石俊利 黎 靜 朱家偉 王漢坤

(1國際竹藤中心北京100102；2國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100102)

竹子屬禾本科植物，產(chǎn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1]。竹材與許多常規(guī)建材 (例如木材)相比，優(yōu)勢(shì)明顯，包括極佳的力學(xué)性能、繁殖能力快、制造工藝簡(jiǎn)單等，是一種深受歡迎的環(huán)保型建筑材料[2－3]。竹材已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，比如家具[4]、建筑施工[5]、竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[6]、橋梁[7]等。

竹材的力學(xué)性能由其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)決定[8]。竹材主要由2種細(xì)胞類型組成:一種是維管束中的厚壁纖維，在力學(xué)性能上起關(guān)鍵作用；另一種是圍繞著維管束的薄壁細(xì)胞，可以作為復(fù)合基質(zhì)傳輸載荷[9－11]。因此，竹材是一種天然的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由定向的纖維 (維管束)嵌入柔軟的薄壁細(xì)胞基質(zhì)中形成[12－13]。竹材中纖維的體積分?jǐn)?shù)從內(nèi)部向外部、從下部到上部逐級(jí)增加[14－15]。獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)使竹材成為一種非均質(zhì)材料，具有分級(jí)結(jié)構(gòu)。這種功能分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗環(huán)境載荷具有很大的優(yōu)勢(shì)[16]。竹材力學(xué)性能與其分層結(jié)構(gòu)有明顯的相關(guān)性[9，12，17－20]。

順紋抗壓強(qiáng)度是評(píng)估竹材不同用途適用性的重要指標(biāo)[21－22]。Chung等[23]分析了從竹稈下部到上部的抗壓性能的變化，結(jié)果顯示，隨著取樣高度的增加，順紋壓縮模量從5 GPa增加到10 GPa，軸向抗壓強(qiáng)度從0.05 GPa增加到0.07 GPa。 Lo等[5，24]的研究也表明，竹稈的上部抗壓強(qiáng)度比其下部更高。不僅竹材的力學(xué)性能與取樣部位有關(guān)，其制備的集成材也具有相關(guān)特點(diǎn)。Li[25]分析了從竹稈3個(gè)不同高度取樣所制層壓板抗壓性能的變化，結(jié)果顯示，抗壓強(qiáng)度隨著取樣高度的增加而增加；中部竹稈所制層壓板彈性模量最高。目前，大多數(shù)研究多集中在竹材順紋壓縮性能與取樣高度的關(guān)系，而對(duì)于竹材梯度分層結(jié)構(gòu)的抗壓機(jī)制、尺寸效應(yīng)等尚未進(jìn)行詳細(xì)研究。本研究對(duì)不同尺寸竹塊的順紋壓縮進(jìn)行測(cè)試，目的是探討竹材樣品的尺寸對(duì)順紋壓縮性能的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

樣品采自浙江，為4年生毛竹 (Phyllostachys pubescens Mazei ex H.de Lebaie)。從距地面1.5 m處向上截取2 m長(zhǎng)的竹段，制備順紋壓縮試件。本文主要考察樣品尺寸對(duì)順紋壓縮性能的影響，故樣品的制備以尺寸作為變量。壓縮樣品的高度 (軸向)與寬度 (弦向)之比設(shè)為1.5∶1。預(yù)設(shè)樣品的高度尺寸分別為15、30、60、90和110 mm，寬度分別對(duì)應(yīng)為10、20、40、60、80(半個(gè)竹環(huán))mm，樣品橫截面見圖1(a)。在順紋壓縮試驗(yàn)前，所有樣品都在室溫23℃、濕度50%的條件下放置1個(gè)月，使最終的平衡含水率達(dá)到約為8%。

1.2 順紋壓縮試驗(yàn)

按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15780－1995進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試設(shè)備為Instron 5582萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，見圖1(b)，配備有100 kN載荷傳感器。測(cè)試速度為1.5 mm/min，每組樣品重復(fù)測(cè)試20次，取有效破壞樣品數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

順紋壓縮試驗(yàn)指標(biāo)包括順紋壓縮模量和順紋抗壓強(qiáng)度。其中，順紋壓縮模量計(jì)算區(qū)間取破壞載荷的20%～40%區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法見圖2(a)，應(yīng)變來源為設(shè)備的十字頭位移。圖1(a)表明:隨著樣品寬度的增加，試樣弧度逐漸增大，標(biāo)準(zhǔn)中“長(zhǎng)度×厚度”的面積計(jì)算方式不適用本研究，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究中應(yīng)力的計(jì)算所取面積為樣品的實(shí)際面積，具體是用掃描儀采集樣品的橫切面圖片 (圖2b)，然后用IPP軟件計(jì)算實(shí)際面積。

順紋壓縮力學(xué)性能影響因素很多，在本研究中主要考察樣品高度 (寬度)、竹壁厚度、弧度 (弧高)等尺寸參數(shù) (圖2b)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 竹材的分級(jí)結(jié)構(gòu)

竹材是一節(jié)一節(jié)的竹節(jié)連接而成的空心莖，連接部位為竹節(jié)，竹節(jié)之間稱為節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度通常隨竹稈高度增加而增加。竹稈具有一定的尖削度，節(jié)間外徑及壁厚沿著稈莖從下向上逐漸減小。作為功能分級(jí)材料，在徑向上可以觀察到纖維 (維管束)的梯度分布 (圖3)，維管束的分布密度沿著徑向方向從竹壁內(nèi)部向外部不斷增加。例如，按相同尺寸的橫截面積計(jì)算，外部維管束的組織比量約為59.8%，而內(nèi)部維管束的組織比量約為17.1%。

圖3 竹材橫截面徑向結(jié)構(gòu)

竹材的分級(jí)結(jié)構(gòu)表明，竹材的密度與竹材維管束的梯度分布有關(guān)，在徑向方向存在明顯差異，當(dāng)厚度增加時(shí)，竹黃部分所占比例越大，密度略有減小。以往的研究表明，密度是決定力學(xué)性能的主要因素。因此，本研究分析尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響，首先應(yīng)排除密度的影響，圖4為樣品的高度和竹壁厚度與密度的關(guān)系，由圖4可知，本研究所取樣品的密度相差不大，基本可排除密度的影響。

2.2 樣品尺寸對(duì)竹材順紋壓縮應(yīng)力—應(yīng)變的影響

圖5 不同尺寸樣品壓縮測(cè)試的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5為不同尺寸竹塊的典型順紋壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖5可以觀察到3個(gè)區(qū)域:彈性區(qū)域、彈塑性區(qū)域以及塑性區(qū)域 (15和30 mm最明顯)。5組樣品有明顯的區(qū)別:尺寸小的樣品具有更大的彈性變形區(qū)域，塑性變形的平臺(tái)期也明顯大于大尺寸樣品。綜合圖1(a)中樣品的橫切面形狀可知:15和30 mm的樣品因?yàn)闆]有明顯的弧度，樣品在壓縮過程中塑性變形平臺(tái)期很長(zhǎng)，而60、90和110 mm的樣品，則沒有明顯的塑性變形期，可見隨著樣品高度的增加，竹材在壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生提前破壞。維管束在竹材內(nèi)部為平行排列，排除薄壁細(xì)胞的因素，竹材中的維管束為細(xì)長(zhǎng)桿的并列結(jié)構(gòu)，隨著樣品高度的增加，這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響，在壓力的作用下，越高的樣品越容易發(fā)生屈曲而失穩(wěn)破壞。通過實(shí)驗(yàn)選取了不同尺寸竹塊的代表性破壞模式，匯總見圖6。其中，小尺寸樣品的破壞主要是剪切破壞，為正常破壞模式，隨著樣品尺寸的增大，則會(huì)出現(xiàn)屈曲、開裂等因弧度因子產(chǎn)生的非正常破壞模式。

圖6 竹材壓縮試樣的破壞模式

2.3 樣品尺寸對(duì)竹材順紋壓縮力學(xué)性能的影響

圖7 不同尺寸竹材順紋壓縮力學(xué)性能與竹壁厚度、樣品高度和弧高的關(guān)系

為定量分析樣品尺寸對(duì)竹材順紋壓縮力學(xué)性能的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見圖7。由圖7可知，隨著樣品尺寸 (高度、厚度、弧高)的增加，竹材順紋壓縮模量和順紋抗壓強(qiáng)度的變化表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，隨著樣品高度的增加，順紋壓縮模量有較為明顯的增加，順紋抗壓強(qiáng)度則表現(xiàn)為明顯減小的趨勢(shì)，尤其是樣品高度與弧高的影響最為明顯。原因在于，樣品的高度越大，寬度就越大，由此導(dǎo)致樣品的弧度越大，順紋壓縮模量越大，順紋抗壓強(qiáng)度越小。這個(gè)結(jié)果與2個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算有關(guān):在1.2中對(duì)順紋壓縮模量和抗壓強(qiáng)度的計(jì)算進(jìn)行了闡述，模量的計(jì)算主要取自彈性變形區(qū)間 (破壞載荷的20%～40%)，在此區(qū)間，竹材承受的力是均勻的，但是竹青部位維管束組織比量大 (圖3)，且竹青位于竹環(huán)外部，外徑周長(zhǎng)大于內(nèi)徑周長(zhǎng)，隨著樣品高度 (寬度)的增加，弧度增加，竹青部分所占比例增加 (圖1、圖3)，樣品內(nèi)用于承載壓力的維管束的組織比量會(huì)相應(yīng)增加，樣品產(chǎn)生的變形相同時(shí)，維管束組織比量較大的樣品，所承載的應(yīng)力會(huì)增大，因此順紋壓縮模量計(jì)算值隨之增加；而順紋抗壓強(qiáng)度則是由極限破壞載荷決定，在彈性區(qū)域以后，弧度越大的樣品會(huì)失穩(wěn)而導(dǎo)致在達(dá)到最大載荷前就發(fā)生失穩(wěn)破壞 (圖6)。圖7中高度為90 mm樣品測(cè)試結(jié)果偏小，原因在于取樣方式導(dǎo)致高度為90 mm的樣品的竹黃部分所占比例較高，樣品密度較低，材料內(nèi)部用于承載壓力的維管束的相對(duì)比量較低，導(dǎo)致其力學(xué)性能較低。

3 結(jié)論

不同尺寸竹材的順紋壓縮模量與竹壁厚度、樣品高度、弧度呈正相關(guān)關(guān)系，順紋抗壓強(qiáng)度與竹壁厚度、樣品高度、弧度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。樣品尺寸和弧度在彈性區(qū)間內(nèi)會(huì)增強(qiáng)材料的力學(xué)性能 (順紋壓縮模量)；在塑性階段，樣品的弧形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致樣品提前失穩(wěn)對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度有削弱作用。