仿木材料抗拉強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)研究

王安選,張華剛*,楊嬌嬌,吳小強(qiáng),武紹元

(1．貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心,貴州 貴陽 550025;2．貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025;3.中國水利水電第九工程局有限公司,貴州 貴陽 550081)

木材是一種天然可再生資源,是建筑文明發(fā)展史中人類早期認(rèn)識(shí)和利用的建筑用材之一,木結(jié)構(gòu)是我國古代建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一,在唐朝就已形成較完整的營建方法,至北宋李誡主編《營造法式》后,古代木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用技術(shù)已非常成熟[1]。木結(jié)構(gòu)建筑具有能耗低、保溫隔熱、生態(tài)環(huán)保、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)[2-5],但結(jié)構(gòu)性能較多依賴于原生木材的性能,原生木材自然生長導(dǎo)致的構(gòu)造不均勻會(huì)使木構(gòu)件存在受力方向性問題[6],且易吸潮,存在防火和防腐性能差等明顯缺陷[7-8],這些不利因素會(huì)限制木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展,同時(shí),推廣木結(jié)構(gòu)會(huì)消耗大量有限的森林資源,而我國可用林資源又嚴(yán)重不足,因此,有必要研發(fā)一種新型建筑材料緩解資源和環(huán)境壓力,為工程材料拓寬渠道。

氯氧鎂水泥(magnesium oxychloride cement,MOC)是一種氣硬性膠凝材料[9],是由MgO、MgCl2、H2O等反應(yīng)而形成的三元復(fù)合相體系[10],具有高強(qiáng)度,強(qiáng)黏合力、耐磨、抗沖擊、低堿性及低腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[11],同時(shí)還具有良好的阻燃性和隔熱性,目前已在市政、建筑、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多行業(yè)中得到應(yīng)用。當(dāng)前,MOC及其制品技術(shù)已逐漸趨于成熟[12],有必要拓展其應(yīng)用渠道。仿木材料是以MOC水泥為基體,再添加植物纖維和改性劑混合制成的無機(jī)膠凝材料,具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能減耗等優(yōu)點(diǎn)。劉艷君[13]、張鑫[14-15]等對(duì)仿木材料進(jìn)行了相關(guān)研究,結(jié)果表明,由其制作的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件,外觀尺寸與混凝土構(gòu)件大體相同,而其密度與常用木材相當(dāng),可大大降低結(jié)構(gòu)自重,材料可用于建筑結(jié)構(gòu)中。

仿木材料是脆性材料,抗拉性能是材料的重要力學(xué)性能。本文在已有研究基礎(chǔ)上穩(wěn)定材料配合比后,參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[16]來測定其軸心抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系,以期為后續(xù)研究及材料的工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料的制備

本文的仿木材料在貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制完成。

1.1.1原料及壓制模具

輕燒氧化鎂和氯化鎂為工業(yè)級(jí),通過水合法測得輕燒氧化鎂含量為59.98%,氯化鎂含量為46%,水為自來水;植物纖維為市購細(xì)粒徑木屑,粒徑為5 mm左右;外加料檸檬酸、酒石酸和六偏磷酸鈉等均為工業(yè)級(jí),摻量按占活性氧化鎂的質(zhì)量比來計(jì)算[17]。

材料的壓制模具系自行設(shè)計(jì),如圖1所示,主要由壁板、限位圓鋼、壓頭等組成,可同時(shí)制作9個(gè)尺寸為220 mm×120 mm×150 mm的試件。

圖1 壓制裝置圖Fig.1 Pressing device diagram

1.1.2材料制備及試件制作

按配合比稱量原料質(zhì)量后,先將氧化鎂和木屑放入圖2(a)所示的攪拌機(jī)中攪拌20 min。同時(shí)將氯化鎂、改性劑和水配置成鹵水并攪拌15 min后,倒入攪拌機(jī)中與氯化鎂和木屑材料再攪拌30 min,之后將混合料置于圖1所示的壓制模具中,然后將裝料的壓制裝置對(duì)中放置在圖2(b)所示的YEW-5000B全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上施壓。由于混合料具有高壓縮性,需再次投料后按密度控制法施壓壓實(shí),隨即通過限位圓鋼鎖緊模具后,將其從試驗(yàn)機(jī)上取下,室溫下靜置48 h后即可拆卸模具取出材料,再自然養(yǎng)護(hù)28 d即可。

圖2 壓制設(shè)備圖Fig.2 Pressing equipment diagram

采用石材切割機(jī),將制備的材料按圖3制作成30個(gè)試件,用于軸心抗拉試驗(yàn)。應(yīng)變通過粘貼在試件有效受拉區(qū)的A級(jí)應(yīng)變片來采集。

圖3 試驗(yàn)試件圖Fig.3 Test specimen diagram

1.2 試驗(yàn)方法

參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2019)[16]進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試件進(jìn)行表面處理,標(biāo)注試驗(yàn)對(duì)中及軸心抗拉強(qiáng)度測試有效長度刻度線后,將試件嚴(yán)格對(duì)中放置在東華MTS-300KN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上夾緊后,按0.001 mm/s的速率勻速施加拉力直至試件拉斷,數(shù)據(jù)用TST3828EN動(dòng)靜態(tài)型號(hào)測試分析系統(tǒng)采集,試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

隨著軸拉荷載的不斷增加,達(dá)到峰值荷載左右時(shí),少數(shù)試件由于幾何對(duì)中等原因,拉斷面出現(xiàn)在有效受拉長度外,其余試件在有效受拉長度范圍首先出現(xiàn)微小裂紋,直至試件斷裂,呈脆性破壞,試件斷裂面為鋸齒狀,斷裂位置可拼接,試件破壞時(shí),斷裂面基本上與試件的長軸線垂直且不規(guī)則,其破壞形態(tài)如圖5所示。仿木材料是由氯化鎂、氧化鎂、木屑和各改性劑以及孔隙、裂縫等結(jié)合在一起的復(fù)雜多相體系,斷裂破壞本質(zhì)上就是其微裂縫的形成和不斷發(fā)展的結(jié)果。

圖5 軸心抗拉試驗(yàn)試件的破壞形態(tài)Fig.5 Failure morphology of axial tensile test specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 軸心抗拉力學(xué)性能

軸心抗拉強(qiáng)度和軸拉彈性模量是評(píng)價(jià)仿木材料力學(xué)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,根據(jù)試件的荷載-位移曲線數(shù)據(jù),材料的軸心抗拉強(qiáng)度按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:ft為材料軸心抗拉強(qiáng)度,MPa;F為試件的破壞荷載(峰值荷載),N;A為試件的有效受拉截面面積,mm2。

根據(jù)應(yīng)變測試結(jié)果,材料的軸拉彈性模量按式(2)計(jì)算:

(2)

式中:Et為材料的軸拉彈性模量,MPa;σ1/3為1/3的破壞應(yīng)力,MPa;ε1/3為σ1/3所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

本文的30個(gè)測試試件中,共有5個(gè)試件的拉斷面發(fā)生在有效受拉范圍外,其余試件由實(shí)測有效受拉面積計(jì)算材料軸心抗拉強(qiáng)度測試值后,再求其強(qiáng)度平均值,當(dāng)軸心抗拉強(qiáng)度測試值與平均值相差超過20%時(shí),則舍去該測試值,將剩余結(jié)果的算術(shù)平均值作為材料的軸心抗拉強(qiáng)度。根據(jù)上述評(píng)定原則,共獲得22個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[18]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的誤差及統(tǒng)計(jì)分析,可見仿木材料的軸心抗拉強(qiáng)度最大值為9.33 MPa,最小值為6.40 MPa,平均值為7.98 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為0.97 MPa,變異系數(shù)為0.121,與文獻(xiàn)[13]相比,本文的材料配合比使仿木材料的軸心抗拉強(qiáng)度提高了70%左右。仿木材料的軸拉彈性模量最大值為4 325 MPa,最小值為3 275 MPa,平均值為3 696 MPa,變異系數(shù)為0.089,為安全考慮,評(píng)定仿木材料的彈性模量Et=3 600 MPa。

表1 試驗(yàn)試件的力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 Mechanical performance test results of test specimens

圖6 抗拉峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的關(guān)系Fig.6 Relationship between tensilepeak stress and peak strain

3.2 軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以4號(hào)試件為例來描述材料的軸拉受力全過程,其實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。可見,在軸心拉力作用下,材料的拉應(yīng)變發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段:

圖7 4號(hào)試件實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.7 Measured stress-strain curve of specimen 4

(1)OA段,試驗(yàn)試件開始加載后經(jīng)歷輕微受拉,隨即試件變形按一定的比例而增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)直線態(tài)勢,材料處于彈性受力狀態(tài),A點(diǎn)的拉應(yīng)力為材料抗拉強(qiáng)度的60%左右。

(2)AB段,隨著試驗(yàn)的緩慢加載,試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始逐漸偏離線性,呈現(xiàn)出非線性特征,曲線的斜率開始減小。拉應(yīng)力逐漸增大,材料的應(yīng)變?cè)鲩L梯度也相應(yīng)變大,材料處于彈塑性受力狀態(tài)。加載至B點(diǎn)時(shí),形成一明顯的尖峰,材料應(yīng)力達(dá)到其最大抗拉強(qiáng)度,其值為7.76 MPa。

(3)BC段,材料在達(dá)到其最大抗拉強(qiáng)度后,即過峰值點(diǎn)B后,試件的承載力驟降,應(yīng)力與之也很快下降,而應(yīng)變?cè)鲩L緩慢,此時(shí)能用放大鏡觀察到試件表面存在的微小裂縫。

(4)CD段,隨著加載的持續(xù)進(jìn)行,試件中主要斷裂面已經(jīng)形成,表面出現(xiàn)肉眼可見的裂縫,應(yīng)變?cè)鲩L加快,應(yīng)力緩慢下降,裂縫迅速延伸和發(fā)展直至試件斷裂,試件中其他部位未斷裂的裂縫此時(shí)趨于穩(wěn)定不再擴(kuò)展。

本文22個(gè)有效試件實(shí)測的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示,曲線在拉應(yīng)力達(dá)到峰值即軸心抗拉強(qiáng)度ft前均為上凸曲線,曲線的下降段大部分皆呈現(xiàn)下凹態(tài)勢,其脆性影響較為明顯。

圖8 試件實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Measured stress-strain curve of the specimen

3.3 軸心抗拉本構(gòu)關(guān)系

目前,材料的本構(gòu)關(guān)系曲線主要有單線型、雙線型和分段型[20],本構(gòu)關(guān)系函數(shù)主要有多項(xiàng)式[21],指數(shù)函數(shù)[22]等,各種本構(gòu)模型均有其優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)測試結(jié)果,本文參考過鎮(zhèn)海模型[19]來擬合仿木材料的軸心受拉的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

3.3.1應(yīng)力應(yīng)變曲線歸一化處理

按式(3)將全部測試結(jié)果做歸一化處理,轉(zhuǎn)化成無量綱變量:

(3)

得到的x-y曲線如圖9所示,且滿足:①x≥0時(shí),1≥y≥0;②x=0時(shí),y=0;③ 0≤x≤1,曲線呈上升態(tài)勢;④x=1時(shí),y=1,且dy/dx=0,曲線單峰;⑤x≥1時(shí),曲線呈下降態(tài)勢。

圖9 軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變歸一化曲線Fig.9 Normalization curve of axial tensile stress-strain

3.3.2本構(gòu)關(guān)系擬合結(jié)果

根據(jù)曲線的形狀特征,上升段曲線采用六次多項(xiàng)式(曲線區(qū)間為0≤x≤1),下降段曲線采用有理分式進(jìn)行擬合(曲線區(qū)間為x≥1),函數(shù)關(guān)系如式(4)所示:

(4)

式中,a、b、c為待定參數(shù)。將本文的歸一化數(shù)據(jù)代入,由最小二乘法解得參數(shù)a=1.710 88,擬合方差R=0.989 08;參數(shù)b=4.854 39、c=1.152 4,擬合方差R=0.750 07,可見曲線下降段的離散性較大。將上述參數(shù)代入式(4),可得仿木材料的本構(gòu)關(guān)系為:

①當(dāng)0≤x≤1時(shí)

y=1.710 88x-0.638 6x2-0.072 28x6

②當(dāng)x≥1時(shí)

其擬合的本構(gòu)關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 本構(gòu)關(guān)系擬合曲線Fig.10 Fitting curve of Constitutive equation

4 結(jié)論

1)仿木材料軸心受拉時(shí),材料破壞呈脆性破壞,工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)采取措施提高其延性。

2)根據(jù)本文的材料配合比,仿木材料的軸心抗拉強(qiáng)度平均值為7.98 MPa,變異系數(shù)為0.121;彈性模量為3 600 MPa。本文的配合比可供工程應(yīng)用。

3)本文擬合的材料受拉本構(gòu)關(guān)系,上升段擬合較好,而下降段離散性較大,更精準(zhǔn)的材料本構(gòu)關(guān)系擬合有待補(bǔ)充樣本數(shù)量后才能獲得。