基于重组竹的结构用胶合竹材力学性能试验研究

作者：潘金炎王立张玉强刘亚辉

单位：浙江省建筑科学设计研究院有限公司

摘要：基于重组竹的胶合竹材是一种天然竹纤维增强复合材料, 可作为木材替代品。为研究其作为建筑结构材料的可行性, 进行受拉、受压、受弯、受剪等力学性能试验和人工加速老化试验, 并对试验结果进行统计和分析, 得到胶合竹材的抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度标准值和设计值;并与木材及其他复合木材料进行比对, 试验结果表明, 胶合竹材完全能够满足建筑结构对材料主要力学性能的要求。

关键词：胶合竹材力学性能复合材料强度研究

作者简介：潘金炎, 教授级高级工程师, E-mail:jypan@126.com;
基金：浙江省科技计划项目 (2016F50064);

0 引言

木结构房屋在我国古代的使用历史十分悠久, 并成就了很多经典木结构建筑, 但木材资源的匮乏极大地制约了木结构住宅在我国的推广和发展, 因此需要寻找木材替代品。我国竹材资源十分丰富, 通常竹子生长约4年可以砍伐, 并且可以再生, 与木材相比, 竹材具有强度大、韧性好、耐磨损、纹理通直、色泽高雅等优点, 具有硬阔叶树材的诸多优良特性。

传统圆竹建筑具有一定的局限性, 如圆竹材料的不规则性、节点连接的不可靠性、建筑形式的单调和简陋等, 不符合现代竹结构的发展方向。利用现代胶合工艺对圆竹材料进行改造和重组, 制成基于重组竹的胶合竹材, 类似于国内外广泛应用的胶合木材, 是现代竹结构的发展方向。为了解胶合竹材作为结构材料的力学性能, 本文进行了试验研究和讨论。

1 胶合竹材生产工艺

胶合竹材的生产工艺一般需要经过热压和冷压2道主要加工环节^[1]。前期热压加工主要生产胶合板材或片材, 而后期冷压加工主要生产满足结构设计需要的各种不同尺寸和形状的结构构件。

首先, 需要将砍伐下的圆竹截锯成分段竹筒, 用同轴双锯片开片机锯开, 用粗刨机分别将竹青、竹黄刨削成竹屑并旋转排出, 将圆弧竹片刨削加工成断面形状为矩形的竹片。竹片经过疏解拉丝机后被疏解成分散的、相互连接的纤维化竹单板。其次进行干燥处理, 含水率为16%～18%时, 浸入胶池, 进行施胶, 浸渍完成后烘干纤维化竹单板, 使其含水率降到12%左右。然后按设定的竹板规格进行叠铺组坯, 再进行热压, 热压温度为140～160℃, 面压力为3.0MPa。热压完成后采用水冷降温, 最后进行切边和包装。结构用的胶合竹板材厚度一般≤50mm, 板幅尺寸长×宽一般≤2 400mm×1 200mm, 当需要制造更大尺寸的结构构件时, 通过冷压胶合工艺进行拼长、拼厚。

冷压胶合工艺的加工方式先将胶合竹板切割成所需要的尺寸和形状, 然后进行拼接, 拼接的基本形式为指接, 指接接头采用专门的铣刀在板材端头切削出一组形似手指的梯形榫, 在接口部位涂刷胶黏剂, 将板材放在接长机上进行接长。接长后的板材宽面上下表面经过刨光、分层叠铺和施胶处理, 完成后移入冷压机, 进行冷压和固化, 固化时间为2～4h。固化后的胶合竹材料即为结构用材, 可用作梁、柱等结构承重构件。

2 胶合竹材力学性能试验

本文将胶合竹材看作一种竹材复合材料, 参考GB/T1928—2009《木材物理力学试验方法总则》和GB50005—2003《木结构设计规范》^[2]进行力学性能试验。强度检验取样参照《木结构设计规范》附录C, 在一批复合材中随机抽取5根, 每根试材上为每个试验项目切取试件6个, 共30个。本次试验使用单向纤维胶合竹材, 引入原木结构中顺纹概念, 将胶合竹材纤维方向定义为顺纹方向, 以方便理解胶合竹材的力学性能。

2.1 受拉性能试验

胶合竹材抗拉力学性能试验依据GB/T1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》进行^[3], 试件形状和尺寸如图1所示, 长度方向为顺纹方向 (竹纤维方向) 。

图1 抗拉力学性能试件尺寸

Fig.1 Specimen sizes for tensile properties

如图2所示, 试验设备为50kN万能试验机, 将试样两端夹紧在试验机钳口中, 使试样宽面和钳口接触, 两端靠近弧形部分露出20～25mm, 竖直地安装在试验机上。以均匀速度加荷, 在1.5～2.0min使试样破坏, 破坏荷载精确至100N。如拉断处不在试样的有效部分, 试验结果应予以舍弃。试验结果表明, 试件抗拉强度试验结果平均值为123.1MPa, 标准差为19.49MPa, 变异系数为15.83%。

图2 抗拉强度试验

Fig.2 Tensile strength testing

2.2 受压性能试验

胶合竹材顺纹抗压力学性能试验依据GB/T1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》进行^[4], 试件尺寸为30mm×20mm×20mm, 长度方向为顺纹方向。为保证试件在受压过程中时刻保持轴心受压, 在试件底部放置球形支座。顺纹受压的破坏模式表现为2种:端部压碎与斜向压碎。试件抗压强度试验结果平均值为91.9MPa, 标准差为6.1MPa, 变异系数为6.64%。

2.3 受剪性能试验

胶合竹材顺纹抗剪力学性能试验依据GB/T 1937—2009《木材顺纹抗剪强度试验方法》进行^[5], 图3所示为试样的形状和尺寸, 图4所示为抗剪试验装置, 长度方向为顺纹方向, 试件剪切面方向垂直于底面且与厚度方向平行。

图3 受剪试件尺寸

Fig.3 Size of shear specimen

图4 受剪试验装置

Fig.4 Testing device for shear specimen

试验时, 先将试样装于垫块上 (见图4) , 调整螺杆, 试样顶端和Ⅰ面 (见图3) 上部贴紧试验装置上部凹角的相邻两侧面, 至试样不动为止。再将压块置于试样斜面Ⅱ上, 并使其侧面紧靠试验装置的主体。将装好试样的试验装置放在试验机上, 在1.5～2.0min使试样破坏。破坏时, 受压部分沿受剪面出现明显裂缝或位移, 受压面纤维被撕裂, 形成受剪破坏。试验结果表明, 试件抗剪强度试验结果平均值为13.9MPa, 标准差为2.39MPa, 变异系数为17.41%。

2.4 受弯性能试验

受弯试件尺寸为300mm×20mm×20mm, 长度为顺纹方向, 抗弯强度试验与抗弯弹性模量的测定采用相同试件, 先测定弹性模量, 后进行抗弯强度试验。试验试件数量共30个。抗弯弹性模量试验方法如图5所示, 依据GB/T1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》进行^[6]。抗弯强度试验方法如图6所示, 依据GB/T1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》进行^[7]。随着荷载增加, 试件下部纤维发出声音后, 下部纤维大面积断裂, 试验机荷载读数不再上升, 试件发生弯曲破坏。

图5 抗弯弹性模量试验方法

Fig.5 Test method of elastic modulus of bending

图6 抗弯强度试验

Fig.6 Bending strength testing

试验结果表明, 试件抗弯弹性模量试验结果平均值为15 442.8MPa, 标准差为1 085.2MPa, 变异系数为7.02%;抗弯强度试验结果平均值为144.1MPa, 标准差为11.87MPa, 变异系数为8.24%。

3 胶合竹材力学性能统计结果分析

3.1 胶合竹材力学性能试验结果 (见表1)

表1 胶合竹材试验力学性能指标

Table 1 Mechanical properties of glued bamboo

试验类型	力学性能	试件数量	平均值/ MPa	标准差/ MPa	变异系数/%
受拉	强度	30	123.1	19.49	15.83
受压	强度	30	91.9	6.10	6.64
受弯	强度	30	144.1	11.87	8.24
受弯	弹性模量	30	15 442.8	1 085.2	7.02
受剪	强度	30	13.9	2.39	17.41

3.2 胶合竹材强度标准值和设计值

胶合竹材强度标准值f_k采取概率分布的0.05分位值^[8], 即:

$f_{k} = m_{f} - 1.645 σ (1)$

式中:f_k为材料强度标准值;m_f为材料强度平均值;σ为标准差。

根据式 (1) 可得出各种受力状态下的材料强度标准值计算结果。

基于承载力极限状态的可靠度指标β, 以分项系数的方法给出了胶合竹材强度设计值f表达式^[9]:

$f = (Κ_{Ρ} \cdot Κ_{A} \cdot Κ_{Q 1} \cdot Κ_{Q 2} \cdot Κ_{Q 3} \cdot Κ_{Q 4} \cdot f_{k}) / γ_{k} (2)$

式中:γ_k为抗力分项系数, 对受拉、受压、受弯、受剪的受力类型, 分别取1.95, 1.45, 1.60, 1.50;K_P为方程精确性系数;K_A为尺寸误差影响系数;K_Q1为天然缺陷影响系数;K_Q2为干燥缺陷影响系数;K_Q3为长期受荷强度折减系数;K_Q4为尺寸影响系数。各系数取值列于表2。

表2 胶合竹材强度影响系数

Table 2 Strength influence coefficients of glued bamboo

受力类型	K_P	K_A	K_Q1	K_Q2	K_Q3	K_Q4	总折减系数
压力	1	0.96	0.80×1.2	—	0.72	—	0.66
拉力	1	0.96	0.66×1.2	0.90×1.1	0.72	0.75	0.41
弯曲	1	0.94	0.75×1.2	0.85×1.1	0.72	0.89	0.51
剪力	0.97	0.96	—	0.82×1.1	0.72	0.90	0.54

在表2中, 除对天然缺陷影响系数K_Q1和干燥缺陷影响系数K_Q2进行调整外, 其他系数按原木材料取值^[9]。因为胶合竹材经过较为严格的材料挑选和工业化生产, 所以材料本身缺陷较原木少, 故在原木材料天然缺陷影响系数上乘以1.2作为胶合竹材的天然缺陷影响系数K_Q1值;对于干燥缺陷影响系数K_Q2, 胶合竹材含水率在生产过程中严格控制在8%～15%, 所以此项系数在原木材料的系数上乘以1.1^[10]。

根据式 (1) 和式 (2) 可计算得到胶合竹材的材料强度标准值和设计值, 其结果列于表3。与强度等级TB20的木材、强度等级TB17A组的普通层板胶合木强度设计值、弹性模量对比结果列于表4。从表4可以看出, 胶合竹材各项强度设计值与弹性模量均高于木材和普通层板胶合木, 其力学性能完全可以替换普通木材、普通层板胶合木, 作为一种优秀的建筑材料应用于木结构建筑中。

表3 胶合竹材强度标准值和设计值

Table 3 Standard strength and design value of glued bamboo MPa

强度种类	抗弯弹性模量	抗弯强度	顺纹抗拉强度	顺纹抗剪强度	顺纹抗压强度
标准值	13 600	124	91	9.9	82
设计值	—	39	19	3.6	37

表4 3种材料的力学性能对比

Table 4 Mechanical properties comparison of three materials MPa

构件种类	弹性模量	强度设计值
构件种类	弹性模量	顺纹抗弯	顺纹抗拉	顺纹抗剪	顺纹抗压
木材强度等级TB20	12 000	20	12	2.8	18
胶合木强度等级TB17A组	10 000	17	10	1.7	16
胶合竹材	13 600	39	19	3.6	37

4 胶黏剂剪切试验

本试验的目的是测试组成结构构件的板材之间胶黏剂的抗剪切能力, 板材之间采用单组分聚氨酯类胶黏剂。试验依据GB50005—2003《木结构设计规范》附录E的规定进行^[8], 分为干态试验和湿态试验2种, 干态试验应在胶合后的3～5d进行, 湿态试验应在浸水24h后立即进行。干、湿态试验试件个数约为4个。试验结果如表5所示。

表5 胶黏能力剪切试验结果

Table 5 Shear test results of adhesive ability

试件状态	编号	长度/ mm	宽度/ mm	胶黏面积破坏率/%	破坏特征	破坏荷载/ N	剪切强度/ MPa
干态	1	59.74	49.54	0	木材剪切破坏	45 520	15.38
	2	59.07	50.28	0	木材剪切破坏	32 958	11.10
	3	59.21	49.90	0	木材剪切破坏	33 236	11.25
	4	59.35	49.66	0	木材剪切破坏	35 568	12.07
湿态	5	59.23	49.96	33	胶水部分脱黏	39 160	13.23
	6	58.75	50.35	43	胶水部分脱黏	33 042	11.17
	7	58.77	49.73	0	木材剪切破坏	33 362	11.41
	8	59.56	50.58	0	木材剪切破坏	36 853	12.21

从胶黏能力剪切试验结果中可以看出, 干态试验中试件破坏均是木材表面被撕裂, 剪切强度平均值为12.45MPa;湿态试验中, 4个试件中的2个为木材表面撕裂, 2个有一定比例的胶水脱黏, 剪切强度平均值为12.00MPa。综合两组试验结果, 胶黏能力的剪切强度在2种情况下均能满足《木结构设计规范》附录E的规定, 并且大于竹基纤维复合材顺纹抗剪强度标准值。

5 胶合竹材人工加速老化试验

胶合竹材作为建筑物的梁、柱承重构件使用时, 在建筑物全生命周期中不可避免地受到风吹日晒等气候老化作用, 所以要进行人工加速老化试验。用人工方法近似模拟大气环境, 如光照、湿、热等自然条件并强化某种因素, 以期在较短时间内获得试验结果。试验依据GB/T17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》^[10], 试验箱为氙气灯人工气候老化试验箱, 试验箱具有辐照、冷凝及自动喷淋循环功能, 模拟室外条件如阳光、降雨等。

本文测试了试件老化前后的抗弯强度和握螺钉力2项指标。取4组试件, 每组6个, 2组进行抗弯强度试验, 另2组进行握螺钉力测试。抗弯强度试件尺寸为300mm×20mm×20mm, 握螺钉力试件尺寸为75mm×50mm×20mm, 长度方向为顺纹方向。

将1组抗弯强度试件放入老化试验箱中, 经过1 000h (约42d) 的湿热光照处理后取出。经观察, 人工加速老化后, 胶合竹材表面质量变差, 尤其是光照面呈乳白色, 抚摸表面粗糙有毛刺感, 目视发现有微小裂缝。随后进行抗弯强度试验, 试验时, 将光照面朝下, 试验结果如表6所示。

表6 老化前后的抗弯强度

Table 6 Bending strength before and after ageing MPa

试件编号	1	2	3	4	5	6	平均值
老化前	134.5	129.9	134.4	139.2	162.2	144.3	140.8
老化后	102.4	143.7	139.5	108.9	125.4	103.8	120.6

测试握螺钉力时, 在试件表面中心点先用直径2.7mm钻头钻导孔, 导孔深19mm。然后拧入自攻螺钉, 螺钉长38mm, 外径4.2mm, 拧入试件深度为15mm, 拧进的螺纹为全螺纹。拧入螺钉后, 应立即进行拔钉试验。螺钉与试验机拉伸中心线对中。拔钉时应均匀加荷, 从加荷开始在 (60±30) s内达到最大荷载。试验装置如图7所示。最终测得老化前后的握螺钉力试验结果如表7所示。