冷予冰， 許清風(fēng)， 劉可為

(1 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032； 2 國(guó)際竹藤組織，北京 100102)

0 引言

竹材是綠色環(huán)保的生物質(zhì)材料，具有可再生、易降解、強(qiáng)重比高、輕質(zhì)抗震、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，竹材生長(zhǎng)周期短，4～6年即可成材，我國(guó)是世界最大的竹產(chǎn)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(wěn)定、力學(xué)性能得到提升，是竹結(jié)構(gòu)建筑從個(gè)體化走向工業(yè)化的突破。

室外建筑材料會(huì)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(chóng)蛀等。竹材中的纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)成分在自然環(huán)境下易發(fā)生老化變質(zhì)，顏色和物理力學(xué)性能將發(fā)生不可逆變化，使結(jié)構(gòu)安全性降低[1-2]。但竹材與木材的生物構(gòu)成和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有明顯差別，二者的老化速度以及對(duì)外界因素的敏感程度不同，相應(yīng)的防護(hù)措施也應(yīng)不同。

關(guān)于工程竹材的耐久性能，陳杰[3]進(jìn)行了Glubam膠合竹的人工加速老化試驗(yàn)，模擬自然氣候中的太陽(yáng)光照和降雨對(duì)其的影響，經(jīng)過(guò)一定周期的光照和噴淋循環(huán)后，測(cè)試了老化后膠合竹的物理力學(xué)性能； 張祿晟等[4]研究了經(jīng)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(jìn)行防腐處理，并通過(guò)失重率來(lái)評(píng)價(jià)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(huán)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(guān)系，揭示了在不同老化環(huán)境下重組竹材料性能變化規(guī)律； 張亞慧等[7]進(jìn)行了3～4年生毛竹和慈竹生產(chǎn)的竹基纖維復(fù)合材料的循環(huán)暴露試驗(yàn)，模擬戶外自然條件的變化對(duì)力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響； 魏萬(wàn)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(guān)研究表明，竹基纖維復(fù)合產(chǎn)品受到自然條件的影響會(huì)發(fā)生不同程度的老化，總體來(lái)說(shuō)，重組竹因在竹絲束單元層面經(jīng)過(guò)浸膠和熱壓(或冷壓)處理，其抗老化性能要優(yōu)于膠合竹。

自然界中的氣候變化是多種因素共同作用的結(jié)果，過(guò)程漫長(zhǎng)而復(fù)雜，采用加速老化試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短的時(shí)間內(nèi)模擬氣候條件的變化[6]。紫外線輻射約占太陽(yáng)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(guò)人工加速老化試驗(yàn)，模擬太陽(yáng)光中的紫外線輻射，加上溫濕度循環(huán)變化的影響，測(cè)試未經(jīng)防護(hù)處理的膠合竹、重組竹的物理力學(xué)性能，并將其和花旗松木材在紫外線輻射下的物理力學(xué)性能變化進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)膠合竹、重組竹和花旗松木材的抗紫外線老化性能。

1 試驗(yàn)方案

選取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用且穩(wěn)定、易測(cè)的參數(shù)來(lái)衡量工程竹和對(duì)比花旗松木材在紫外線輻射條件下的物理力學(xué)性能變化規(guī)律。試驗(yàn)選用的膠合竹以定寬精刨竹片為構(gòu)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(shù)脂，干燥后按順紋組坯熱壓膠合而成。

由于目前尚無(wú)針對(duì)工程竹材的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)參考木材的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)試項(xiàng)目包括尺寸變化和密度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度，測(cè)試尺寸變化和密度的試件尺寸為20mm×20mm×20mm，測(cè)試抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量的試件尺寸為20mm×20mm×200mm，測(cè)試順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓彈性模量的試件尺寸分別為20mm×20mm×30mm，20mm×20mm×60mm，測(cè)試順紋抗拉強(qiáng)度的試件尺寸見(jiàn)圖1。試驗(yàn)分別參照《木材密度測(cè)定方法》(GB/T 1933—2009)、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1—2009)、《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》(GB/T 1936.2—2009)、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1935—2009)、《木材順紋抗壓彈性模量測(cè)定方法》(GB/T 15777—1995)、《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1938—2009)進(jìn)行。

圖1 順紋抗拉強(qiáng)度試件尺寸

紫外線加速老化處理方法參考美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM G53-96[9]和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗(yàn)方法熒光紫外燈》(GB/T 14522—2008)[10]進(jìn)行。

試驗(yàn)在紫外線老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行，如圖2所示。試件保持一個(gè)面直接承受紫外線輻射。設(shè)置光照時(shí)黑板溫度60℃，冷凝時(shí)黑板溫度30℃，試驗(yàn)箱的紫外線輻射照度為0.89mW/cm2，模擬測(cè)試的循環(huán)時(shí)間為輻射8h+冷凝4h，經(jīng)過(guò)輻射循環(huán)7，14，28，56d后，測(cè)試試件的物理力學(xué)性能變化。

圖2 紫外線老化試驗(yàn)裝置

每個(gè)輻射時(shí)間下，每組膠合竹、重組竹和花旗松木材各測(cè)試6個(gè)試件，并設(shè)置一組對(duì)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(yǎng)護(hù)至平衡含水率再進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 物理性能變化

經(jīng)過(guò)輻射循環(huán)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?；ㄆ焖赡静脑谳椛?4d之后，受輻射面的顏色開(kāi)始明顯變深，主要原因在于木材中吸收紫外光的官能團(tuán)，如羰基、苯酚性羥基等，不同官能團(tuán)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(gè)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(cè)壓的方向，正值表示膨脹，負(fù)值表示收縮。試件經(jīng)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(yǎng)護(hù)至平衡含水率后的密度。

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

試件經(jīng)紫外線輻射老化前后的密度/(kg/m3) 表2

2.2 力學(xué)性能變化

經(jīng)紫外線輻射后，三種材料的力學(xué)性能均出現(xiàn)不同程度的下降。

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

圖4 抗彎強(qiáng)度隨紫外線輻射時(shí)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(qiáng)度的變化趨勢(shì)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(kāi)始就有明顯下降； 到56d時(shí)，試件抗彎彈性模量的降幅表現(xiàn)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(shí)間的變化曲線

經(jīng)紫外線輻射循環(huán)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(qiáng)度變化如圖6所示。由圖6可知，三種材料的順紋抗壓強(qiáng)度都有明顯下降； 到56d時(shí)，試件順紋抗壓強(qiáng)度降幅表現(xiàn)為膠合竹>重組竹>花旗松木材，降幅分別為初始順紋抗壓強(qiáng)度的40.5%，28.7%，24.2%。

圖6 順紋抗壓強(qiáng)度隨紫外線輻射時(shí)間的變化曲線

經(jīng)紫外線輻射循環(huán)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(jiàn)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(shí)，試件順紋抗壓彈性模量降幅表現(xiàn)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(shí)間的變化曲線

經(jīng)紫外線輻射循環(huán)7，14，28，56d后，三種材料的試件順紋抗拉強(qiáng)度變化見(jiàn)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(qiáng)度的降幅最為明顯； 到56d時(shí)，試件順紋抗拉強(qiáng)度降幅表現(xiàn)為花旗松木材>重組竹>膠合竹，降幅分別為初始順紋抗拉強(qiáng)度的26.4%，16.5%，11.0%。

圖8 順紋抗拉強(qiáng)度隨紫外線輻射時(shí)間的變化曲線

經(jīng)紫外線輻射循環(huán)56d后，上述五個(gè)參數(shù)的降幅如圖9所示。由圖9可知，除順紋抗壓強(qiáng)度膠合竹降幅最大外，其他四個(gè)參數(shù)均為花旗松木材降幅最大，總體來(lái)說(shuō)重組竹的抗紫外線老化性能最佳。

圖9 力學(xué)性能經(jīng)紫外線輻射56d后的降幅

3 結(jié)論

(1) 花旗松木材對(duì)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(fā)生顏色變黃但沒(méi)有花旗松木材嚴(yán)重，重組竹的顏色變化不明顯。三種材料經(jīng)56d的紫外線輻射后，尺寸和質(zhì)量均未發(fā)生明顯變化。

(2) 除順紋抗壓強(qiáng)度膠合竹降幅最大外，其他四個(gè)參數(shù)均為花旗松木材降幅最大。試件抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓彈性模量的降幅均表現(xiàn)為花旗松木材>膠合竹>重組竹，試件順紋抗壓強(qiáng)度的降幅表現(xiàn)為膠合竹>花旗松木材>重組竹，順紋抗拉強(qiáng)度降幅表現(xiàn)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(yōu)，但三種材料在紫外線輻射作用下均有不同程度的力學(xué)性能退化，用于室外環(huán)境時(shí)均需進(jìn)行防護(hù)處理。