含水率對不同生長年份赤水楠竹力學性能的影響分析

黃培東 劉 勇 楊 琴 羅全銳 朱俊卿

（遵義職業(yè)技術學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

竹材是目前發(fā)現(xiàn)生長速度最快的植被之一，在全世界的大部分地區(qū)均有生長，特別是我國的南方和西部地區(qū)，竹材資源尤為豐富。在古代，竹材因其取材方便、易于加工、可塑性好等特點被我國當成建筑材料使用，如著名的有浙江河姆渡、四川金沙等地的竹屋[1]，湖南湘西地區(qū)的吊腳樓、西南地區(qū)的傣族“干闌式”竹屋等[2]。在近現(xiàn)代，由于建筑材料越來越豐富，竹材在建筑行業(yè)的應用呈現(xiàn)了短期的下降趨勢，但現(xiàn)在應用的大部分材料對環(huán)境都會造成一定程度的污染，不符合國家當前的“雙碳”發(fā)展目標，而竹材因強度高、自重輕、環(huán)保、可再生等特點，是最適合作為新型環(huán)保建筑材料研發(fā)的原材之一[3]，在今后一段時間，其在工程中作為新型材料應用的前景會越來越好。

竹材的力學性能受生長環(huán)境、取材部位、使用狀態(tài)、含水率影響較大。因此，探索含水率對竹材力學性能的影響對今后竹材在工程中的應用具有一定促進作用。

本文以赤水河流域楠竹為研究對象，通過對不同含水率狀態(tài)下的赤水楠竹進行抗壓、抗拉、抗彎等力學試驗，總結不同狀態(tài)下赤水楠竹各項力學性能參數(shù)，探究含水率對赤水楠竹力學性能的影響規(guī)律，為后續(xù)竹材的相關研究分析及應用提供參考。

1 試驗取材及含水率測定

1.1 取材

本次試驗以赤水河流域生長的楠竹作為研究對象，選取長勢正常、未發(fā)生病蟲害、胸徑（伐根至1.3m處直徑）＞100mm的3～9年竹齡楠竹各3株[4]。按照《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》要求，每珠截取胸徑以上2.8m含11個竹節(jié)的試材，運至實驗室后，首先去除兩端留帶竹節(jié)并延伸20mm的8段竹筒，按Ⅰ～Ⅷ的順序，從根部到端部依次編號，如圖1所示。

圖1 竹筒編號

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

1.2 含水率測定

因本次研究需使不同構件含水率存在差異，按照試驗原理，需在試驗前提前測定含水率。本研究先將選好的取材在自然狀態(tài)下存放2個月，等取材自然風干后再加工成試驗所需的試件，試件制作完成后再對試件進行烘干，從而得出全干狀態(tài)下的試件質量m0，最后再將試件放于水中浸泡不同時間，等試驗時測定試驗狀態(tài)時的質量m1，最終試驗時含水率按照式（1）計算，精確到0.1。

式中：

ω——含水率，%；

m1——試件試驗狀態(tài)時的質量，g；

m0——試件全干狀態(tài)時的質量，g。

2 含水率對赤水楠竹抗壓強度的影響

竹材屬于各向異性材料，不同方向的受力性能差異較大，而在工程應用過程中，竹材順紋和橫紋方向都有可能受壓，因此需要測定順紋、橫紋抗壓強度，其計算公式分別按式（2）和（3）計算，精確到0.1N/mm2。

當試件的含水率為ω時的順紋抗壓強度：

式中：

ft,ω——含水率為ω時的楠竹順紋抗壓強度，N/mm2；

Pmax——破壞荷載，N；

b——試件寬度，mm；

t——試件厚度，mm。

當試件含水率為ω時的弦向橫紋的抗壓比例極限應力：

式中：

fc,90,ω——含水率為ω時的楠竹橫紋抗壓比例極限應力，N/mm2；

P——比例極限荷載，N。

根據(jù)《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》要求，竹材橫、順紋抗壓強度測試試件尺寸符合圖2規(guī)定，即將試件加工成20×15×（t長×寬×厚）的試塊，單位為mm，精確到0.1mm。

圖2 抗壓試驗試件尺寸

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗壓試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)小于13）的6個試驗結果求平均值作為參考，試驗結果如表1所示。

表1 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗壓強度（MPa）

最后將表1數(shù)據(jù)繪制成如圖3所示的順紋抗壓強度隨含水率變化曲線。

圖3 順紋抗壓強度隨含水率變化曲線

從圖3中可以看出：3～9年的赤水楠竹其順紋抗壓強度均隨含水率的增加而減小，特別是含水率較?。ǎ?5%）時，順紋抗壓強度受含水率影響較大；當含水率較大（＞35%）時，雖然順紋抗壓強度隨含水率的增加而減小，但變化趨勢并不明顯。因此，在工程中應用赤水楠竹作為順紋抗壓受力構件（如腳手架立桿）時，應將其盡可能風干后使用，保證其順紋抗壓強度符合工程需要[5]。除此之外，還可以看出5年生赤水楠竹順紋抗壓強度相比其他年份較大，而9年生赤水楠竹順紋抗壓強度相比其他年份較小，即赤水楠竹生長年限小于5年時，其順紋抗壓強度在不斷增加，超過5年后，其順紋抗壓強度逐漸減小，可能是因為當生長年份小于5年時，赤水楠竹在不斷生長的過程中也在不斷硬化，而大于5年后，隨著生長年份的增加，赤水楠竹又進入到不斷脆化的過程導致。

橫紋抗壓試驗的過程與順紋抗壓試驗相同，只是受力方向相互垂直，變異系數(shù)要求＜20，其試驗結果如表2所示。

表2 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的橫紋抗壓強度（MPa）

將表2數(shù)據(jù)繪制成如圖4所示的橫紋抗壓強度隨含水率變化曲線。

圖4 橫紋抗壓強度隨含水率變化曲線

結合表2和圖4可以看出：3～9年生赤水楠竹橫紋抗壓強度隨著含水率的增加有減小的趨勢，特別是當含水率較低（＜15%）時，橫紋抗壓強度隨含水率的增加而減小的趨勢特別明顯；當含水率較大（＞35%）時，橫紋抗壓強度隨含水率的增加而減小的趨勢不明顯，甚至有些年份存在上下波動的情況[6]。因此，工程中應用赤水楠竹作為橫紋抗壓構件（如腳手板）時，應盡可能將赤水楠竹風干，使其滿足工程強度需求。除此之外，8～9年生的赤水楠竹橫紋抗壓強度明顯較其他年生要小，而5年生赤水楠竹橫紋抗壓強度較其他年份要高。因此，工程中盡量選擇5年左右的竹材作為橫紋抗壓構件。

3 含水率對赤水楠竹順紋抗拉強度影響

當試件含水率為ω時，竹材順紋抗拉強度可按式（4）計算，精確到0.1N/mm2。

式中，各字母表示含義同公式（2）。

順紋抗拉強度試驗需將試條及試樣毛坯分割成大小為15mm×330mm×t（寬度×高度×厚度）的試件，誤差不超出0.1mm，如圖5所示。如果竹筒在竹節(jié)之間長度達不到試件長度要求時，試件兩端夾持部分可以含竹節(jié)。試件紋路應該與中心線相平行，并且竹青表面的切向應該與試件的有效部位（即中間60mm部位）一側相垂直。試件的有效部位到兩個端部夾持部位過渡弧面應該是平滑的，且與試件中心線對稱[7]。

圖5 順紋抗拉強度試件

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗拉試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)＜20）的6個試驗結果求平均值作為參考，試驗結果如表3所示。將表3數(shù)據(jù)繪制成如圖6所示的順紋抗拉強度隨含水率變化曲線。

表3 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗拉強度（MPa）

圖6 順紋抗拉強度隨含水率變化曲線

結合表3和圖6可以看出：3～9年生赤水楠竹順紋抗拉強度隨著含水率的增加均有先增大后減小的趨勢，增大階段主要在含水率較小（＜15%）時，且增大的趨勢較為明顯；當含水率較大（＞35%）時，順紋抗拉強度雖然整體隨含水率的增加而減小，但是減小的趨勢不明顯。因此，在工程中應用赤水楠竹作為抗拉受力構件（如繩索或吊具等）時，竹材不宜太濕也不宜烘太干，讓其處于自然狀態(tài)自然風干后效果最佳。除此之外，當含水率超過15%后，5年生赤水楠竹的順紋抗拉強度相對其他年生有較明顯的優(yōu)勢。因此，工程上應用赤水楠竹作為抗拉構件時應優(yōu)先考慮5年生赤水楠竹。

4 含水率對赤水楠竹橫紋抗彎強度影響

試件含水率為ω時，竹材抗彎強度可按式（5）計算，結果精確到0.1N/mm2。

式中：

fm,ω——含水量為ω時的楠竹抗彎強度，N/mm2；

h——試件寬度，mm。

將試條分割成大小為15mm×220mm×t（寬度×長度×厚度）的試件，如圖7所示。

圖7 抗彎強度試件

按照含水率測試方法測試整個試件含水率，再做抗彎強度試驗。弦向為受力方向，所有尺寸加工需精確至0.1mm。用兩點對稱加荷，兩個加荷點分別距支座中心線50mm，加荷點之間間距為80mm±1mm。將試件放在試驗裝置兩個支座上。破壞載荷精確至10N，按150N/mm2每分鐘加載，直至試件破壞為止。試件破壞程度超出兩個加荷點外，予以舍去[8]。

試驗時，每個含水率狀態(tài)下的抗彎試驗至少做6個試件，最終選取符合要求（變異系數(shù)＜15）的6個試驗結果求平均值作為參考，試驗結果如表4所示。

表4 不同生長年份的赤水楠竹不同含水率下的順紋抗彎強度（MPa）

將表4數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的抗彎強度隨含水率變化曲線。

圖8 橫紋抗彎強度隨含水率變化曲線

結合表4和圖8可以看出：3～9年生赤水楠竹的橫紋抗彎強度隨含水率的增加均表現(xiàn)出減小的趨勢，且變化的幅度在每個含水率階段均相差不大。因此，當工程中應用赤水楠竹作為抗彎構件（如腳手架橫桿）時，應保證竹材越干越好[9]。除此之外，4～6年生赤水楠竹橫紋抗彎強度在不同含水率下雖存在區(qū)別但差異不大，且較其他年生楠竹抗彎強度要大，而8年生和9年生赤水楠竹橫紋抗彎強度明顯比其他年生要小很多。因此，工程上應優(yōu)先考慮4～6年生楠竹作為抗彎構件，年齡太小或者太大的赤水楠竹不應作為優(yōu)先考慮對象。

5 結束語

本文通過對3～9年生赤水楠竹分別進行不同含水率下的順紋抗壓、橫紋抗壓、順紋抗拉、橫紋抗彎試驗，分析總結赤水楠竹力學性能隨含水率的變化規(guī)律，從試驗分析結果可以得出如下結論：

（1）赤水楠竹的抗壓力學性能均隨其含水率的增加而減小，且減小的速率越來越小，當含水率超過35%之后，橫、順紋抗壓強度雖隨含水率的增加仍存在減小的趨勢，但變化幅度并不明顯。

（2）赤水楠竹的順紋抗拉力學性能隨其含水率的增加存在先增大后減小的趨勢，當含水率處在自然狀態(tài)下時，順紋抗拉強度最大。

（3）赤水楠竹的橫紋抗彎強度隨其含水率的增加而減小，且減小的速率變化不大。

（4）工程中在考慮應用赤水楠竹作為受力構件時，除順紋抗拉構件應盡量保證竹材含水率在自然狀態(tài)下自然風干最為合適外，抗壓和抗彎構件應盡量保證竹材含水率越小越好，且應該優(yōu)先考慮選用生長年限在5年左右的無病害楠竹。