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        不同竹齡的赤水楠竹力學(xué)性能試驗(yàn)分析

        2024-03-24 17:23:00黃培東郭麗娟陳俊生梁中勇
        四川水泥 2024年3期
        關(guān)鍵詞:楠竹順紋赤水

        黃培東 郭麗娟 陳俊生 梁中勇 劉 勇

        (1遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 遵義 563000;2貴州交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,貴州 貴陽 560000)

        0 引言

        在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)及節(jié)能降耗的大背景下,建筑行業(yè)應(yīng)當(dāng)積極探索可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)之路。目前,建筑工程所使用的材料如水泥、鋼材、混凝土等都會(huì)不同程度地破壞環(huán)境,特別是鋼材,不僅在開采階段會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境,在提煉階段也會(huì)產(chǎn)生大量有害廢氣殘?jiān)?,給環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此,探索和發(fā)掘新型工程材料勢(shì)在必行。

        竹材是世界上生長(zhǎng)速度最快的植物之一,將其作為工程材料古來有之,但在改革開放之后追求建筑強(qiáng)度和建筑高度的情況下,很少將其作為工程材料,但其強(qiáng)度高、自重輕、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)可能使其在今后“重生態(tài)輕建設(shè)”的大環(huán)境下會(huì)再次成為重要建筑材料。

        目前已有大量學(xué)者開始重視竹材在工程中的應(yīng)用研究,毛筱霏[1]立足于竹材在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用,分析了西北地區(qū)夯筑遺址加固中楠竹錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律;肖巖等[2]著眼于竹結(jié)構(gòu)的研究,分析了現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并進(jìn)行了展望;鄒立華等[3]創(chuàng)造型地探索了竹筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能,重點(diǎn)分析了不同配筋率下竹筋混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)規(guī)律。

        本文以赤水河沿岸盛產(chǎn)的楠竹作為研究對(duì)象,重點(diǎn)通過試驗(yàn)分析不同竹齡(3~9 年)赤水楠竹的橫順紋受壓、順紋受拉、橫紋受彎特性,意在總結(jié)赤水楠竹力學(xué)特性隨生長(zhǎng)年限的變化規(guī)律,為后期竹材的應(yīng)用提供選材參考。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 竹材選取

        本文主要考慮竹材在工程中的幾種受力形式,重點(diǎn)分析不同竹齡的赤水楠竹在橫順紋抗壓試驗(yàn)、順紋抗拉試驗(yàn)、橫紋抗彎試驗(yàn)下的力學(xué)性能及其變化規(guī)律。試驗(yàn)前,到赤水河沿岸選取長(zhǎng)勢(shì)正常無病害、胸徑(伐根至1.3m處直徑)大于100mm的3~9年竹齡楠竹各10株,每珠截取胸徑以上2.8m 含11個(gè)竹節(jié)的試材,用塑料薄膜包裹后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后,在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干。風(fēng)干后首先去除兩端留帶竹節(jié)并延伸20mm 的8段竹筒,按Ⅰ至Ⅷ的順序,從根部到端部依次編號(hào)[4],如圖1所示。

        圖1 竹筒編號(hào)

        圖1 中,Ⅰ、Ⅷ兩節(jié)竹筒用于測(cè)試順紋抗拉強(qiáng)度,Ⅱ、Ⅶ兩節(jié)竹筒用于測(cè)試抗彎強(qiáng)度,Ⅲ、Ⅵ用于測(cè)試順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度。

        1.2 試件處理

        竹材自然風(fēng)干后按照《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》要求將其加工成對(duì)應(yīng)試驗(yàn)所需尺寸,然后再用烘干機(jī)將所有試件進(jìn)行脫水并進(jìn)行稱重,最后再將稱完重的風(fēng)干試件放在自然環(huán)境中存放,讓其回到自然風(fēng)干狀態(tài),再稱重進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)并記錄各試件含水率,含水率按公式(1)進(jìn)行計(jì)算,精確到0.1。

        式中:ω——含水率,%;

        m1——試件試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量,g;

        m0——試件全干狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量,g。

        1.3 計(jì)算方法

        對(duì)各試件進(jìn)行試驗(yàn)以后,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,試件尺寸及計(jì)算方法如表1所示。

        表1 試件尺寸及計(jì)算方法

        1.4 誤差處理

        試驗(yàn)過程中難免存在誤差或偶然情況,因此需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行變異性驗(yàn)算,如果變異系數(shù)滿足表2 要求則試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠性,否則試驗(yàn)無效。

        表2 各試驗(yàn)對(duì)應(yīng)變異系數(shù)最大允許值

        在計(jì)算變異系數(shù)時(shí)首先需要根據(jù)公式(2)求出試驗(yàn)結(jié)果平均值:

        n——試樣的數(shù)量。

        按照公式(3)和公式(4)計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差及平均值標(biāo)準(zhǔn)差:

        式中:S——標(biāo)準(zhǔn)差;

        Si——平均值標(biāo)準(zhǔn)差。

        最后根據(jù)公式5求出變異系數(shù)V。

        2 試驗(yàn)結(jié)果修正及分析

        2.1 竹齡對(duì)橫紋抗壓強(qiáng)度的影響

        2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果修正方法

        根據(jù)試驗(yàn)要求,需要計(jì)算竹材自然風(fēng)干狀態(tài)下即含水率為12%時(shí)的橫紋抗壓強(qiáng)度,但在實(shí)際試驗(yàn)過程中不可能保證每個(gè)試件的含水率都剛好為12%,而含水率對(duì)竹材抗壓強(qiáng)度影響較大。因此,需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。橫紋抗壓強(qiáng)度按公式(6)和公式(7)進(jìn)行修正,結(jié)果精確至0.1N/mm2。試樣含水率在5%~30%之間,按該公式計(jì)算有效。

        式中:fc,90,12——含水率為12%時(shí)的橫紋抗壓比例極限應(yīng)力,N/mm2;

        kfc,90,w——竹材弦向橫紋比例極限應(yīng)力含水率修正系數(shù);

        W——試樣含水率,%。

        2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        試驗(yàn)時(shí)所有試件含水率均在12%左右,只存在細(xì)微差別,滿足橫紋抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)關(guān)于含水率處于5%~30%之間的條件,同時(shí),變異系數(shù)最大為9 年竹齡楠竹的16,小于規(guī)定的20,試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效可靠。為更加直觀分析橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化規(guī)律,將表3 繪制成圖2所示曲線。

        表3 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時(shí)橫紋抗壓試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        圖2 橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

        結(jié)合表3和圖2可以看出:赤水楠竹橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化較為明顯,在竹齡未達(dá)到5 年前,橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡的增加而增大,且3~4 年階段增長(zhǎng)較快,4~5 年階段增長(zhǎng)較為緩慢;竹齡超過5 年后,橫紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡的增加而減小,特別是竹齡超過7 年后,橫紋抗壓強(qiáng)度減小趨勢(shì)尤為明顯,超過8 年竹齡的楠竹其橫紋抗壓強(qiáng)度已經(jīng)減小到不足15MPa 的水平,說明超過8 年的楠竹已經(jīng)嚴(yán)重脆化,工程上應(yīng)該杜絕使用超過8 年的赤水楠竹;在赤水楠竹的整個(gè)生長(zhǎng)過程中,5年左右竹齡的竹材其橫紋抗壓強(qiáng)度最大,當(dāng)工程上使用竹材需受橫向壓力時(shí),應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮使用5 年左右竹齡的竹材。

        2.2 竹齡對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的影響

        2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果修正方法

        同橫紋抗壓強(qiáng)度一樣,順紋抗壓抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)也需要計(jì)算自然風(fēng)干狀態(tài)下即含水率為12%時(shí)的抗壓強(qiáng)度,需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。順紋抗壓強(qiáng)度按公式(8)和公式(9)進(jìn)行修正,結(jié)果精確至0.1N/mm2。試樣含水率在5%~30%之間,按該公式有效。

        式中:fc,12——含水率為12%時(shí)的順紋抗壓比例極限應(yīng)力,N/mm2;

        kfc,w——竹材弦向順紋比例極限應(yīng)力含水率修正系數(shù);

        W——試樣含水率,%。

        2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時(shí)的順紋抗壓強(qiáng)度如4表所示。

        將赤水楠竹含水率為12%時(shí)的順紋抗壓強(qiáng)度繪制成隨竹齡變化的曲線如圖3所示。

        圖3 順紋抗壓強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

        結(jié)合表4和圖3可以看出,赤水楠竹在竹齡未達(dá)到5 年前,其順紋抗壓強(qiáng)度呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),當(dāng)竹齡超過5 年后,其順紋抗壓強(qiáng)度又呈明顯下降趨勢(shì),竹齡為5年的赤水楠竹其順紋抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他竹齡段.因此,當(dāng)工程上需要使用赤水楠竹作為順紋抗壓材料時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮使用5 年竹齡的赤水楠竹。除此之外,結(jié)合圖2 和圖3 可以看出,相同竹齡段的赤水楠竹,當(dāng)都處于自然風(fēng)干狀態(tài)(含水率為12%)時(shí),順紋抗壓強(qiáng)度較橫紋抗壓強(qiáng)度高。

        表4 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時(shí)順紋抗壓試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        2.3 竹齡對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度的影響

        2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果修正方法

        由于試樣的含水率存在細(xì)微差異,因此,與抗壓試驗(yàn)相同,需將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。把所有試件抗拉強(qiáng)度均轉(zhuǎn)化成含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度,當(dāng)含水率在5%~20%之間時(shí)按公式(10)和公式(11)進(jìn)行修正,精確至0.1N/mm2。

        式中:ft,12——含水率為12%時(shí)的順紋抗拉強(qiáng)度,N/mm2;

        kft,w——竹材順紋抗拉強(qiáng)度含水率修正系數(shù);

        W——含水率,%。

        2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時(shí)的順紋抗拉強(qiáng)度如5所示。

        根據(jù)表5 和圖4 可以看出:當(dāng)竹齡低于5 年時(shí),雖然順紋抗拉強(qiáng)度隨竹齡的增長(zhǎng)存在增大的趨勢(shì),但增幅并不大,赤水楠竹的順紋抗拉強(qiáng)度基本處于較高水平;當(dāng)竹齡超過5 年后,赤水楠竹的順紋抗拉強(qiáng)度開始明顯下降;當(dāng)竹齡超過8 年時(shí),順紋抗拉強(qiáng)度已經(jīng)降低到5 年時(shí)的50%左右,其原因可能是竹材隨著竹齡增長(zhǎng)后逐漸脆化的結(jié)果。

        表5 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時(shí)順紋抗拉試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        圖4 順紋抗拉強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

        除此之外,結(jié)合圖2~4 不難看出,赤水楠竹抗拉強(qiáng)度明顯比同等條件下的抗壓強(qiáng)度要大,因此,工程上應(yīng)盡可能使赤水楠竹作為受拉構(gòu)件而不是受壓構(gòu)件。

        2.4 竹齡對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

        工程上竹材作為受彎構(gòu)件比較普遍,如竹材腳手板等,研究竹材受彎力學(xué)性能具有實(shí)用意義。

        2.4.1 試驗(yàn)結(jié)果修正方法

        由于試樣的含水率存在細(xì)微差異,因此,與其他試驗(yàn)相同,需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。把所有試件抗拉強(qiáng)度均轉(zhuǎn)化成含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度,當(dāng)含水率在5%~20%之間時(shí)按公式(12)和公式(13)進(jìn)行修正,精確至0.1N/mm2。

        式中:kfm,w——竹材順紋抗彎強(qiáng)度含水率修正系數(shù)。

        2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照要求整理之后編制成表6,由表6可知:3~9 年楠竹抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)的變異系數(shù)在8~13 之間,符合小于15的要求。

        表6 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時(shí)的橫紋抗彎試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        為了直觀分析赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡的變化規(guī)律,將表6數(shù)據(jù)繪制成如圖5所示的赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡變化曲線。

        圖5 赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡變化曲線

        結(jié)合表6 和圖5 可以看出,3~9 竹齡段的赤水楠竹其橫紋抗壓強(qiáng)度變化幅度不大,除9 年以外,其他均在140~180MPa 間,特別是4~7 年的赤水楠竹,不僅強(qiáng)度變化幅度不大,且強(qiáng)度較高,都在160MPa以上。因此,當(dāng)在工程上考慮應(yīng)用赤水楠竹作為受彎構(gòu)件時(shí),應(yīng)該優(yōu)先考慮4~7竹齡段的赤水楠竹。

        3 結(jié)束語

        本文通過對(duì)3~9 年生赤水楠竹進(jìn)行橫紋和順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、橫紋抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)得出如下結(jié)論:

        (1)同等條件下,赤水楠竹順紋抗壓強(qiáng)度明顯強(qiáng)于橫紋抗壓強(qiáng)度。

        (2)無論是赤水楠竹的順紋抗壓強(qiáng)度還是橫紋抗壓強(qiáng)度,隨著竹齡的增長(zhǎng)均有先增大后減小的變化趨勢(shì),且5 年生赤水楠竹的橫順紋抗壓強(qiáng)度都較其他竹齡段高。

        (3)3~9 年赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度整體較高,均超過了100MPa,且隨著竹齡的增長(zhǎng)有先緩慢增大后快速下降的趨勢(shì),其中5 年生赤水楠竹順紋抗拉強(qiáng)度最大,達(dá)到了241.62MPa。

        (4)赤水楠竹橫紋抗彎強(qiáng)度隨竹齡的變化幅度不大,但仍表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),特別是4~7 年階段,強(qiáng)度均超過了160MPa,但各竹齡間差異較小。

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