不同條件下圓竹徑向抗壓力學性能1)

張文福 王 戈 程海濤 陳復明

(國際竹藤網絡中心，北京，100102)

圓竹作為一種天然生物質梯度復合材料，其中空壁薄、有節的外觀形態和具有強度高、韌性好的優良特性，尤其是綠色環保的優點，成為磚、巖石等建筑材料的替代品之一［1－2］。在實際應用中，由于搭接、交錯支撐等結構設計的原因，圓竹的徑向會承受不同的應力狀態——單向受力，更多情況是多向受力，使得徑向圓竹節點的連接成為竹結構荷載薄弱的環節［3－4］，因此，圓竹徑向抗壓力學性能是竹材作為結構構件使用設計的重要依據之一。國內外學者對圓竹用于建筑領域的耐久性、縱向的抗壓、抗剪等力學性能和節點的設計已做了大量的研究［5－9］，但是對圓竹徑向力學性能的研究較少，僅有相關學者進行了初步的研究［10－11］。

同時，由于竹材的生物質特性，其物理力學性能受環境溫、濕度影響較大，其中竹材的黏彈性、剛度、韌性、非結晶區域的膨脹收縮、各級尺度上內應力的非穩態分布等都與溫、濕度密切相關。因此，合理的環境條件是圓竹能否成為長期、安全承載的關鍵。相關學者已研究了不同溫、濕度對竹材的動態力學性能和竹材增強單板層積材(LVL)力學性能的影響，以及竹材氣干和飽和狀態下的力學性能差異等［12－14］，但是對圓竹受不同自然環境作用下的徑向抗壓力學性能尚未見報道。基于上述考慮，筆者選用恒溫恒濕、氣干、蒸煮、低溫和超低溫處理方法模擬圓竹使用的不同自然環境，采用單軸向和雙軸向壓縮對圓竹徑向抗壓力學性能進行測試，分析不同條件對圓竹徑向抗壓承載能力及變形特性的影響，以期為圓竹的應用研究提供參考和借鑒。

1 材料和方法

材料 試驗所采用的竹材為2年生毛竹，產于浙江富陽。

試樣制備及處理 取直徑為(80±2)mm的2年生毛竹生材，截取高度為20 mm的圓環若干個，為了保證試驗的可對比性和防止竹圓環開裂，將試件儲存在恒溫恒濕箱里，溫度為10℃、濕度為90%，至含水率穩定。待試件含水率平衡后，分別進行恒溫恒濕處理(a)、氣干處理(b)、蒸煮處理［15］(c)、低溫處理(－5℃，48 h(d))、超低溫處理(－80℃、48 h(e))。在溫度(24±2)℃，相對濕度(30±3)%的實驗室條件下，對圓竹的徑向抗壓力學性能進行測試。試件從不同條件中取出立即進行測試，各項測試有效樣3個。

試驗所用設備 3—D復合材料力學分析系統、德國費斯托型材切割機KS 120、value plus—86C ULT超低溫冰箱、冰柜、三用恒溫水箱、恒溫恒濕箱、電子數顯卡尺等。其中:3—D復合材料力學分析系統可測試材料的X、Y雙軸向拉伸、壓縮性能，傳感器精度1 N，最大壓縮力值為2 kN，壓縮速度范圍為0.013～1.066 mm/s，數據采集頻率為10次/s。如圖 1所示，試驗機X軸與Y軸裝有壓縮頂頭，壓縮頂頭端面為半圓形，半徑為5 mm、長度為40 mm。

力學性能測試 對預先處理好的試件分別進行徑向單軸壓縮和雙軸壓縮。徑向單軸壓縮測試是先對試件的X、Y軸加載，使得樣品被對稱夾持，然后將Y軸移去，再進行單軸壓縮試驗;徑向雙軸壓縮試驗是同時調節X、Y軸，保證兩軸對試件進行同步加載，試驗預加載20 N，然后進行雙軸向壓縮試驗。試驗加載速度均為0.034 mm/s。

圖1 3－D復合材料力學分析系統

2 結果與分析

2.1 變形破壞特性

為了便于對圓竹載荷—位移關系的環境作用效應進行分析，圖2給出了竹圓環壓縮全過程的典型位移—載荷關系曲線。對于沒有缺陷的圓竹，其徑向壓縮全過程的典型載荷—位移曲線可分為5個主要階段:①閉合階段(OA段)，受壓閉合造成的;②彈性變形階段(AB段)，該階段載荷—位移近似直線型，竹圓環表現出明顯的線彈性;③屈服階段(BC段)，本階段圓環在受到外界載荷的作用下，竹環產生微破裂，且隨著位移的增加裂紋不斷擴展，直至試件出現宏觀裂紋。本階段上界載荷為峰值載荷(C點);④結構破壞階段(CD段)，本階段裂隙快速發展，竹材的圓環結構受到擠壓破壞，形成宏觀斷裂面;⑤喪失承載能力階段(DE段)，竹圓環的主要結構破裂后，隨著位移的增加，圓竹結構完全受到破壞，喪失徑向承載能力。

圖2 圓竹徑向壓縮典型載荷—位移曲線

圖3 圓竹徑向抗壓載荷—位移曲線

圖3給出了恒溫恒濕處理、氣干處理、蒸煮處理、低溫處理和超低溫處理后竹圓環載荷—位移過程曲線。由圖3可得:單軸和雙軸向壓縮試件的載荷—位移曲線基本遵循上述(如圖2)5個發展階段。圖3(a)中，氣干處理單軸壓縮到達峰值載荷后，圓環狀結構完全破壞，喪失承載能力，沒有出現結構破壞階段(CD段);而圖3(b)中，氣干處理雙軸向壓縮載荷—位移曲線出現波動情況，這是由竹圓環竹青部位的破壞引起。蒸煮處理試件的屈服階段最長，壓縮位移最大，試件塑性最好。超低溫處理試件峰值載荷最大，試件的剛性增強。

竹圓環徑向壓縮破壞位置發生在相鄰兩個軸向作用力之間，試件破壞處外側承受拉應力，內側承受壓應力。如圖4所示，若假設相同環境條件下竹圓環各截面破壞彎矩相等，單軸向壓縮各破壞點(A、B)初始彎矩對應力臂為圓環半徑R，雙軸向壓縮各破壞點(A、B、C、D)初始彎矩對應的力臂為R－在徑向壓縮過程中，隨著竹圓環的壓縮變形，力臂逐漸增大，但是單軸壓縮彎矩的力臂始終大于雙軸壓縮彎矩的力臂，當載荷P達到峰值載荷時，破壞點的彎矩達到破壞彎矩［16］。因此得:相同條件下，試件的雙軸向壓縮峰值載荷均大于單軸向壓縮峰值載荷。

圖4 圓竹徑向壓縮受力示意圖

2.2 徑向抗壓力學性能

表1、表2分別給出了不同方法處理后竹圓環的徑向單軸壓縮和徑向雙軸壓縮試驗結果。由表1、表2可見，不同環境對單軸向壓縮的影響與雙軸向壓縮的影響趨勢略有不同。與恒溫恒濕處理相比較，氣干處理試件的徑向抗壓能力明顯減弱，其單軸向和雙軸向承載能力分別下降17.67%和25.38%;蒸煮處理試件的單軸向承載能力上升6.74%，但是雙軸徑向承載能力卻下降16.29%;低溫處理試件的單軸向和雙軸向承載能力分別上升24.72%和3.79%;超低溫處理試件的徑向抗壓能力明顯增強，其單軸向和雙軸向承載能力分別上升30.62%和18.83%。因此可得，圓竹在不同條件下的徑向單軸、雙軸向壓縮強度σ單和σ雙的排序分別為:σ單e＞σ單d＞σ單c＞σ單a＞σ單b;σ雙e＞σ雙d＞σ雙a＞σ雙c＞σ雙b。

表1 不同處理方法圓竹單軸向壓縮力學性能

表2 不同處理方法圓竹雙軸向壓縮力學性能

根據竹圓環的徑向抗壓力學性能的變化特點，分析恒溫恒濕處理、氣干處理和蒸煮處理引起的含水率變化對竹圓環徑向抗壓力學性能的影響，可得:與含水率為15.74%時圓竹的徑向抗壓承載能力相比，含水率為6.89%時的圓竹徑向抗壓承載能力有所下降;而含水率為72.20%時，圓竹的徑向抗壓力學性能因其評價方法的不同呈現不同的變化趨勢。其原因可能是:當竹材含水率低于纖維飽和點時，由于竹材各向異性和干縮濕漲的特性，使其產生干縮應力，且含水率越低干縮應力越大;在軸向載荷的作用下，集中在竹青部位的應力得到釋放，使竹圓環表面較早地出現裂紋，迫使其宏觀結構被破壞，從而表現出承載能力降低。當竹材含水率高于纖維飽和點時，水分子進入無定形區使纖維潤脹，竹材塑性增加［17］，此時竹圓環不存在干縮應力的影響。但是，高含水率的圓竹在受雙軸向壓縮時，其局部的塑性變形使圓竹的結構由圓環狀被擠壓成類正方形［16］，其承載能力降低。

分析由恒溫恒濕處理、低溫處理和超低溫處理引起的環境溫度變化對竹圓環徑向抗壓力學性能的影響，可得:竹圓環的徑向抗壓力學性能隨處理溫度的降低而升高。這是因為竹材是由纖維素、半纖維素和木素為主要成分組成的非晶高聚物，竹材中相對做獨立運動的鏈段含有大量的極性羥基，試件的含水率較低時，竹材中的水分主要以結合水存在，水分子與鏈段中的羥基極易形成氫鍵結合。當溫度處于玻璃化轉變點以下時，水分子與羥基鏈段一同被凍結，鏈段之間不存在相對遷移，竹材表現出剛硬的玻璃態，使得竹圓環的承載能力增強［13］。

3 結論

不同處理條件圓竹的徑向抗壓力學性能不同，其徑向單軸、雙軸向壓縮強度 σ單和 σ雙的排序分別為:σ單e＞σ單d＞σ單c＞σ單a＞σ單b，σ雙e＞σ雙d＞σ雙a＞σ雙c＞σ雙b;相同環境下圓竹的徑向雙軸向壓縮承載能力均大于其單軸向壓縮的承載能力。

氣干處理竹材的含水率降低，干縮應力增大，其圓環狀宏觀結構易發生破壞，徑向抗壓力學性能下降;蒸煮處理竹材的塑性增加，承載時間提高;低溫和超低溫處理竹材的剛度增強，承載能力增強。因此，竹材的含水率和溫度的變化，使得圓竹的徑向抗壓能力發生不同程度的變化。

不同處理條件對圓竹的徑向抗壓力學性能具有較大的影響。模擬圓竹使用的不同自然條件，設計不同的評價方法對圓竹徑向力學性能進行試驗，分析其在不同環境下的承載能力和變形特性，可較好地反映圓竹在實際應用中的徑向力學性能，并為評價圓竹遭受環境變化時的荷載穩定性提供參考依據。

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