重組竹短期蠕變性能研究

孫麗惟，卞玉玲，周愛萍*，朱彥

(1.南京林業大學生物質材料國家地方聯合工程研究中心，南京210037；2.無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫214153)

重組竹是將原竹沿順紋方向疏解成疏松網狀纖維束后，按順紋方向組坯，經熱壓或冷壓膠合而成的高強竹基復合材料[1-3]。隨著其結構設計體系研究[4-6]的不斷深入，已逐步應用于建筑結構主體。在正常使用條件下，結構材料將不可避免地因外界荷載及環境溫濕度共同作用而產生蠕變。因此，明確重組竹在不同溫度及應力水平下的蠕變性能對于重組竹結構體系的推廣尤為重要。

蠕變一詞由da C Andrade[7]于1910年提出，隨后國外學者針對不同材料的蠕變進行了較為深入的研究，將蠕變分為瞬態蠕變、穩態蠕變及加速蠕變3個階段，得到了典型蠕變曲線[8]。國內對于木材蠕變性能的研究起步較早，目前已形成了較為成熟的理論體系[9-10]。因竹、木材料具有相似的內部結構，故竹材蠕變性能的研究可參考木材。陳世英等[11]以竹材刨花板為研究對象，分析發現竹材刨花板的蠕變性能符合黏彈性理論。以Burgers模型為擬合依據，喻云水等[12]通過干濕兩狀態下的竹膠合板模板短期受彎蠕變試驗，得出了竹膠合板模板在干濕兩狀態下的蠕變規律。涂道伍等[13-14]以毛竹為研究對象，分析了在不同應力水平、溫度及含水率下毛竹橫紋壓縮蠕變特性，結果表明：當壓應力在屈服極限以下時，毛竹橫紋壓縮蠕變三組分總量均與壓應力、溫度及含水率成正比，Burger模型用以擬合毛竹橫紋壓縮蠕變精確性較高。張曉敏等[15]綜合考慮溫濕度、含水率及竹節對毛竹徑向壓縮蠕變性能的影響，得出了不同溫濕度條件下的蠕變規律。對于毛竹短期拉伸蠕變性能，閆薇等[16-17]以應力水平對其的影響進行了試驗研究，確定了竹材短期拉伸蠕變中Burgers模型參數值。上述研究結果均表明，低應力水平下Burgers模型可很好地描述毛竹蠕變性能。李磊[18]和李玉順等[19]分別對膠合竹及重組竹進行了長期蠕變性能研究，結果表明，Burgers模型在膠合竹梁的長期蠕變試驗中擬合結果較為準確，而Findley模型在重組竹的長期蠕變試驗中擬合結果較為準確。

上述研究主要局限于毛竹和竹材膠合板，對于類似重組竹材的蠕變性能研究相對較少，傳統長期蠕變試驗是將大型構件置于室外，采用單一加載方式(多為受彎)對其施加恒定荷載，缺乏同時具有重組竹拉、壓、彎全面單軸受力方式的蠕變研究，且因簡化了季節變化引發的溫度波動等影響因素，得到的試驗結果難以較好地反映實際情況。因此，筆者以重組竹小試件為研究對象，通過重組竹不同應力水平下24 h短期蠕變試驗，得出蠕變應變-時間曲線及蠕變量-時間曲線，并以Burgers模型為基礎，對其短期蠕變試驗結果進行擬合。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以江西省奉新縣4年生毛竹經工業化加工的同批次重組竹材為試驗材料，參照美國標準ASTM D143，綜合考慮蠕變試驗機內腔尺寸制備重組竹蠕變試件。每組應力水平設置3個平行試件，如圖1所示。

圖1 試件形狀及尺寸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of specimen shape and size

1.2 試驗設備與方法

選用深圳三思縱橫50 kN微機控制電子蠕變持久試驗機進行蠕變試驗，產品型號為UTM5504-GD；選用量程為50 mm的Reliant引伸計進行變形測量。

對重組竹進行不同應力水平下的順紋拉伸、壓縮及彎曲試驗。將溫度和相對濕度統一調節為25 ℃和60%，拉伸、彎曲應力水平統一設置為15%，30%，60%及70%，壓縮應力水平統一設置為15%，30%及60%，時間統一調節為24 h，以避免高溫或高應力水平下試件因蠕變速率加快而中途破壞。每個試件在試驗前預先按照目標溫濕度置于環境箱中調置1 h。

對于順紋受拉蠕變試驗，由材性試驗可得重組竹順紋受拉極限強度ft=145.49 MPa，調節應力水平分別為15%ft、30%ft、60%ft及70%ft。

對于順紋受壓蠕變試驗，由材性試驗可得重組竹順紋受壓極限強度fc=102.36 MPa。調節應力水平分別為15%fc、30%fc及60%fc。

對于三點受彎蠕變試驗，由材性試驗可得重組竹三點受彎極限荷載Fb=561.36 N。調節荷載分別為15%Fb、30%Fb、60%Fb及70%Fb。

順紋受壓、順紋受拉、三點受彎試驗均分為加載和保載兩階段，加載階段獲得初始變形，保載階段持續變形。順紋受壓和順紋受拉試驗采用引伸計測量其中部50 mm范圍內的變形，三點受彎試驗采用試驗機作動器記錄變形，由此繪制蠕變應變-時間曲線及蠕變量-時間曲線。

2 結果與分析

2.1 順紋受拉蠕變結果

選取不同應力水平下的典型順紋受拉蠕變應變-時間曲線，如圖2所示。

圖2 順紋受拉蠕變曲線Fig. 2 Creep curves of tensile along grain direction

由圖2a可知，15%及30%較低應力水平下，蠕變應變-時間曲線走勢相同，只包含瞬態及穩態蠕變2個階段。15%應力水平下，重組竹初始蠕變應變為1.25×10-3左右，達到穩態階段所用時間為2 h，2 h后材料進入變形穩定階段，基本維持在1.30×10-3不變；30%應力水平下，重組竹初始蠕變應變為2.5×10-3左右，達到穩態階段所用時間為3 h，隨后基本維持在2.7×10-3左右。這表明較低應力水平下，重組竹初始蠕變應變及蠕變應變總量與應力水平呈線性正相關關系，達到穩態階段后重組竹幾乎不再發生變形及破壞，其內部細胞間孔隙、纖維及基體在歷經初始變形后能夠維持穩定，具有良好的抵抗蠕變變形的能力。60%應力水平下，材料雖未破壞，但曲線已具有加速蠕變趨勢，說明較高應力水平下，重組竹蠕變不穩定性增強，抵抗蠕變性能有所降低。

由圖2b可知，70%較高應力水平下，重組竹內部纖維先后發生斷裂，最終僅在2.5 h內被拉斷，破壞呈脆性斷裂，說明較高應力水平對材料拉伸蠕變性能影響較大，使其表現出明顯的破壞趨勢。因此，較低應力水平下，重組竹拉伸抗蠕變性能明顯優于較高應力水平，設計時應控制抗拉構件尺寸，確保其處于較低工作應力水平下，以利于其發揮自身抗蠕變性較高的優勢。

2.2 順紋受壓蠕變結果

選取不同應力水平下典型順紋受壓蠕變應變-時間曲線，如圖3所示。

由圖3a可知，15%應力水平下，順紋受壓與順紋受拉曲線趨勢大致相同，僅包含瞬態及穩態蠕變2個階段，初始蠕變應變為4.3×10-3左右，曲線斜率在0.1 h瞬態蠕變階段內迅速減小，0.1～10 h逐步減小，10 h后趨于平穩；30%應力水平下，材料瞬態階段變形量較大，達到穩態階段的時間較長。

由圖3b可知，60%較高應力水平下，材料表現出瞬態及穩態蠕變。試驗后期曲線斜率迅速增加，變形急劇增大至破壞。不同于順紋受拉試件，材料在順紋受壓時抵抗壓力的時間較長，這是由于重組竹受壓呈非線性，具有明顯的破壞征兆，內部孔隙被不斷壓密，膠層開裂或纖維被逐步壓潰直至與基體分離。對比順紋受拉和順紋受壓兩試驗結果可知，重組竹抵抗受拉蠕變的能力較強，為降低其蠕變性能對結構的影響，在設計受壓構件時，應盡量控制其處于較低應力水平。

圖3 順紋受壓蠕變曲線Fig. 3 Creep curves of compression along grain direction

2.3 三點受彎蠕變結果

選取不同應力水平下典型三點彎曲蠕變量-時間曲線，如圖4所示。

由圖4a可知，15%及30%較低應力水平下，蠕變量-時間曲線走勢較為平緩，僅包含瞬態及穩態蠕變2個階段。15%應力水平下，重組竹初始蠕變量為2.91 mm，約0.5 h后達到3.03 mm，隨后維持在3.0 mm左右直至試驗結束；30%應力水平下，重組竹初始蠕變量為5.88 mm，約為15%時的2倍，約0.5 h后達到6.13 mm，隨后維持在該值直至試驗結束。由此可知，較低應力水平下，重組竹初始蠕變量與應力水平呈正比，且具有較好的抵抗蠕變變形能力。相比較低應力水平，在60%應力水平下，曲線已具有加速蠕變趨勢，即較高應力水平下，重組竹蠕變不穩定性增強，抵抗蠕變的能力有所降低。

圖4 三點受彎蠕變曲線Fig. 4 Creep curves of three-point bending

由圖4b可知，70%較高應力水平下，重組竹表現出瞬態、穩態及加速蠕變3個階段。4.2 h左右曲線斜率迅速增加，試件跨中變形急劇增大，下部纖維先后斷裂直至破壞。與順紋受拉及順紋受壓不同，重組竹在三點受彎情況下，具有較高的蠕變初始量。對比較高應力水平下3種加載方式的蠕變曲線可知，順紋受壓蠕變曲線的第3階段時間最長，三點受彎次之，順紋受拉最短，這與其最終的破壞形式有關。

3 模型驗證

3.1 Burgers模型簡介

Burgers模型[8]是一個由Maxwell模型及Kelvin模型串聯組成的四元件力學模型，能較好地描述重組竹材料的黏彈性行為，如圖5所示。

η1和η2分別為黏性元件的黏性系數；E1和E2分別為彈性元件的彈性模量。圖5 Burgers模型Fig. 5 Burgers model

該模型的本構方程為：

σ+p1σ+p2σ=q1ε+q2ε

(1)

將式(1)作Laplace變換，當t=0時，可得：

(2)

式中：ε(t)為應變；σ0為保載階段的應力值。當應力不變時，Burgers模型可轉化為：

ε(t)=A+B(1-e-Ct)+Dt

(3)

式中：A為瞬時彈性變形；B為延遲彈性變形；C為黏彈系數；D為黏性系數。A和D可反映彈性形變和黏性形變；B和C可反映黏彈性形變。

3.2 模型擬合曲線

3.2.1 順紋受拉蠕變模型擬合

基于Burgers模型的重組竹短期順紋受拉蠕變曲線擬合結果及擬合參數如圖6及表1、2所示。

圖6 順紋受拉蠕變擬合曲線Fig. 6 Creep fitting curves of tensile along grain direction

表1 不同應力水平順紋受拉蠕變擬合參數結果Table 1 Creep fitting parameters of tensile along grain direction at different stress levels

表2 不同應力水平順紋受拉不同部分蠕變值Table 2 Creep values of different parts of tensile along grain direction at different stress levels %

由圖6及表1可知，對于只具有瞬態及穩態蠕變階段的重組竹受拉蠕變試驗，Burgers模型擬合所得曲線與試驗曲線趨勢相同，擬合決定系數(R2)均在0.96～1.00，能夠與試驗結果良好吻合。將表1中的參數代入式(3)可得各對應情況下的蠕變量，如表2所示。由表2可知，對于順紋受拉試驗而言，重組竹蠕變總量、彈性應變及黏性應變均隨應力水平的升高而增大，說明應力水平的升高會對重組竹受拉蠕變產生不利影響。

3.2.2 順紋受壓蠕變模型擬合

基于Burgers模型的重組竹短期順紋受壓蠕變曲線擬合結果及擬合參數如圖7及表3、4所示。

由圖7及表3可知，參數A隨應力水平的升高而變大，即應力水平越高，蠕變變形量中的彈性變形越大，彈性應變與應力水平基本呈線性關系。對于只具有瞬態及穩態蠕變階段的重組竹順紋受壓蠕變試驗，Burgers模型擬合所得曲線與試驗曲線趨勢相同，擬合決定系數均在0.96～1.00，能夠與試驗結果良好吻合。將表3中的數據代入式(3)可得各組分蠕變值，如表4所示。由表4可知，重組竹彈性應變、黏彈性應變、黏性應變及蠕變總量均隨應力水平的升高而變大，說明較高應力水平會增加重組竹材的蠕變量，產生不利的影響。

圖7 順紋受壓蠕變擬合曲線Fig. 7 Creep fitting curves of compress along grain direction

表3 不同應力水平順紋受壓蠕變擬合參數結果Table 3 Creep fitting parameters of compress along grain direction at different stress levels

表4 不同應力水平順紋受壓不同部分蠕變值Table 4 Creep values of different parts of compress along grain direction at different stress levels %

3.2.3 三點受彎蠕變模型擬合

基于Burgers模型的重組竹短期三點受彎蠕變曲線擬合結果及擬合參數如圖8及表5、6所示。

圖8 三點受彎蠕變擬合曲線Fig. 8 Fitting curves of three-point bending creep

表5 不同應力水平三點受彎蠕變擬合參數Table 5 Creep fitting parameters of three-point bending at different stress levels

表6 不同應力水平三點受彎不同部分蠕變值Table 6 Creep values of different parts of three-point bending at different stress levels %

由圖8及表5可知，對于只具有瞬態及穩態蠕變階段的重組竹三點彎曲蠕變試驗，Burgers模型擬合所得曲線與試驗曲線趨勢相同，擬合相關系數均在0.97～1.0，能夠與試驗結果良好吻合。將表5中的數據代入式(3)可得各組分蠕變值，如表6所示。由表6可知，三點受彎蠕變試驗中應力水平對重組竹彈性應變、黏彈性應變及黏性應變3個部分蠕變值及蠕變總量的影響規律與順紋受拉和順紋受壓蠕變相同，黏彈性形變均隨應力水平的升高而增大。

4 結 論

1)溫濕度一定時，對于順紋受拉、順紋受壓、三點受彎試驗，在較低應力水平下，蠕變只包含瞬態及穩態蠕變2個階段，初始蠕變應變及蠕變應變總量與應力水平呈線性正相關關系，達到穩態階段后重組竹幾乎不再發生變形及破壞，具有良好的抵抗蠕變變形的能力。在較高應力水平下，重組竹蠕變不穩定性增強，抵抗蠕變性能有所降低，設計時應控制構件尺寸，確保其處于較低工作應力水平下，以利于其發揮自身抗蠕變性較高的優勢。

2)對比順紋受拉、順紋受壓、三點受彎3種受力情況，順紋受拉破壞呈脆性，無明顯的破壞征兆，順紋受壓、三點受彎均具有一定的破壞征兆。在較高應力水平下，順紋受壓蠕變曲線第三階段時間最長，三點受彎次之，順紋受拉最短。

3)Burgers模型對于僅包含瞬態及穩態蠕變階段的重組竹短期蠕變性能擬合程度較高，擬合決定系數均為0.96～1.0，能夠較好地表現重組竹短期蠕變性能。重組竹蠕變總量、彈性應變及黏性應變均隨應力水平的升高而增大。