結構用工程竹抗紫外線老化性能的試驗研究*

冷予冰， 許清風， 劉可為

(1 上海市建筑科學研究院有限公司 上海市工程結構安全重點實驗室，上海 200032； 2 國際竹藤組織，北京 100102)

0 引言

竹材是綠色環保的生物質材料，具有可再生、易降解、強重比高、輕質抗震、保溫隔熱性能好等優點，竹材生長周期短，4～6年即可成材，我國是世界最大的竹產地，竹材資源豐富。由竹材加工而成的工程竹物理性能更加穩定、力學性能得到提升，是竹結構建筑從個體化走向工業化的突破。

室外建筑材料會遭受多種因素的影響，如溫濕度變化、紫外線輻射、酸雨、真菌、蟲蛀等。竹材中的纖維素、木質素等生物質成分在自然環境下易發生老化變質，顏色和物理力學性能將發生不可逆變化，使結構安全性降低[1-2]。但竹材與木材的生物構成和內部孔隙結構有明顯差別，二者的老化速度以及對外界因素的敏感程度不同，相應的防護措施也應不同。

關于工程竹材的耐久性能，陳杰[3]進行了Glubam膠合竹的人工加速老化試驗，模擬自然氣候中的太陽光照和降雨對其的影響，經過一定周期的光照和噴淋循環后，測試了老化后膠合竹的物理力學性能； 張祿晟等[4]研究了經防腐處理后的竹集成材的耐腐性能，采用水載銅基防腐劑季銨銅和銅唑進行防腐處理，并通過失重率來評價耐腐性能； 秦莉等[5-6]研究了熱處理后竹束制備的重組竹的人工模擬氣候加速老化性能、室外自然老化性能、循環加速老化性能及防霉耐腐性能，探討了人工加速老化與室外自然老化的關系，揭示了在不同老化環境下重組竹材料性能變化規律； 張亞慧等[7]進行了3～4年生毛竹和慈竹生產的竹基纖維復合材料的循環暴露試驗，模擬戶外自然條件的變化對力學性能和尺寸穩定性的影響； 魏萬姝等[8]研究了不同竹齡慈竹重組竹的天然耐腐及防霉性能。以上工程竹材相關研究表明，竹基纖維復合產品受到自然條件的影響會發生不同程度的老化，總體來說，重組竹因在竹絲束單元層面經過浸膠和熱壓(或冷壓)處理，其抗老化性能要優于膠合竹。

自然界中的氣候變化是多種因素共同作用的結果，過程漫長而復雜，采用加速老化試驗能夠在較短的時間內模擬氣候條件的變化[6]。紫外線輻射約占太陽光總輻射量的5%，但卻是影響材料老化的最主要因素之一。本文通過人工加速老化試驗，模擬太陽光中的紫外線輻射，加上溫濕度循環變化的影響，測試未經防護處理的膠合竹、重組竹的物理力學性能，并將其和花旗松木材在紫外線輻射下的物理力學性能變化進行對比，評價膠合竹、重組竹和花旗松木材的抗紫外線老化性能。

1 試驗方案

選取結構設計中常用且穩定、易測的參數來衡量工程竹和對比花旗松木材在紫外線輻射條件下的物理力學性能變化規律。試驗選用的膠合竹以定寬精刨竹片為構成單元，干燥至含水率8%～12%，按順紋組坯熱壓膠合而成，重組竹以竹絲束為基本單元，浸漬水溶性酚醛樹脂，干燥后按順紋組坯熱壓膠合而成。

由于目前尚無針對工程竹材的試驗方法，試驗參考木材的相關測試標準進行，測試項目包括尺寸變化和密度、抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、順紋抗壓彈性模量、順紋抗拉強度，測試尺寸變化和密度的試件尺寸為20mm×20mm×20mm，測試抗彎強度、抗彎彈性模量的試件尺寸為20mm×20mm×200mm，測試順紋抗壓強度、順紋抗壓彈性模量的試件尺寸分別為20mm×20mm×30mm，20mm×20mm×60mm，測試順紋抗拉強度的試件尺寸見圖1。試驗分別參照《木材密度測定方法》(GB/T 1933—2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB/T 1936.1—2009)、《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB/T 1936.2—2009)、《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB/T 1935—2009)、《木材順紋抗壓彈性模量測定方法》(GB/T 15777—1995)、《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GB/T 1938—2009)進行。

圖1 順紋抗拉強度試件尺寸

紫外線加速老化處理方法參考美國材料試驗協會的ASTM G53-96[9]和我國國家標準《機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗方法熒光紫外燈》(GB/T 14522—2008)[10]進行。

試驗在紫外線老化試驗箱中進行，如圖2所示。試件保持一個面直接承受紫外線輻射。設置光照時黑板溫度60℃，冷凝時黑板溫度30℃，試驗箱的紫外線輻射照度為0.89mW/cm2，模擬測試的循環時間為輻射8h+冷凝4h，經過輻射循環7，14，28，56d后，測試試件的物理力學性能變化。

圖2 紫外線老化試驗裝置

每個輻射時間下，每組膠合竹、重組竹和花旗松木材各測試6個試件，并設置一組對比試件置于恒溫恒濕箱中(溫度(20±2)℃，濕度(65±5)%)。老化處理完畢后，將試件置于恒溫恒濕箱中養護至平衡含水率再進行物理力學性能測試。

2 試驗結果

2.1 物理性能變化

經過輻射循環7，14，28，56d后，膠合竹、重組竹和花旗松木材試件的顏色變化如圖3所示。花旗松木材在輻射14d之后，受輻射面的顏色開始明顯變深，主要原因在于木材中吸收紫外光的官能團，如羰基、苯酚性羥基等，不同官能團吸收紫外光后使木材材色變深或變淺[11]； 膠合竹在輻射14d之后，顏色也變黃，但顏色變化程度小于花旗松木材； 重組竹由于本身顏色較深，輻射后的顏色變化不明顯。

20mm×20mm×20mm試件的三個方向尺寸的平均變化如表1所示，其中L1為順紋方向，L2和L3為橫紋方向，膠合竹的L3為竹片膠合側壓的方向，正值表示膨脹，負值表示收縮。試件經紫外線輻射老化前后的平均密度如表2所示，其中老化后的密度為養護至平衡含水率后的密度。

由表1和表2可知，經紫外線輻射后，膠合竹在側壓膠合的方向略有收縮，在另外兩個方向表現為膨脹，重組竹三個方向均表現為收縮，花旗松木材順紋方向表現為膨脹，橫紋方向表現為收縮，但尺寸和密度的變化率均在1%以內； 在當前試驗條件下，三種材料的尺寸和密度均未發生明顯變化。

試件經紫外線輻射老化前后的密度/(kg/m3) 表2

2.2 力學性能變化

經紫外線輻射后，三種材料的力學性能均出現不同程度的下降。

所有抗彎強度和抗彎彈性模量試件均為加載時的受拉面承受紫外線輻射，經輻射循環7，14，28，56d后，三種材料的抗彎強度變化如圖4所示。由圖4可知，重組竹的抗彎強度比較穩定，而花旗松木材和膠合竹的試件抗彎強度下降都比較明顯； 到56d時，試件抗彎強度降幅表現為花旗松木材>膠合竹>重組竹，降幅分別為初始抗彎強度的29.3%，26.3%，5.1%。

圖4 抗彎強度隨紫外線輻射時間的變化曲線

三種材料的試件抗彎彈性模量變化如圖5所示。由圖5可知，試件抗彎彈性模量與抗彎強度的變化趨勢一致。重組竹的抗彎彈性模量降幅最小，膠合竹和花旗松木材的試件抗彎彈性模量從7d開始就有明顯下降； 到56d時，試件抗彎彈性模量的降幅表現為花旗松木材>膠合竹>重組竹，降幅分別為初始抗彎彈性模量的37.1%，20.5%，14.3%。

圖5 抗彎彈性模量隨紫外線輻射時間的變化曲線

經紫外線輻射循環7，14，28，56d后，膠合竹、重組竹和花旗松木材試件的順紋抗壓強度變化如圖6所示。由圖6可知，三種材料的順紋抗壓強度都有明顯下降； 到56d時，試件順紋抗壓強度降幅表現為膠合竹>重組竹>花旗松木材，降幅分別為初始順紋抗壓強度的40.5%，28.7%，24.2%。

圖6 順紋抗壓強度隨紫外線輻射時間的變化曲線

經紫外線輻射循環7，14，28，56d后，膠合竹、重組竹和花旗松木材試件的順紋抗壓彈性模量變化見圖7。由圖7可知，花旗松木材順紋抗壓彈性模量在28d到56d間的降幅最為明顯； 到56d時，試件順紋抗壓彈性模量降幅表現為花旗松木材>膠合竹>重組竹，降幅分別為初始順紋抗壓彈性模量的23.0%，13.7%，7.6%。

圖7 順紋抗壓彈性模量隨紫外線輻射時間的變化曲線

經紫外線輻射循環7，14，28，56d后，三種材料的試件順紋抗拉強度變化見圖8。由圖8可知，重組竹試件在14～28d之間、花旗松木材在7～14d之間順紋抗拉強度的降幅最為明顯； 到56d時，試件順紋抗拉強度降幅表現為花旗松木材>重組竹>膠合竹，降幅分別為初始順紋抗拉強度的26.4%，16.5%，11.0%。

圖8 順紋抗拉強度隨紫外線輻射時間的變化曲線

經紫外線輻射循環56d后，上述五個參數的降幅如圖9所示。由圖9可知，除順紋抗壓強度膠合竹降幅最大外，其他四個參數均為花旗松木材降幅最大，總體來說重組竹的抗紫外線老化性能最佳。

圖9 力學性能經紫外線輻射56d后的降幅

3 結論

(1) 花旗松木材對紫外線輻射比較敏感，受輻射面有明顯的顏色變深，膠合竹也發生顏色變黃但沒有花旗松木材嚴重，重組竹的顏色變化不明顯。三種材料經56d的紫外線輻射后，尺寸和質量均未發生明顯變化。

(2) 除順紋抗壓強度膠合竹降幅最大外，其他四個參數均為花旗松木材降幅最大。試件抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓彈性模量的降幅均表現為花旗松木材>膠合竹>重組竹，試件順紋抗壓強度的降幅表現為膠合竹>花旗松木材>重組竹，順紋抗拉強度降幅表現為花旗松木材>重組竹>膠合竹。

(3) 重組竹的抗紫外線老化性能最優，但三種材料在紫外線輻射作用下均有不同程度的力學性能退化，用于室外環境時均需進行防護處理。