周年強，陳 國，趙龍龍

（南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京210037）

中國竹資源豐富，隨著國家倡導(dǎo)綠色節(jié)能、生態(tài)環(huán)保的建筑理念，發(fā)展竹制建材和竹結(jié)構(gòu)建筑方面具有天然優(yōu)勢和較大潛力。經(jīng)現(xiàn)代加工工藝處理后的竹材人造板，克服了天然竹的材料缺陷和尺寸變異性，力學性能更加穩(wěn)定，強度、延性也優(yōu)于常用膠合木。目前應(yīng)用較廣的竹材人造板產(chǎn)品主要包括竹重組材、竹材刨花板、竹簾層積材、竹簾膠合板等，根據(jù)這些材料的特點再加工成不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件［1-2］，其中典型的結(jié)構(gòu)用竹材包括竹材膠合板和竹重組材。

現(xiàn)代膠合竹是由足尺徑的天然竹加工成定寬、定厚的竹片，干燥至含水率8% ～10%，再通過膠黏劑膠合而成，膠合竹中保留了原竹的竹片單元。目前，膠合竹/木的受力性能可通過清材小試件法和足尺試件法2種試驗方法［3］來得到。清材小試件法是指將清材分別制作成較小尺寸的標準試件，并按照試驗標準的規(guī)定測得清材力學性能的試驗。操作簡單方便、經(jīng)濟，一直是世界各國建立結(jié)構(gòu)木材力學性能指標的主要方法，研究將參考清材小試件試驗方案進行竹膠合材的強度檢測。

無損檢測是根據(jù)材料不同物理性質(zhì)或化學性質(zhì)，在不破壞目標物體內(nèi)部及外觀結(jié)構(gòu)與特性的前提下，對物體相關(guān)特性（如形狀、位移、應(yīng)力、光學特性、流體性質(zhì)、力學性質(zhì)等）進行檢測與檢驗，作為一種非破壞性的檢測手段，具有應(yīng)用范圍廣泛、可靠性高、設(shè)備方便攜帶、操作簡便、時間經(jīng)濟、對人體無傷害等特點。無損檢測方式包括基頻振動測試、超聲波和應(yīng)力波檢測等，目前針對木材的超聲波檢測及探傷的研究成果比較豐富，Dackermann、Dündar、Parveen等［4-6］分別通過對木材力學性質(zhì)試驗和相應(yīng)超聲波速的研究確立兩者的對應(yīng)關(guān)系，國內(nèi)張?zhí)?、張?xùn)亞、嵇偉兵、劉妍、齊永峰等［7-12］也利用超聲波儀器對各類木材的力學性能做了預(yù)測評估。作為新型結(jié)構(gòu)材料，研究竹材料的超聲波特性對于其工程應(yīng)用具有一定的促進意義。

實驗以一批不同長度規(guī)格的竹簾膠合板小試件為研究對象，分別進行超聲波檢測和軸心受壓強度試驗，重點研究試件長度、清材原材疊合方向?qū)箟盒阅?、彈性模量?shù)據(jù)的影響，并分析試件的波速與抗壓強度、彈性模量的關(guān)系，為無損檢測相關(guān)試件材料的強度、彈性模量等性能指標提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

試件取用原竹，去除竹青、竹黃破篾，形成單塊截面尺寸為7 mm×20 mm基材，進行膠合、切削，按竹基材疊合方式分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3類，如圖2所示，又根據(jù)試塊高度不同，共分成了7組試件，各組試件的基本參數(shù)詳見表1。

圖1 7組試件Fig.1 Seven sets of test specimens

圖2 3種受壓試件示意圖（單位：mm）Fig.2 Diagram of three kinds of compression test specimens

1.2 試驗裝置

采用國產(chǎn)SANS公司生產(chǎn)的多功能電液伺服液壓試驗機進行試件軸壓強度試驗。試驗機最大可提供2 000 kN拉＼壓作用力，精度等級0.5級，示值誤差不超過±1.0%。試驗機受壓試驗空間具有球面滑動支座，試驗主要檢測其抗壓強度和彈性模量，如圖3所示。

表1 試件設(shè)計Tab.1 Design of the laminated specimens

超聲波儀選用為瑞士PROCEQ公司的PunditLab超聲波檢測儀，作為一種便攜的非金屬超聲檢測設(shè)備，可提供20-500 kHz的帶寬，125-500 V的脈沖電壓，其最大分辨率為0.1μs，并具有自動測量和記錄等功能。設(shè)備如圖4所示。

圖3 軸壓試驗設(shè)備Fig.3 Test set-up for compression test

圖4 PunditLab超聲波檢測儀Fig.4 Ultrasound testing unit Pundit Lab

1.3 試驗方案

對于研究抗壓強度及其彈性模量的試件尺寸，美國材料實驗標準ASTMD143-1994《木材無疵小試樣的試驗方法》規(guī)定試件高寬比為4∶1，而中國規(guī)范GB1927～1943-1991《木材物理力學性質(zhì)試驗方法》規(guī)定試件的高寬比為3∶2，因為較小的試件長度對于超聲波速檢測的精度有影響，本次實驗分別選擇2∶1、3∶1、4∶1 3種試件高寬比進行試驗。

圖5 超聲波波速測試示意圖Fig.5 Schematic of test set up

在超聲波波速的檢測中，每個試件可以有3組對測面進行測試，分別是X向、Y向和Z向，考慮到重點研究抗壓強度與波速的關(guān)系，因此對測面選擇為抗壓試驗的受壓面，即試件長軸上下2個截面，其測試示意圖如圖5。超聲檢測放在強度試驗之前完成。

抗壓強度試驗依據(jù)進行加載制度設(shè)計和試驗，試件加載初期采用荷載控制，當荷載達到極限荷載大約80%左右，改為位移控制。試驗從加載到破壞所用時間控制在5～8 min以內(nèi)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)與分析

Ⅰ-100組試件呈現(xiàn)3種典型破壞特征：①試件中部擠潰，彎曲破壞；②柱上端局部擠壓潰壞；③柱角端局部破壞，總體基本保持完好，如圖6a所示。

Ⅱ-100組試件有一半試件出現(xiàn)材料從膠合面處剝離，脫落，另外一半不同程度出現(xiàn)基材內(nèi)開裂。也可以分為3種破壞特征：①發(fā)生S型彎曲破壞，中間開膠；②發(fā)生腰鼓（中間膨脹）的受壓破壞；③側(cè)面的材料部分或全面剝離、脫落，如圖6b。破壞現(xiàn)象說明該施壓方向容易導(dǎo)致膠層的完全破壞。

Ⅲ-100組試件整體變形和破壞相對不明顯，且雖然在截面X-Y兩個方向的基材長寬比不一樣，但發(fā)生彎曲的方向比較隨機。主要分為2種破壞特征：①柱上端部壓潰破壞；②柱中部彎曲破壞，如圖5c。

Ⅰ-150組主要破壞特征為：①柱端壓潰破壞，表現(xiàn)為破壞發(fā)生在端柱有多條縱向裂縫發(fā)生；②柱中外側(cè)擠壓破壞；③彎曲破壞，由于2端嵌固，整體呈現(xiàn)S型彎曲，如圖6d。

Ⅱ-150組主要破壞特征為：①柱端壓潰破壞，②③柱中縱向開裂破壞；②③柱上部縱向內(nèi)部裂縫破壞，如圖6e。

Ⅲ-150組、Ⅲ-200組與Ⅲ-100組類似，以彎曲破壞和柱上端壓潰破壞為主，如圖6f、6g。

從各組試件破壞現(xiàn)象看，膠合竹試件的破壞形式隨著高度和基材疊合方式不同而異，但總體看，由于膠合強度較大，基本保證了大部分破壞發(fā)生試件基材內(nèi)，而非基材接合面處。

圖6 各組試件的典型破壞形態(tài)Fig.6 Typical failuremodes of each group of specimens

2.2 主要試驗結(jié)果

表2 試驗測試結(jié)果（平均值）Tab.2 Test results ofmaterial properties（mean value）

首先完成各組基本物理特性的測試，得到試件尺寸、質(zhì)量，計算密度值；進行試塊Z向超聲波波速的測量；最后通過液壓試驗機進行強度試驗，得到彈性模量和極限強度。各組數(shù)據(jù)列于表2中。從表2可以看出，3類測試組由于基材疊合方向即竹纖維分布方向不同，反映出的物理性質(zhì)還是有明顯區(qū)別。其中①平橫紋抗壓測試組（Ⅱ-100～150）的平均波速值、強度值、彈性模量值的都略優(yōu)于同高度的立橫紋抗壓測試組（Ⅰ-100～150）；前者膠層數(shù)量較后者多，可能是由于膠水的粘結(jié)作用幫助提升了試塊整體的強度。②順紋測試組（Ⅲ-100～150～200）各平均波速值、強度值、彈性模量都較橫紋組對應(yīng)高度組高。③需要注意的是與文獻［13-14］所提到的膠合竹材及原竹相比較，實驗中順紋測試組（Ⅲ）的彈性模量值指標整體偏小，這是由于原竹材存在明顯的自身構(gòu)造優(yōu)勢（中空、纖維分布完整等），以及不同加工處理方式也顯著影響該值。

波速與各物理指標關(guān)系。一般認為對于均質(zhì)材料，超聲波波速與材料密度、強度、彈性模量等有相關(guān)性［6，8，12，15-16］。膠合竹試件為密實度較高的材料，尚未有相關(guān)性的研究，為此，針對上述實驗數(shù)據(jù)進行各性能指標的波速相關(guān)性分析（圖7）。

圖7 波速與各特征量的關(guān)系Fig.7 Velocity and characteristic quantities

從圖7可以看出：①密度與波速關(guān)系：不論疊合方式如何，所有試件材料的密度都是基本一致的；而超聲波測試受疊合方式、測試方向影響，波速數(shù)據(jù)主要集中分布在2塊區(qū)域。②波速與強度有較強的相關(guān)性，基本上強度越高，是波速越大，可以通過波速的測量來反推強度值；③波速與彈性模量有一定的相關(guān)性，即彈性模量越大，波速相對越大，但由于彈性模量的離散性較大，適合作定性分析。

各組試件的強度曲線匯總?cè)鐖D8所示。從試驗曲線可以看出，各組試件都有彈性段、彈塑性和塑形段，表明該種材料具有彈塑性變形的能力，適合用在建筑抗震設(shè)計中，從強度上看順紋施壓的強度明顯高于立橫紋、平橫紋施壓，說明延著竹纖維縱向強度最高，但達到最大強度后其彈塑性強度沒有再提升，塑性段甚至有降低，而橫紋施壓的材料在彈塑性段后強度仍有上升，尤其是平橫紋組材料上升段尤為明顯，表現(xiàn)了較強的韌性。

圖8 各試塊強度曲線Fig.8 Strength curves of each test specimen

4 總結(jié)

通過7組試件的超聲波波速和軸心強度試驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）從破壞形態(tài)看，膠合竹試件的結(jié)合強度較高，大部分破壞發(fā)生試件基材內(nèi)，而非基材接合面處。測試結(jié)果基本可以看出，竹膠合材材質(zhì)均一、性能穩(wěn)定。

（2）沿著竹纖維方向的試件抗壓強度最高，對應(yīng)的超聲波波速、剛度也最大，但塑性段強度有可能下降，垂直纖維方向的抗壓強度，在加載后期，進入塑性段后強度仍會持續(xù)上升。

（3）超聲波波速與抗壓強度相關(guān)較大，可做定量推斷以用于無損檢測，波速與材料剛度有一定相關(guān)性，適合定性分析。

（4）通過抗壓強度曲線可以發(fā)現(xiàn)，順紋抗壓組試件具有較高的強度表現(xiàn)，而橫紋抗壓則具有有較強的后期塑性強度。據(jù)此可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的疊合材料試件。