拉構(gòu)件時應(yīng)優(yōu)先考慮5年生赤水楠竹。

4 含水率對赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度影響

試件含水率為ω時，竹材抗彎強(qiáng)度可按式（5）計算，結(jié)果精確到0.1N/mm2。

式中：

fm,ω——含水量為ω時的楠竹抗彎強(qiáng)度，N/mm2；

h——試件寬度，mm。

將試條分割成大小為15mm×220mm×t（寬度×長度×厚度）的試件，如圖7所示。

圖7 抗彎強(qiáng)度試件

按照含水率測試方法測試整個試件含水率，再做抗彎強(qiáng)度試驗。弦向為受力方向，所有尺寸加工需精確至0.1mm。用兩點對稱加荷，兩個加荷點分別距支座中心線50mm，加荷點之間間距為80mm±1mm。將試件放在試驗裝置兩個支座上。破壞載荷精確至10N，按150N/mm2每分鐘加載，直至試件破壞為止。試件破壞程度超出兩個加荷點外，予以舍去[8]。

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗彎試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)＜15）的6個試驗結(jié)果求平均值作為參考，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗彎強(qiáng)度（MPa）

將表4數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的抗彎強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

圖8 橫紋抗彎強(qiáng)度隨含水率變化曲線

結(jié)合表4和圖8可以看出：3～9年生赤水楠竹的橫紋抗彎強(qiáng)度隨含水率的增加均表現(xiàn)出減小的趨勢，且變化的幅度在每個含水率階段均相差不大。因此，當(dāng)工程中應(yīng)用赤水楠竹作為抗彎構(gòu)件（如腳手架橫桿）時，應(yīng)保證竹材越干越好[9]。除此之外，4～6年生赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度在不同含水率下雖存在區(qū)別但差異不大，且較其他年生楠竹抗彎強(qiáng)度要大，而8年生和9年生赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度明顯比其他年生要小很多。因此，工程上應(yīng)優(yōu)先考慮4～6年生楠竹作為抗彎構(gòu)件，年齡太小或者太大的赤水楠竹不應(yīng)作為優(yōu)先考慮對象。

5 結(jié)束語

本文通過對3～9年生赤水楠竹分別進(jìn)行不同含水率下的順紋抗壓、橫紋抗壓、順紋抗拉、橫紋抗彎試驗，分析總結(jié)赤水楠竹力學(xué)性能隨含水率的變化規(guī)律，從試驗分析結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）赤水楠竹的抗壓力學(xué)性能均隨其含水率的增加而減小，且減小的速率越來越小，當(dāng)含水率超過35%之后，橫、順紋抗壓強(qiáng)度雖隨含水率的增加仍存在減小的趨勢，但變化幅度并不明顯。

（2）赤水楠竹的順紋抗拉力學(xué)性能隨其含水率的增加存在先增大后減小的趨勢，當(dāng)含水率處在自然狀態(tài)下時，順紋抗拉強(qiáng)度最大。

（3）赤水楠竹的橫紋抗彎強(qiáng)度隨其含水率的增加而減小，且減小的速率變化不大。

（4）工程中在考慮應(yīng)用赤水楠竹作為受力構(gòu)件時，除順紋抗拉構(gòu)件應(yīng)盡量保證竹材含水率在自然狀態(tài)下自然風(fēng)干最為合適外，抗壓和抗彎構(gòu)件應(yīng)盡量保證竹材含水率越小越好，且應(yīng)該優(yōu)先考慮選用生長年限在5年左右的無病害楠竹。