張文福 王 戈 程海濤 陳復(fù)明

(國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，北京，100102)

圓竹作為一種天然生物質(zhì)梯度復(fù)合材料，其中空壁薄、有節(jié)的外觀形態(tài)和具有強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良特性，尤其是綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，成為磚、巖石等建筑材料的替代品之一［1－2］。在實(shí)際應(yīng)用中，由于搭接、交錯支撐等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，圓竹的徑向會承受不同的應(yīng)力狀態(tài)——單向受力，更多情況是多向受力，使得徑向圓竹節(jié)點(diǎn)的連接成為竹結(jié)構(gòu)荷載薄弱的環(huán)節(jié)［3－4］，因此，圓竹徑向抗壓力學(xué)性能是竹材作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。國內(nèi)外學(xué)者對圓竹用于建筑領(lǐng)域的耐久性、縱向的抗壓、抗剪等力學(xué)性能和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)已做了大量的研究［5－9］，但是對圓竹徑向力學(xué)性能的研究較少，僅有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了初步的研究［10－11］。

同時(shí)，由于竹材的生物質(zhì)特性，其物理力學(xué)性能受環(huán)境溫、濕度影響較大，其中竹材的黏彈性、剛度、韌性、非結(jié)晶區(qū)域的膨脹收縮、各級尺度上內(nèi)應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)分布等都與溫、濕度密切相關(guān)。因此，合理的環(huán)境條件是圓竹能否成為長期、安全承載的關(guān)鍵。相關(guān)學(xué)者已研究了不同溫、濕度對竹材的動態(tài)力學(xué)性能和竹材增強(qiáng)單板層積材(LVL)力學(xué)性能的影響，以及竹材氣干和飽和狀態(tài)下的力學(xué)性能差異等［12－14］，但是對圓竹受不同自然環(huán)境作用下的徑向抗壓力學(xué)性能尚未見報(bào)道?；谏鲜隹紤]，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(huán)境，采用單軸向和雙軸向壓縮對圓竹徑向抗壓力學(xué)性能進(jìn)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(yīng)用研究提供參考和借鑒。

1 材料和方法

材料 試驗(yàn)所采用的竹材為2年生毛竹，產(chǎn)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(huán)若干個(gè)，為了保證試驗(yàn)的可對比性和防止竹圓環(huán)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(wěn)定。待試件含水率平衡后，分別進(jìn)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(shí)驗(yàn)室條件下，對圓竹的徑向抗壓力學(xué)性能進(jìn)行測試。試件從不同條件中取出立即進(jìn)行測試，各項(xiàng)測試有效樣3個(gè)。

試驗(yàn)所用設(shè)備 3—D復(fù)合材料力學(xué)分析系統(tǒng)、德國費(fèi)斯托型材切割機(jī)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(shù)顯卡尺等。其中:3—D復(fù)合材料力學(xué)分析系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集頻率為10次/s。如圖 1所示，試驗(yàn)機(jī)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(xué)性能測試 對預(yù)先處理好的試件分別進(jìn)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(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn);徑向雙軸壓縮試驗(yàn)是同時(shí)調(diào)節(jié)X、Y軸，保證兩軸對試件進(jìn)行同步加載，試驗(yàn)預(yù)加載20 N，然后進(jìn)行雙軸向壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)加載速度均為0.034 mm/s。

圖1 3－D復(fù)合材料力學(xué)分析系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 變形破壞特性

為了便于對圓竹載荷—位移關(guān)系的環(huán)境作用效應(yīng)進(jìn)行分析，圖2給出了竹圓環(huán)壓縮全過程的典型位移—載荷關(guān)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(gè)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(huán)表現(xiàn)出明顯的線彈性;③屈服階段(BC段)，本階段圓環(huán)在受到外界載荷的作用下，竹環(huán)產(chǎn)生微破裂，且隨著位移的增加裂紋不斷擴(kuò)展，直至試件出現(xiàn)宏觀裂紋。本階段上界載荷為峰值載荷(C點(diǎn));④結(jié)構(gòu)破壞階段(CD段)，本階段裂隙快速發(fā)展，竹材的圓環(huán)結(jié)構(gòu)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(huán)的主要結(jié)構(gòu)破裂后，隨著位移的增加，圓竹結(jié)構(gòu)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(huán)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(gè)發(fā)展階段。圖3(a)中，氣干處理單軸壓縮到達(dá)峰值載荷后，圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)完全破壞，喪失承載能力，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(xiàn)波動情況，這是由竹圓環(huán)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(qiáng)。

竹圓環(huán)徑向壓縮破壞位置發(fā)生在相鄰兩個(gè)軸向作用力之間，試件破壞處外側(cè)承受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)承受壓應(yīng)力。如圖4所示，若假設(shè)相同環(huán)境條件下竹圓環(huán)各截面破壞彎矩相等，單軸向壓縮各破壞點(diǎn)(A、B)初始彎矩對應(yīng)力臂為圓環(huán)半徑R，雙軸向壓縮各破壞點(diǎn)(A、B、C、D)初始彎矩對應(yīng)的力臂為R－在徑向壓縮過程中，隨著竹圓環(huán)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(dāng)載荷P達(dá)到峰值載荷時(shí)，破壞點(diǎn)的彎矩達(dá)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(xué)性能

表1、表2分別給出了不同方法處理后竹圓環(huán)的徑向單軸壓縮和徑向雙軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。由表1、表2可見，不同環(huán)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(qiáng)，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(qiáng)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(xué)性能

表2 不同處理方法圓竹雙軸向壓縮力學(xué)性能

根據(jù)竹圓環(huán)的徑向抗壓力學(xué)性能的變化特點(diǎn)，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(huán)徑向抗壓力學(xué)性能的影響，可得:與含水率為15.74%時(shí)圓竹的徑向抗壓承載能力相比，含水率為6.89%時(shí)的圓竹徑向抗壓承載能力有所下降;而含水率為72.20%時(shí)，圓竹的徑向抗壓力學(xué)性能因其評價(jià)方法的不同呈現(xiàn)不同的變化趨勢。其原因可能是:當(dāng)竹材含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，由于竹材各向異性和干縮濕漲的特性，使其產(chǎn)生干縮應(yīng)力，且含水率越低干縮應(yīng)力越大;在軸向載荷的作用下，集中在竹青部位的應(yīng)力得到釋放，使竹圓環(huán)表面較早地出現(xiàn)裂紋，迫使其宏觀結(jié)構(gòu)被破壞，從而表現(xiàn)出承載能力降低。當(dāng)竹材含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，水分子進(jìn)入無定形區(qū)使纖維潤脹，竹材塑性增加［17］，此時(shí)竹圓環(huán)不存在干縮應(yīng)力的影響。但是，高含水率的圓竹在受雙軸向壓縮時(shí)，其局部的塑性變形使圓竹的結(jié)構(gòu)由圓環(huán)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(huán)境溫度變化對竹圓環(huán)徑向抗壓力學(xué)性能的影響，可得:竹圓環(huán)的徑向抗壓力學(xué)性能隨處理溫度的降低而升高。這是因?yàn)橹癫氖怯衫w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(dú)立運(yùn)動的鏈段含有大量的極性羥基，試件的含水率較低時(shí)，竹材中的水分主要以結(jié)合水存在，水分子與鏈段中的羥基極易形成氫鍵結(jié)合。當(dāng)溫度處于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下時(shí)，水分子與羥基鏈段一同被凍結(jié)，鏈段之間不存在相對遷移，竹材表現(xiàn)出剛硬的玻璃態(tài)，使得竹圓環(huán)的承載能力增強(qiáng)［13］。

3 結(jié)論

不同處理?xiàng)l件圓竹的徑向抗壓力學(xué)性能不同，其徑向單軸、雙軸向壓縮強(qiáng)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(huán)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(yīng)力增大，其圓環(huán)狀宏觀結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，徑向抗壓力學(xué)性能下降;蒸煮處理竹材的塑性增加，承載時(shí)間提高;低溫和超低溫處理竹材的剛度增強(qiáng)，承載能力增強(qiáng)。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(fā)生不同程度的變化。

不同處理?xiàng)l件對圓竹的徑向抗壓力學(xué)性能具有較大的影響。模擬圓竹使用的不同自然條件，設(shè)計(jì)不同的評價(jià)方法對圓竹徑向力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析其在不同環(huán)境下的承載能力和變形特性，可較好地反映圓竹在實(shí)際應(yīng)用中的徑向力學(xué)性能，并為評價(jià)圓竹遭受環(huán)境變化時(shí)的荷載穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

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