孫永良

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092)

0 概述

木材作為一種世界上最為古老的建筑材料之一不僅在古代建筑中有著極多的應(yīng)用，在現(xiàn)代綠色建筑的概念下也越來越受到建筑行業(yè)的關(guān)注。其以輕質(zhì)高強(qiáng)、制作簡(jiǎn)單、可塑性強(qiáng)和良好的保溫隔熱性能等諸多優(yōu)點(diǎn)受到眾多工程師的喜愛。但相關(guān)法律及原木產(chǎn)量的限制等因素也制約著木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，橡膠木有望作為一種新型結(jié)構(gòu)用材。

海南橡膠木最初由于色澤淡雅、紋理美觀、加工性能良好但易于腐朽及被蟲害等諸多特點(diǎn)多用于室內(nèi)家具[1]。然而隨著木結(jié)構(gòu)建筑的不斷推廣，對(duì)于木材的需求量日益增加，將橡膠木進(jìn)行改性處理運(yùn)用于建筑行業(yè)獲得了越來越多的關(guān)注。早在20世紀(jì)70年代由華南熱帶作物科學(xué)研究所開發(fā)出以硼砂、硼酸和五氯酚鈉配置的藥劑處理橡膠木，在防腐、防蟲、防白蟻等方面具有顯著的成效[2]。關(guān)于橡膠木防霉、防藍(lán)變等性能，劉秀英等[3]配制了不同的藥劑進(jìn)行了詳盡的研究；馬召亮等[4]對(duì)橡膠木的膠合性能進(jìn)行了研究。隨著橡膠木綜合加工利用課題的不斷推行，橡膠木高溫?zé)崽幚韀5]、橡膠木浸漬改性[6]等成為了新的研究方向。

盡管目前關(guān)于橡膠木的研究已較為廣泛，然而針對(duì)橡膠木在建筑工程中的實(shí)際運(yùn)用的研究還較為缺乏，關(guān)于橡膠木在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中常用到的各項(xiàng)材料性能指標(biāo)的研究較少?；谏鲜鲈?，本文對(duì)改性橡膠木開展順紋抗壓、橫紋抗壓、順紋抗拉、順紋抗剪、清材抗彎等材性試驗(yàn)及足尺木梁抗彎破壞試驗(yàn)，為改性橡膠木在工程中的應(yīng)用提供一定參考。

1 材性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)中所使用的改性橡膠木原材料為海南橡膠木，其制備過程主要分為5個(gè)步驟：選取原木并鋸切至板材、烘干、選材、改性處理及烘干固化。經(jīng)由上述改性處理后木材的平均密度為638kg/m3,平均含水率為5.8%。本節(jié)內(nèi)容包含順紋抗壓、順紋抗拉、順紋抗剪等三項(xiàng)試驗(yàn)。

1.1 順紋抗壓試驗(yàn)

根據(jù)《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T1935—2009)[7]，改性橡膠木順紋抗壓試驗(yàn)共30個(gè)試件，尺寸均為20mm×20mm×60mm。將試件兩端放置在試驗(yàn)機(jī)加載臺(tái)上，并保證試件豎直安裝在試驗(yàn)機(jī)上(圖1)。

圖1 順紋抗壓試驗(yàn)

由試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)可得，改性橡膠木順紋抗壓極限強(qiáng)度的平均值為65MPa，彈性模量平均值為12 175MPa，對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為13.6%和29.5%。

試驗(yàn)所得典型試件的荷載-位移曲線如圖2所示。試驗(yàn)開始后壓力逐步增大，剛度提高直至進(jìn)入線彈性階段。試件在到達(dá)抗壓極限強(qiáng)度后存在“平臺(tái)”階段，表明該試件在順紋抗壓試驗(yàn)中具有一定的延性。試驗(yàn)中試件的破壞模式分別為試件中部形成楔形劈裂后延展至整個(gè)試件(圖3(a))；試件端部壓潰而發(fā)生搓動(dòng)(圖3(b))；沿著木材紋路，在試件中形成一條貫通試件的縱向裂縫(圖3(c))。

圖2 順紋抗壓荷載-位移曲線

圖3 順紋抗壓破壞模式

1.2 順紋抗拉試驗(yàn)

改性橡膠木順紋抗拉試驗(yàn)共30個(gè)試件，根據(jù)《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1938—2009)[8]加工成標(biāo)準(zhǔn)試件(圖4)。試件豎直地安裝于試驗(yàn)機(jī)上(圖5)。

圖4 順紋抗拉試件

圖5 順紋抗拉試驗(yàn)

改性橡膠木順紋抗拉試件的荷載-位移曲線(圖6(a))具有明顯的雙線性性質(zhì)，且試件的破壞均為脆性破壞。該試驗(yàn)的破壞模式分為兩種：荷載達(dá)到極限承載力時(shí)在試件的中部出現(xiàn)一條垂直于試件的裂紋并被拉斷(圖6(b))，達(dá)到極限承載力時(shí)試件中部出現(xiàn)斜裂縫并被拉斷(圖6(c))。

圖6 順紋抗拉試驗(yàn)結(jié)果

1.3 順紋抗剪試驗(yàn)

根據(jù)《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1937—2009)[9]，改性橡膠木順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)共制作30個(gè)試件(圖7)。將試件安裝于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上(圖8)進(jìn)行順紋抗剪試驗(yàn)。

圖7 順紋抗剪試件

圖8 順紋抗剪試驗(yàn)

改性橡膠木順紋抗剪強(qiáng)度比例極限及彈性模量的計(jì)算方法同順紋抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得改性橡膠木順紋抗剪極限承載力和彈性模量平均值分別為10.1MPa和351MPa，對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為16.7%和11.7%。

順紋抗剪試驗(yàn)所得荷載-位移曲線見圖9(a)，可以看出，在試驗(yàn)開始階段，荷載與位移成直線關(guān)系，體現(xiàn)出試件具有良好且穩(wěn)定的線性性能。在荷載到達(dá)試件的極限承載力時(shí)試件突然發(fā)生斷裂，曲線呈現(xiàn)出斷崖式下降。破壞模式均為試件沿著木材紋路發(fā)生滑動(dòng)，并最終劈裂成兩塊較小的部件(圖9(b),(c))。需注意此位移為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的裝置位移，并非為實(shí)際剪切面的位移。

圖9 順紋抗剪試驗(yàn)結(jié)果

2 抗彎試驗(yàn)

2.1 清材抗彎試驗(yàn)

清材抗彎試驗(yàn)分為抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎彈性模量試驗(yàn)(圖10、圖11)。根據(jù)《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1—2009)[10]共制作了30個(gè)試件，改性橡膠木清材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)采用跨中單點(diǎn)位移加載。依據(jù)《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》(GB/T 1936.2—2009)[11]，對(duì)前述30個(gè)試件做了抗彎彈性模量的測(cè)試，采用荷載控制的循環(huán)加載模式?？箯潖椥阅Ａ吭囼?yàn)完成后再進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，并加載至試件破壞。

圖10 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

圖11 抗彎彈性模量試驗(yàn)

通過改性橡膠木抗彎彈性模量試驗(yàn)得到，試件彈性模量平均值為20 098MPa，對(duì)應(yīng)變異系數(shù)為11.6%。通過抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)得到，試件抗彎極限強(qiáng)度平均值為82.1MPa，對(duì)應(yīng)變異系數(shù)為13.0%。

在改性橡膠木清材抗彎試驗(yàn)中，試件的典型破壞模式共有兩種。隨著施加荷載的提高抗彎試件變形持續(xù)變大(圖12(a))，當(dāng)荷載值到達(dá)試件的極限承載力時(shí)部分試件發(fā)生斷面底部突然斷裂且斷裂面呈鋸齒狀(圖12(b))，另有部分試件發(fā)生斷面底部?jī)蓚?cè)斷裂斜向貫通的情況(圖12(c))。由荷載-位移曲線(圖12(a))可知，改性橡膠木在承受彎矩作用時(shí)具有穩(wěn)定的線性性能并在達(dá)到峰值點(diǎn)后突然斷裂，破壞類別屬于脆性破壞。

（一）在識(shí)字教學(xué)中，要充分利用孩子愛想象地特點(diǎn)激發(fā)他們用自己的方法記憶漢字，并加以引導(dǎo)：根據(jù)字形，字的結(jié)構(gòu)，各部分所表達(dá)的意思等來識(shí)記漢字。

圖12 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 足尺梁抗彎試驗(yàn)

為了進(jìn)一步考慮改性橡膠木在工程實(shí)際中的情況，更好地研究由改性橡膠木制成的構(gòu)件在實(shí)際工程中的力學(xué)性能，在清材抗彎試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了足尺梁抗彎試驗(yàn)?；谏鲜龈黝惒男栽囼?yàn)所得結(jié)果，對(duì)8根由改性橡膠木制成的木梁進(jìn)行足尺抗彎性能試驗(yàn)，梁截面尺寸為150mm×150mm，為層板膠合木。單層層板厚度為30mm，共5層，組坯方式為同等組合。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法》(GB/T 50329—2012)[12]，采用兩點(diǎn)單調(diào)加載方式且加載模式為位移控制法(圖13)。

圖13 改性橡膠木梁足尺抗彎試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)得各個(gè)試件彈性模量及極限抗彎強(qiáng)度，見表1。由表1可知，改性橡膠木木梁足尺抗彎試驗(yàn)彈性模量平均值為7 282MPa，變異系數(shù)為20.3%；抗彎極限強(qiáng)度平均值為29.6MPa，變異系數(shù)為13.2%。

在改性橡膠木木梁足尺抗彎試驗(yàn)中，木梁的破壞形式呈現(xiàn)出兩種類型。在試驗(yàn)荷載達(dá)到木梁的極限承載力時(shí)，木梁底部的跨中部位指接處發(fā)生斷裂然后整根木梁斷裂(圖14(a))；在木梁底部存在木節(jié)，使得該點(diǎn)在試驗(yàn)時(shí)處于應(yīng)力集中狀態(tài)而率先發(fā)生破壞，而后截面削弱導(dǎo)致整根木梁斷裂(圖14(b))。在試驗(yàn)開始初期所施加的荷載較小，所有木梁均表現(xiàn)出極好的線彈性性能，跨中撓度荷載-位移曲線呈一條筆直的線段。在試驗(yàn)荷載達(dá)到木梁的極限承載力時(shí)，木梁中部純彎段發(fā)生破壞。梁的破壞為脆性破壞。

各改性木梁抗彎試驗(yàn)結(jié)果/MPa 表1

圖14 木梁抗彎破壞圖

清材材性試驗(yàn)與足尺木梁抗彎試驗(yàn)所得抗彎模量及抗彎極限強(qiáng)度見表2。由表2可以看出，清材材性試驗(yàn)所得到的抗彎極限強(qiáng)度及彈性模量均遠(yuǎn)大于足尺木梁抗彎試驗(yàn)。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要有：1)木梁是由多層木板膠接且同層接頭處使用指接技術(shù)拼接而成，由于指接技術(shù)及工藝的相對(duì)不成熟造成此處的性能削弱；2)清材小試件中并無木節(jié)或其他明顯初始缺陷的存在，在試驗(yàn)中避免或減少了因初始缺陷而導(dǎo)致的破壞情況。

抗彎性能試驗(yàn)值對(duì)比/MPa 表2

將改性橡膠木作為結(jié)構(gòu)用材需要進(jìn)一步開展以下工作：1)改進(jìn)指接技術(shù)及工藝，加強(qiáng)指接的強(qiáng)度；2)建立合理的材料分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，減少木材中缺陷的影響；3)對(duì)每一種分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行足量試驗(yàn)以獲得具有足夠可靠性保證的各級(jí)強(qiáng)度值。

3 力學(xué)性能比較

將改性橡膠木材性試驗(yàn)所得到的結(jié)果與市面上常見的木/竹材力學(xué)性能試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比(表3)。由表3可以看出，對(duì)于抗彎彈性模量，改性橡膠木對(duì)比于其余三種木/竹材均具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其數(shù)值接近于落葉松[13]及膠合竹[14]彈性模量的兩倍。在抗壓以及抗拉性能方面，改性橡膠木與常規(guī)木/竹材具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。改性橡膠木的順紋抗剪強(qiáng)度也略高于速生楊[15]。

改性橡膠木與常見木/竹材力學(xué)性能試驗(yàn)值對(duì)比/MPa 表3

4 可靠度分析

承載力設(shè)計(jì)值由試驗(yàn)所得的材料強(qiáng)度通過可靠度分析后除以適當(dāng)?shù)目沽Ψ猪?xiàng)系數(shù)而得，需按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)[16](簡(jiǎn)稱建筑可靠性標(biāo)準(zhǔn))和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)[17](簡(jiǎn)稱木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn))中確定材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的方法來計(jì)算。

木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中各類承載力的可靠指標(biāo)如表4所示，其值亦滿足建筑可靠性標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)表明影響木結(jié)構(gòu)抗力的主要因素見表5。而木構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)可取KP，KA，KQ1，KQ2，KQ3，KQ4(各符號(hào)含義見表5)，故改性橡膠木經(jīng)過可靠度分析后的各項(xiàng)承載力設(shè)計(jì)值取值見表6。

木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中各類承載力的可靠指標(biāo) 表4

木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中木構(gòu)件抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù) 表5

改性橡膠木承載力設(shè)計(jì)值/MPa 表6

表6中設(shè)計(jì)值指標(biāo)均通過清材試驗(yàn)獲得，如用于指接拼接而成的大尺寸構(gòu)件，需保證指接節(jié)點(diǎn)具有足夠的可靠性，且改性橡膠木的各項(xiàng)承載力數(shù)值會(huì)隨著具體改性工藝的變化而變化。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)改性橡膠木進(jìn)行材性試驗(yàn)及足尺木梁抗彎試驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范計(jì)算得到各類材性試驗(yàn)強(qiáng)度及彈性模量和足尺構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度及彈性模量，得到如下結(jié)論：

(1)改性橡膠木具有較強(qiáng)的順紋受壓強(qiáng)度、順紋受拉強(qiáng)度、順紋受剪強(qiáng)度和良好的彈性模量，可與常見的木/竹材的性能相媲美。

(2)試驗(yàn)顯示改性橡膠木也具有明顯的脆性破壞特性，當(dāng)其應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)中時(shí)應(yīng)該充分考慮其特性。

(3)為了推動(dòng)改性橡膠木在實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，需建立合理的材料分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并通過試驗(yàn)獲得具有足夠可靠性保證的各級(jí)強(qiáng)度值。

(4)因不同的改性工藝會(huì)對(duì)橡膠木造成不同的影響，本文的研究結(jié)論只適用于本文所述試驗(yàn)所采用的改性橡膠木材料。