不同竹齡的赤水楠竹力學性能試驗分析

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

黃培東郭麗娟陳俊生梁中勇劉勇

（1遵義職業技術學院，貴州遵義 563000；2貴州交通勘察設計院有限公司，貴州貴陽 560000）

0 引言

在國家“雙碳”目標及節能降耗的大背景下，建筑行業應當積極探索可持續發展的建設之路。目前，建筑工程所使用的材料如水泥、鋼材、混凝土等都會不同程度地破壞環境，特別是鋼材，不僅在開采階段會破壞生態環境，在提煉階段也會產生大量有害廢氣殘渣，給環境造成不可逆轉的影響。因此，探索和發掘新型工程材料勢在必行。

竹材是世界上生長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度和建筑高度的情況下，很少將其作為工程材料，但其強度高、自重輕、經濟環保的特點可能使其在今后“重生態輕建設”的大環境下會再次成為重要建筑材料。

目前已有大量學者開始重視竹材在工程中的應用研究，毛筱霏[1]立足于竹材在古建筑修復中的應用，分析了西北地區夯筑遺址加固中楠竹錨桿的應力分布規律；肖巖等[2]著眼于竹結構的研究，分析了現代竹結構的特點并進行了展望；鄒立華等[3]創造型地探索了竹筋混凝土構件的力學性能，重點分析了不同配筋率下竹筋混凝土受彎構件的力學規律。

本文以赤水河沿岸盛產的楠竹作為研究對象，重點通過試驗分析不同竹齡（3~9 年）赤水楠竹的橫順紋受壓、順紋受拉、橫紋受彎特性，意在總結赤水楠竹力學特性隨生長年限的變化規律，為后期竹材的應用提供選材參考。

1 試驗方案

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，重點分析不同竹齡的赤水楠竹在橫順紋抗壓試驗、順紋抗拉試驗、橫紋抗彎試驗下的力學性能及其變化規律。試驗前，到赤水河沿岸選取長勢正常無病害、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個竹節的試材，用塑料薄膜包裹后運至實驗室后，在自然條件下進行風干。風干后首先去除兩端留帶竹節并延伸20mm 的8段竹筒，按Ⅰ至Ⅷ的順序，從根部到端部依次編號[4]，如圖1所示。

圖1 竹筒編號

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

1.2 試件處理

竹材自然風干后按照《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》要求將其加工成對應試驗所需尺寸，然后再用烘干機將所有試件進行脫水并進行稱重，最后再將稱完重的風干試件放在自然環境中存放，讓其回到自然風干狀態，再稱重進行相應試驗并記錄各試件含水率，含水率按公式（1）進行計算，精確到0.1。

式中：ω——含水率，%；

m1——試件試驗狀態時的質量，g；

m0——試件全干狀態時的質量，g。

1.3 計算方法

對各試件進行試驗以后，對試驗結果進行計算，試件尺寸及計算方法如表1所示。

表1 試件尺寸及計算方法

1.4 誤差處理

試驗過程中難免存在誤差或偶然情況，因此需對試驗結果進行變異性驗算，如果變異系數滿足表2 要求則試驗數據具有可靠性，否則試驗無效。

表2 各試驗對應變異系數最大允許值

在計算變異系數時首先需要根據公式（2）求出試驗結果平均值：

n——試樣的數量。

按照公式（3）和公式（4）計算試驗數據標準差及平均值標準差：

式中：S——標準差；

Si——平均值標準差。

最后根據公式5求出變異系數V。

2 試驗結果修正及分析

2.1 竹齡對橫紋抗壓強度的影響

2.1.1 試驗結果修正方法

根據試驗要求，需要計算竹材自然風干狀態下即含水率為12%時的橫紋抗壓強度，但在實際試驗過程中不可能保證每個試件的含水率都剛好為12%，而含水率對竹材抗壓強度影響較大。因此，需要對試驗結果進行修正。橫紋抗壓強度按公式（6）和公式（7）進行修正，結果精確至0.1N/mm2。試樣含水率在5%~30%之間，按該公式計算有效。

式中：fc,90，12——含水率為12%時的橫紋抗壓比例極限應力，N/mm2；

kfc,90,w——竹材弦向橫紋比例極限應力含水率修正系數；

W——試樣含水率,%。

2.1.2 試驗結果及分析

試驗時所有試件含水率均在12%左右，只存在細微差別，滿足橫紋抗壓強度修正系數關于含水率處于5%~30%之間的條件，同時，變異系數最大為9 年竹齡楠竹的16，小于規定的20，試驗數據有效可靠。為更加直觀分析橫紋抗壓強度隨竹齡變化規律，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%時橫紋抗壓試驗結果統計

圖2 橫紋抗壓強度隨竹齡變化曲線

結合表3和圖2可以看出：赤水楠竹橫紋抗壓強度隨竹齡變化較為明顯，在竹齡未達到5 年前，橫紋抗壓強度隨竹齡的增加而增大，且3~4 年階段增長較快，4~5 年階段增長較為緩慢；竹齡超過5 年后，橫紋抗壓強度隨竹齡的增加而減小，特別是竹齡超過7 年后，橫紋抗壓強度減小趨勢尤為明顯，超過8 年竹齡的楠竹其橫紋抗壓強度已經減小到不足15MPa 的水平，說明超過8 年的楠竹已經嚴重脆化，工程上應該杜絕使用超過8 年的赤水楠竹；在赤水楠竹的整個生長過程中，5年左右竹齡的竹材其橫紋抗壓強度最大，當工程上使用竹材需受橫向壓力時，應當優先考慮使用5 年左右竹齡的竹材。

2.2 竹齡對順紋抗壓強度的影響

2.2.1 試驗結果修正方法

同橫紋抗壓強度一樣，順紋抗壓抗壓強度試驗也需要計算自然風干狀態下即含水率為12%時的抗壓強度，需要對試驗結果進行修正。順紋抗壓強度按公式（8）和公式（9）進行修正，結果精確至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%時的順紋抗壓比例極限應力，N/mm2；

kfc,w——竹材弦向順紋比例極限應力含水率修正系數；

W——試樣含水率，%。

2.2.2 試驗結果及分析

3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗壓強度如4表所示。

將赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗壓強度繪制成隨竹齡變化的曲線如圖3所示。

圖3 順紋抗壓強度隨竹齡變化曲線

結合表4和圖3可以看出，赤水楠竹在竹齡未達到5 年前，其順紋抗壓強度呈明顯增長趨勢，當竹齡超過5 年后，其順紋抗壓強度又呈明顯下降趨勢，竹齡為5年的赤水楠竹其順紋抗壓強度明顯優于其他竹齡段.因此，當工程上需要使用赤水楠竹作為順紋抗壓材料時，應優先考慮使用5 年竹齡的赤水楠竹。除此之外，結合圖2 和圖3 可以看出，相同竹齡段的赤水楠竹，當都處于自然風干狀態（含水率為12%）時，順紋抗壓強度較橫紋抗壓強度高。

表4 3~9年竹齡楠竹含水率為12%時順紋抗壓試驗結果統計

2.3 竹齡對順紋抗拉強度的影響

2.3.1 試驗結果修正方法

由于試樣的含水率存在細微差異，因此，與抗壓試驗相同，需將試驗結果進行修正。把所有試件抗拉強度均轉化成含水率為12%時的強度，當含水率在5%~20%之間時按公式（10）和公式（11）進行修正，精確至0.1N/mm2。

式中：ft,12——含水率為12%時的順紋抗拉強度，N/mm2；

kft,w——竹材順紋抗拉強度含水率修正系數；

W——含水率，%。

2.3.2 試驗結果及分析

3~9 年竹齡赤水楠竹含水率為12%時的順紋抗拉強度如5所示。

根據表5 和圖4 可以看出：當竹齡低于5 年時，雖然順紋抗拉強度隨竹齡的增長存在增大的趨勢，但增幅并不大，赤水楠竹的順紋抗拉強度基本處于較高水平；當竹齡超過5 年后，赤水楠竹的順紋抗拉強度開始明顯下降；當竹齡超過8 年時，順紋抗拉強度已經降低到5 年時的50%左右，其原因可能是竹材隨著竹齡增長后逐漸脆化的結果。