现今,绿色发展和可持续发展己成为国际社会的重大主题,绿色、节能、环保、低碳是它的必然选择。据统计,中国每年将会产生将近7亿t的农作物秸秆,由于利用率不高而成为农业废料 ^[1]。秸秆直接焚烧不仅造成资源浪费,而且形成雾霾,严重污染大气环境,危害人体健康,影响交通安全 ^[2]。因此,我国急需转变秸秆的传统利用方式,确保可充分利用秸秆资源并有效解决其引发的环境问题。

　　 玉米秸秆作为可再生资源,能在短周期之内生长,相比于木材较长的生长周期,能够节约时间成本 ^[3]。若能利用新型玉米秸秆重组集成材,代替集成木或集成竹应用于建筑工程行业,不仅能节约大量森林资源,还将创造土木工程领域新的突破点 ^[4]。

　　 玉米秸秆重组材是利用其特有的纤维材质,通过大型冷压机胶合压制形成的新型高强复合材料,属于正交各向异性材料,其在三个方向的力学性能略有差异 ^[5,6]。而集成材是将玉米秸秆重组材通过再次加工形成的结构用型材,因此需要对集成材的各项力学性能进行研究,使其能够作为梁、拱、柱等结构构件应用到实际工程中 ^[7]。本文旨在研究新型玉米秸秆重组材平行纹集成后(简称集成材)的抗压力学性能,为实际工程应用提供科学、可靠的理论和有效的设计参数,促进新型玉米秸秆重组集成材真正作为结构材的开发与应用。

　　 本文的轴心受压试验参考《木结构试验方法标准》(GB 50329—2012) ^[8]中的试验方法完成,观察试验构件的破坏过程和破坏状态,确定玉米秸秆集成材的立方体抗压强度、轴心抗压强度以及抗压弹性模量,分析应力-应变关系,对试验结果进行总结归纳,并与重组材相关性能进行对比分析。

　　 由于作为集成材原料的新型玉米秸秆重组材生产工艺特殊,其在横纹两个方向上的力学性能不同,因此集成材的试验包括:集成材的顺纹立方体抗压强度试验、横纹立方体抗压强度试验、顺纹抗压弹性模量试验。试验试件分为JA,JB,JC,JT四组,每组试件个数为三个,分别代表集成材的垂直纹横纹抗压强度(受压面与纹理垂直)、顺纹抗压强度以及平行纹横纹抗压强度(受压面与纹理平行),集成材的抗压弹性模量。试件的截面尺寸均为150×150,抗压强度试验的试件长度为150mm,抗压弹性模量试验的试件长度为450mm。集成材试件制作是将标准工艺生产的重组材(150×150×2 000)按平行纹方向切割成50×30×1 000的板条后,再按标准集成方法集成后制作为150×150×1 000的集成材,再切割成试验要求的试件长度。重组材所有试验均采用2 000kN微机控电液伺服压力试验机加载,试验附件包括:DH3818静态应变测试仪、型号为BFH120-80AA-D-D100的电阻应变片以及精度为0.01mm电子游标卡尺等。

　　 对JB组试件进行加载试验,观测从加载到破坏的过程,收集试验数据。选取最终三个试件的破坏状态,如图1所示。

　　 从试件破坏过程的观测和图1中的破坏状态可以得出:各个试件的破坏过程、最终破坏状态基本相同,说明试件的工艺和力学性能比较稳定、试验数据比较可靠。试验过程中,当荷载较小时,荷载位移数据逐渐变化,但试件并未发生裂缝和侧向变形; 随着荷载的增加,试件外表面出现细小裂缝,且随着荷载的不断增加,试件两侧的裂缝逐渐开展; 当达到极限荷载时,玉米秸秆纤维褶皱明显,并出现沿纵向的分离、错位和断裂现象。各个试件的破坏状态基本相同,均没有在玉米秸秆重组材集成的胶结面上发生破坏,说明新型玉米秸秆重组材在集成过程中,胶结面强度大于玉米秸秆原有纤维强度,因此最终破坏为玉米秸秆重组材自身纤维的断裂,而非胶合面破坏。因此,集成材的强度取决于重组材本身的强度。新型玉米秸秆重组集成材的顺纹抗压强度所得试验结果经计算汇总,见表1。

　　 从表1可知,各试件的极限强度略有差别,但其结果符合统计分析规律。三个试件的集成材顺纹抗压强度平均值为27.4MPa,略低于重组材顺纹抗压极限强度平均值33.1MPa。

　　 相比于课题组对重组材的研究结果 ^[9],集成材沿着顺纹方向开裂更为明显,裂缝密集且多出现在胶缝两侧; 褶皱的出现以及纤维断裂现象都早于重组材; 集成材在荷载作用下的受力整体性、材料均匀性略差于重组材。

　　 对试件进行加载 ^[10],JA组试件在加载初期会出现微小裂缝,随着荷载的增加裂缝开展较快,在试件的两侧会出现贯通的裂缝,从而降低其承载能力; 当达到极限荷载时,由于在竖向荷载作用下会导致试件发生较大横向变形,试件会在两侧出现贯通的斜裂缝,随后发生破坏,如图2所示。其原因是新型玉米秸秆重组集成材是由不同重组材胶合而成的,试件在竖向荷载作用下,会产生因一块重组材的性能稍差即造成局部破坏,从而影响整体性。

　　 对JC组试件进行加载,试件在荷载加载初期变形较小,未出现裂缝,随着荷载的增加,变形逐渐增大,能够观察到与横纹方向呈45°的斜裂缝; 当达到极限荷载时,试件沿着45°裂缝最终形成一个斜面,从而导致试件破坏,如图3所示。分析图3可知,由于单元体的剪应力最大值在45°斜截面上,因此,随着荷载的增加,在试件剪应力最大处出现破坏现象,产生斜向裂缝。新型玉米秸秆重组集成材的横纹(两个方向)抗压强度试验结果计算汇总见表2。

　　 从表2可知,在集成材横纹抗压强度试验中,垂直纹方向的集成材横纹立方体抗压强度平均值为12MPa,平行纹方向的横纹立方体抗压强度平均值为19.5MPa,垂直纹方向强度值降低约38.5%。与重组材相比,破坏规律相同,强度值虽然有所不同,但主要是试验原材料差异造成的,由于集成材试件均不在胶缝处破坏,因此强度还取决于重组材。

　　 新型玉米秸秆重组集成材的抗压弹性模量试验结果计算汇总见表3。从表3可知,新型玉米秸秆重组材顺纹抗压弹性模量的平均值为8 817MPa,变异系数为3.7%。相比于重组材的弹性模量9 270MPa略小,但差异较小,主要是由于不同批次重组材集成,胶结面的强度比胶结面两侧的纤维强度更大,在胶结面两侧重组材纤维首先破坏。由此可知,集成材的基本力学性能与重组材基本一致,只要胶结力足够,集成过程中的施胶工艺和集成工艺对集成材力学性能的影响就较小。

　　 根据试验得到三组集成材顺纹抗压应力、应变数据,并绘制成受压应力-应变曲线,如图4所示。从图4可以得出:三条曲线的整体增长趋势基本相同,在前期曲线增长速率相似,后期的差异系数增大。通过对应力-应变曲线进行拟合,形成图5。

　　 从图5可以看出:在荷载加载初期,应力在0～15MPa时,应力-应变关系保持匀速增长; 随着荷载的增加,应力达到15～25MPa时,试件应力-应变曲线的增长速度减缓,集成材的表面出现褶皱,由弹性阶段转变为塑性阶段; 当应力增至25～30MPa时,集成材表面的纤维束断裂,胶缝周围出现裂缝,应力-应变曲线增长速度趋近于零,试件进入屈服阶段; 当应力超过30MPa时,试件发生塑性破坏。

　　 将本次集成材试验与之前的重组材试验破坏结果进行对比 ^[5],如图6所示。从图6可以看出,集成材和重组材的横纹抗压强度破坏状态略有差异:垂直纹方向的试件破坏状态比较相似,都是从一侧出现斜向贯通裂缝破坏; 而平行纹方向的试件破坏状态差异性较大,试验力达到极限荷载时,JC组的破坏状态是沿45°斜截面直接开展成斜向裂缝,并没有出现重组材的锯齿状裂缝的现象。其原因是由于新型玉米秸秆内部纤维在竖向荷载下逐渐变得密实,且受到胶合面胶缝的影响,导致集成材试件的变形量大于重组材试件。集成材和之前完成的重组材试验的应力-应变拟合曲线对比图见图7。

　　 从图7可以看出:两组曲线在整体趋势上保持一致,有一定的弹塑性,最后均发生脆性破坏。不同点是:集成材的极限承载力略低于重组材的极限承载力,但是集成材的弹性阶段相对较长,因此集成材抵抗变形的能力强于重组材; 随着荷载的增加,集成材塑性阶段相比于重组材发展迅速。

　　 (1)新型玉米秸秆重组集成材抗压强度主要取决于重组材的强度; 顺纹立方体抗压强度约为横纹立方体抗压强度的两倍,横纹两个方向的抗压强度有差异,但差异不大。集成材的弹性模量略低于重组材。但力学性能指标均达到较好的集成木指标。

　　 (2)新型玉米秸秆重组集成材的破坏过程和状态分析发现,顺纹受压破坏形式与横纹受压破坏形式差异较大。顺纹受压破坏形式是在荷载作用下沿顺纹方向在胶缝及胶缝两侧发生破坏; 垂直纹方向的横纹受压破坏形式是试件发生较大横向变形,在一侧出现贯通的斜裂缝,随后发生破坏; 而平行纹方向的横纹受压破坏形式则是试件沿着45°斜截面产生斜向裂缝最终形成一个斜面,从而导致试件破坏。

　　 (3)新型玉米秸秆重组材和集成材顺纹受压应力-应变曲线对比分析结果表明:两条应力-应变曲线在前期基本一致,后期出现一定差异,但整体增长趋势基本相同; 新型玉米秸秆重组材和集成材均有一定的弹塑性,但基本属于脆性材料。