章衛(wèi)鋼，江文正，唐榮強(qiáng)

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安311300;2.浙江省林產(chǎn)品質(zhì)量檢測站，杭州310023)

重組竹短期抗彎蠕變特性及其微觀結(jié)構(gòu)研究

章衛(wèi)鋼1，江文正1，唐榮強(qiáng)2

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安311300;2.浙江省林產(chǎn)品質(zhì)量檢測站，杭州310023)

為探索重組竹長期載荷下的極限強(qiáng)度及其加工使用環(huán)境，以重組竹為對象，研究其在不同加載載荷(224，280，336和392 N)、含水率(浸水、氣干和絕干)及厚度(6，8和10 mm)，在三點彎曲條件下的96 h抗彎蠕變特性。結(jié)果表明：重組竹蠕變?nèi)崃侩S時間的延長而逐漸增大，加載載荷越大，蠕變?nèi)崃吭酱?，瞬時彈性蠕變?nèi)崃恳苍酱?，到達(dá)減速蠕變階段所需時間越長；8 mm厚浸水、氣干和絕干重組竹96 h蠕變的總?cè)渥內(nèi)崃糠謩e為2.25，1.82和1.62 mm，氣干和浸水重組竹蠕變?nèi)崃孔兓^為均勻平緩，而絕干重組竹蠕變?nèi)崃孔兓瘎t為階梯式，瞬時線性增加；6，8和10 mm厚氣干和絕干重組竹在0.16 h內(nèi)的蠕變?nèi)崃糠謩e為4.34，1.58，0.99和4.43，1.23，0.75 mm，相同厚度的絕干重組竹瞬時蠕變?nèi)崃颗c最大蠕變?nèi)崃烤∮跉飧刹?，? mm厚氣干重組竹在7.6 h后呈直線加速蠕變，再經(jīng)1.25 h后出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；微觀形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，重組竹蠕變時產(chǎn)生了微裂紋，而蠕變斷裂則是從膠合界面薄弱處開始并向上延伸，最終使界面上方纖維受壓斷裂。

重組竹；抗彎蠕變；加載載荷；微觀結(jié)構(gòu)

重組竹是將竹材碾壓加工為竹束，經(jīng)干燥后浸膠，再干燥到所需含水率，然后鋪放在模具中高壓成型、高溫固化而成。重組竹改善了竹材的原有性能，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外地板、家具、建筑結(jié)構(gòu)材、裝修裝潢以及風(fēng)電槳葉等高強(qiáng)度材料領(lǐng)域[1-4]。將重組竹制成建筑結(jié)構(gòu)材和風(fēng)電槳葉等材料時，必須考慮其蠕變性能，防止受應(yīng)力載荷而破壞。因此，蠕變是檢驗材料能否運用到工程中的十分重要的指標(biāo)。

目前，對重組竹抗彎蠕變的研究較少。吳培增[5]在室內(nèi)環(huán)境下對重組竹進(jìn)行不同應(yīng)力水平下的拉伸與壓縮蠕變試驗，用Burgers模型和Findley方程模型對重組竹長期蠕變曲線進(jìn)行了擬合分析。李寧[6]展開了重組竹梁長期蠕變試驗，采用Burgers模型對其數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析并建立蠕變模型，利用有限元軟件分析預(yù)測了工程竹橋的長期變形。殷臻[7]研究了適用于竹質(zhì)橋梁的連接構(gòu)造，并運用有限元軟件分析了溫度、蠕變和連接構(gòu)建類型對連接構(gòu)造的力學(xué)行為影響。在竹材蠕變研究方面：董春雷等[8]依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn) ASTM D5055-04和ASTM D6815-02a分析了竹木復(fù)合工字梁快速蠕變性能和90 d蠕變性能。陳士英等[9]對竹材刨花板和竹席貼面刨花板的彎曲蠕變進(jìn)行了測試；涂道伍等[10-11]用Burgers模型分析了毛竹在不同含水率、溫度和應(yīng)力水平下的橫紋壓縮蠕變行為，發(fā)現(xiàn)蠕變特性受材料自身組織構(gòu)造和環(huán)境因素影響，且各因素之間又具有交互作用；Yu等[12]對不同含水率下竹纖維的拉伸性能及短期蠕變特性進(jìn)行了細(xì)觀研究；Gottron等[13]研究了不同加載方向?qū)η嗥ぶ癫牧先渥冃阅艿挠绊懀籏anzawa等[14]發(fā)現(xiàn)竹材密度對初始撓度的影響要大于對長期蠕變量的影響。綜上所述，對重組竹的研究主要集中于模型的建立，而對竹材蠕變的研究主要集中于毛竹材及其復(fù)合板材的彎曲蠕變性能的影響因素。

筆者通過對重組竹短期蠕變性能的研究，探討了重組竹蠕變?nèi)崃侩S時間的變化規(guī)律，掌握其在一定載荷下的延遲彈性變形及其黏彈特性，以期通過研究厚度及含水率對蠕變?nèi)崃康挠绊?，指?dǎo)工程上的合理選材用材，并預(yù)測重組竹在長期載荷下的極限持久強(qiáng)度，確定其加工和使用環(huán)境條件，評價其使用性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

竹束，取自浙江安吉奇辰竹業(yè)有限公司，先由毛竹(Phyllostachysheterocyclacv pubescens)剖分成片，去青去黃后再碾壓疏解成竹束，之后進(jìn)行180℃炭化處理，并調(diào)整初始含水率至10%～12%。膠黏劑為水溶性酚醛樹脂，固體含量為25%。

1.2 試驗儀器

便攜式圓鋸機(jī)(TS 55 EBQ-PLUS型，上海費斯托(中國)有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(SEG-021型，上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司)；重竹試驗壓機(jī)(450T型，安吉華森液壓機(jī)廠)；萬能力學(xué)試驗機(jī)(MWD-50型，濟(jì)南時代試金儀器有限公司)；蠕變試驗機(jī)(RDL-30型，長春機(jī)械科學(xué)研究院)；掃描電子顯微鏡(S-3400N型，日立公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 重組竹制備

重組竹設(shè)定密度1.05 g/cm3，根據(jù)體積計算并稱取相應(yīng)質(zhì)量竹束。將竹束在酚醛樹脂浸膠池中浸漬15 min，浸膠量7%(相對于絕干竹束質(zhì)量)，并干燥至含水率7%～9%；然后將竹束稱質(zhì)量并縱向放入75 cm×10 cm×10 cm的竹方模具中，在壓機(jī)上高壓預(yù)成型，單位壓力4.5 MPa，時間1.0 min/mm；之后將模具鎖定并送入溫度為120℃的烘箱內(nèi)固化10 h，再堆放24 h，去除兩邊密度不足部分后將重組竹試件分別鋸解成長200 mm，寬20 mm，厚6，8和10 mm的試樣。每組取3個用于抗彎蠕變測定，再取若干8 mm厚的試樣進(jìn)行抗彎力學(xué)性能測試，確定最大破壞載荷。

1.3.2 絕干、浸水和氣干重組竹試樣制備

絕干試樣的制備：分別取6，8和10 mm厚的試樣放入烘箱內(nèi)，首先將烘箱內(nèi)溫度在5～10 min內(nèi)升到60～70℃并保持30 min，再將烘箱溫度以5℃/min的升溫速率升到100℃左右，隔5 h稱一次質(zhì)量直至前后兩次質(zhì)量差值小于0.01 g。浸水試樣的制備：取8 mm厚的試樣放入裝有蒸餾水的容器內(nèi)，并將試樣完全浸沒，72 h后隔5 h稱一次質(zhì)量直至前后兩次質(zhì)量差值小于0.01 g。將鋸制好的試樣在大氣中放置14 d左右即為氣干材。試樣經(jīng)上述處理后，用保鮮膜密封包裹，防止其含水率發(fā)生變化，再放入蠕變試驗機(jī)測定蠕變性能。

1.3.3 抗彎蠕變性能測試

首先測定8 mm厚重組竹試件的抗彎破壞載荷，參照GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》，采用簡支梁的支撐方式，加荷輥和支承輥半徑為10 mm，兩支座跨距160 mm，在試樣的中間位置勻速加載破壞，測得最大破壞載荷平均為560 N。蠕變試驗在溫度25℃、相對濕度38%～70%的溫控箱中進(jìn)行，采用三點彎曲的斜波加載，兩支座距離160 mm，蠕變試驗機(jī)夾具設(shè)計圖見圖1。加載載荷分別為最大破壞載荷的40%，50%，60%和70%，設(shè)定為224，280，336和392 N，加載時間96 h。其余不同含水率及厚度試樣加載載荷均為224 N，加載時間均為96 h。先將應(yīng)力加載到30 N為位移的零位，保持1 min，再以5 N/s的速度加載到最大載荷，在該載荷下測試其蠕變?nèi)崃?。采用?shù)字式位移控制器采集并自動記錄到蠕變試驗機(jī)軟件中，每隔120 s收集一次數(shù)據(jù)。

圖1 蠕變試驗三點彎曲夾具Fig. 1 Three-point bending fixture of creep test

1.3.4 掃描電鏡(SEM)測試

采用掃描電鏡觀察蠕變后的重組竹微觀結(jié)構(gòu)，在8 mm厚未蠕變重組竹、228和280 N加載蠕變后加載輥位置的受拉表層材料中各截取10 mm×10 mm×50 mm小試樣，用單面刀片取5 mm×5 mm×5 mm樣品若干，選擇表面結(jié)構(gòu)保存較好、無形變、無毛刺的試件，將其用導(dǎo)電膠固定在鋁質(zhì)樣品架上并鍍金，在200倍掃描電鏡下觀察微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載荷對重組竹抗彎蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

不同載荷對8 mm厚重組竹的蠕變性能影響見圖2。在恒定載荷下，重組竹蠕變?nèi)崃慷茧S時間的延長逐漸增大。蠕變主要分為初始階段和減速蠕變階段。第一階段為初始階段，即恒定蠕變階段，重組竹受載后在瞬間產(chǎn)生了彈性變形，加載載荷未超過破壞載荷50%時，初始階段加載形變斜率相同，此后，隨加載時間的延長，變形量逐漸增大，但是變形速率相同。加載載荷分別為280，336和392 N時，蠕變初始階段的時間為3，6和12 h，形變量為1.90，2.75和3.00 mm。第二階段為減速蠕變階段，該階段保持時間較長，是蠕變的核心階段，其蠕變速率隨時間的延長而減小。蠕變速率隨加載載荷的減小而減小，其曲線呈線性，可以說明材料的蠕變特性[15]。加載的載荷越大，瞬時彈性變形量也越大，到達(dá)減速蠕變階段所需時間越長，重組竹總?cè)渥內(nèi)崃侩S著載荷的增大而增大。

圖2 不同載荷下重組竹的蠕變?nèi)崃縁ig. 2 Creep compliance of bamboo scrimber under different loads

重組竹與天然竹材蠕變曲線的兩個階段不同，天然竹材首先是減速蠕變階段，其次是恒定蠕變階段[2]。這是因為重組竹的密度和剛性均大于普通竹材，由此產(chǎn)生的抵抗變形力也較大。此外，炭化竹束脆性增加，彈性降低，其變形屬于剛性變形，所以重組竹初始階段為恒定蠕變階段。天然竹材具有良好的彈性，隨著蠕變的增加，其剛性增強(qiáng)而彈性減弱，所以天然竹材初始階段為減速蠕變階段。

2.2 不同含水率對重組竹蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

8 mm厚重組竹在224 N的載荷下，浸水、氣干和絕干狀態(tài)下的蠕變性能測試曲線見圖3，其96 h最大蠕變?nèi)崃糠謩e為2.25，1.82和1.62 mm。由圖3可知，在載荷和厚度不變的條件下，含水率對重組竹蠕變?nèi)崃康挠绊戄^大，隨著含水率的提高，總?cè)渥內(nèi)崃恳仓饾u提高。含水率的增加會使界面附近的內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)差異，削弱竹束單元的界面性能，竹束間在受外力作用時載荷傳遞能力大大降低，從而引起力學(xué)強(qiáng)度的下降[4]。因此，含水率較高的重組竹抵抗外力的形變能力較小，蠕變?nèi)崃枯^大。由圖3分析可知，氣干和浸水重組竹的蠕變?nèi)崃孔兓^為均勻平緩，而絕干重組竹蠕變?nèi)崃孔兓癁殡A梯式，瞬時線性增加。這可能是因為絕干后竹束抗變形能力增加，在抵抗形變過程中受壓彎曲附近重組竹材纖維，或由膠層瞬時龜裂引起，絕干材料在試驗過程中出現(xiàn)蠕變斷裂。

2.3 不同厚度對重組竹蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

224 N載荷時不同厚度氣干和絕干重組竹的抗彎蠕變性能測試結(jié)果見圖4。由圖4a可知，6，8和10 mm厚氣干重組竹在受壓后0.16 h內(nèi)的蠕變?nèi)崃糠謩e為4.34，1.58和0.99 mm，最大蠕變?nèi)崃糠謩e為8.25，1.88和1.16 mm。厚度越大則蠕變?nèi)崃吭叫?，厚度每增? mm，蠕變?nèi)崃糠謩e增加62%和339%。6 mm厚的重組竹在蠕變7.6 h后出現(xiàn)直線加速蠕變，加速蠕變時間1.25 h，且斷裂之前可保持蠕變極限柔量9.7 h，此后重組竹材突然斷裂，數(shù)據(jù)采集終止。說明重組竹蠕變加速斷裂過程時間短，作為承重結(jié)構(gòu)超載時重組竹材料斷裂時的危險系數(shù)較大。由圖4b可知，6，8和10 mm厚絕干重組竹在受壓后0.16 h內(nèi)的蠕變?nèi)崃糠謩e為4.43，1.23和0.75 mm，最大蠕變?nèi)崃糠謩e為5.72，1.63和0.79 mm，絕干重組竹的蠕變?nèi)崃侩S厚度的增大而逐漸減小。此外，相同厚度的絕干重組竹瞬時蠕變?nèi)崃颗c最大蠕變?nèi)崃烤∮跉飧刹摹?/p>

圖3 不同含水率重組竹的蠕變?nèi)崃縁ig. 3 Creep compliance of bamboo scrimber under different moisture contents

圖4 不同厚度氣干和絕干重組竹的蠕變?nèi)崃縁ig. 4 Creep compliance of air-dried and oven-dried bamboo scrimber with different thicknesses

2.4 重組竹蠕變斷裂及其蠕變微觀性能分析

蠕變試驗時氣干重組竹的斷裂外觀形態(tài)見圖5。其中，圖5a和圖5b為裂紋擴(kuò)展斷裂、圖5c為界面脫藕斷裂、圖5d為竹束脆性斷裂。圖5a和圖5b分別為重組竹厚度方向和寬度受壓面斷裂后的縫紋，從圖5a可以看出，重組竹蠕變斷裂時從背面開始出現(xiàn)裂紋并逐漸向上延伸。這主要是因為竹束熱處理后竹纖維間的強(qiáng)度出現(xiàn)了差異，在厚度方向上的裂紋并非處于同一直線上，而是在蠕變過程中從界面薄弱處突破，即從竹束間膠合強(qiáng)度較弱的界面斷裂并向上延伸。圖5c為6 mm厚氣干重組竹的斷裂形態(tài)，屬于瞬時蠕變斷裂，其蠕變?nèi)崃康淖兓磮D4a中6 mm厚的重組竹。斷裂前在其底部形成應(yīng)力集中，竹束受到以蠕變加載載荷所處位置為中心的拉應(yīng)力，在瞬間破壞斷裂，蠕變?nèi)崃肯陆邓俣冗^快，超過極限蠕變時試驗機(jī)就停止采集數(shù)據(jù)，所以該蠕變?nèi)崃繘]有進(jìn)一步升高。而上方斷裂處從重組竹薄弱界面脫離黏合并延伸至頂端，再受壓產(chǎn)生纖維斷裂，因此，斷裂口與蠕變加載輥間有一定距離。圖5d為10 mm厚氣干重組竹的蠕變斷裂形態(tài)，與圖5c相比，圖5d的宏觀蠕變斷裂口擴(kuò)展的裂紋及其界面均不深，都集中于加載載荷集中處附近，說明該重組竹竹束之間的界面膠合較為均勻，但是纖維斷裂長度不一。

圖5 氣干重組竹蠕變斷裂形態(tài)Fig. 5 Creep rupture types of air-dried bamboo scrimber

圖6 200倍掃描電鏡下的重組竹微觀結(jié)構(gòu)Fig. 6 Microstructure of bamboo scrimber under scanning electron microscope(×200)

8 mm厚未蠕變重組竹、228和280 N加載蠕變時加載輥位置的受拉表層材料在200倍SEM下觀察到的微觀結(jié)構(gòu)見圖6。由于重組竹是通過竹束經(jīng)浸漬膠黏劑壓制而成，在重組竹微觀形態(tài)中，細(xì)胞均被膠層覆蓋而無法觀察到清晰的結(jié)構(gòu)，其表層裂紋不明顯。由圖6b和圖6c可以看出，蠕變后的重組竹微觀裂紋明顯增加。首先產(chǎn)生裂紋的是膠層，在蠕變應(yīng)力的作用下，裂紋數(shù)量逐漸增加，且裂紋隨蠕變時間的延長而逐漸延伸，出現(xiàn)大量長短深度不一的裂紋，其裂紋方向基本與纖維方向一致。隨蠕變加載載荷的增加，裂紋的寬度逐漸增加，在膠質(zhì)較少的纖維之間開始出現(xiàn)裂紋，其裂紋長度也有所增加，這些裂紋都是蠕變斷裂開始的起點。說明蠕變時重組竹在微觀形態(tài)下產(chǎn)生了裂紋，裂紋的深淺度決定了蠕變斷裂的特性。

3 結(jié) 論

1)重組竹蠕變第一階段為恒定蠕變階段，之后是減速蠕變階段。在含水率和厚度恒定的條件下，重組竹的蠕變?nèi)崃烤S時間的延長而逐漸增大，加載載荷越大，總?cè)渥內(nèi)崃吭酱?，瞬時彈性變形量也越大，到達(dá)減速蠕變階段所需時間越長。

2)在荷載和厚度恒定的條件下，浸水、氣干和絕干8 mm厚重組竹96 h蠕變的總?cè)渥內(nèi)崃繛?.25，1.82和1.62 mm，總?cè)渥內(nèi)崃侩S含水率的升高而逐漸提高。氣干和浸水重組竹蠕變?nèi)崃孔兓^為均勻平緩，而絕干重組竹蠕變?nèi)崃孔兓癁殡A梯式，瞬時線性增加。

3)在荷載恒定的條件下，氣干和絕干重組竹蠕變?nèi)崃侩S厚度的增大而逐漸減小，氣干材厚度每增加2 mm，蠕變?nèi)崃糠謩e增加62%和339%；相同厚度的絕干重組竹瞬時蠕變?nèi)崃颗c最大蠕變?nèi)崃烤∮跉飧刹模粴飧? mm厚重組竹在蠕變過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，蠕變7.6 h后出現(xiàn)直線加速蠕變，加速蠕變時間1.25 h，且斷裂之前可保持蠕變極限柔量9.7 h，而后重組竹材突然斷裂。

4)重組竹蠕變時會產(chǎn)生裂紋，而蠕變斷裂從受拉處出現(xiàn)裂紋并逐漸向上延伸，厚度方向上的裂紋并非處于同一直線上，而是從界面薄弱處突破，即從竹束間膠合強(qiáng)度較弱的界面斷裂并向上延伸，最終使界面上方纖維受壓斷裂。

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Study on short-term bending creep behavior and microstructureof bamboo scrimber

ZHANG Weigang1, JIANG Wenzheng1, TANG Rongqiang2

(1. School of Engineering, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, Zhejiang, China;2. Zhejiang Forestry Product Testing Station, Hangzhou 310023, China)

In order to predict the ultimate strength of bamboo scrimber under long-term load, and to determine its processing and using environment conditions, the effects of different loads(224, 280, 336 and 392 N), moisture contents(saturated, air-dried and oven-dried) and thickness(6, 8 and 10 mm) on creep properties of bamboo scrimber under the three-point bending mode within 96 h were studied. The results showed that the creep compliance of bamboo scrimber increased gradually with the increase of time. The higher the load, the larger the instantaneous elastic creep compliance was obtained, leading to the longer time to reach the deceleration creep stage. The total creep compliances of the 96 h creep for saturated, air-dried and oven-dried bamboo scrimbers of 8 mm thick were 2.25, 1.82 and 1.62 mm, respectively. The total creep compliance was improved gradually with the increase of moisture content. The creep compliance of air-dried and saturated bamboo scrimber changed relatively uniformly, while the creep compliance change of oven-dried bamboo scrimber was ladder-like type and its instantaneous linearity increased. The creep compliances of 6, 8 and 10 mm thick air-dried and oven-dried bamboo scrimbers in 0.16 h were 4.34, 1.58, 0.99 mm and 4.43, 1.23, 0.75 mm, respectively. The creep compliance of bamboo scrimber decreased with the increase of thickness in the air-dried and oven-dried conditions. The transient and maximum creep compliances of bamboo scrimbers with the same thickness in oven-dried condition were lower than those of bamboo scrimbers in the air-dried condition. The air-dried bamboo scrimber of 6 mm thickness showed linear acceleration creep after 7.6 h, and then fractured in 1.25 h, indicating that the moisture content had a great influence on the creep limit and fracture of the bamboo scrimber. The cracks occurred in micro morphology of bamboo scrimber, and the creep rupture started from the weakest point of the bonding interface and then extended the fiber compression fracture along the surface.

bamboo scrimber; flexural creep; load; microstructure

2016-12-29

2017-02-23

浙江省林業(yè)工程一級重中之重學(xué)科開放基金(2014lygcy024)；浙江省科技計劃項目(2015F50051)；中央財政林業(yè)科技推廣示范資金(2016TS03)。

章衛(wèi)鋼，男，實驗師，研究方向為竹材工業(yè)化利用。E-mail:260549001@qq.com

S781.9

A

2096-1359(2017)03-0033-05