竹质工程材料的力学性能试验研究

周臻徽 ，丁 科 ，何朝红 ，李建军

（中南林业科技大学 a.工程流变学湖南省重点实验室；b.土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

竹质工程材料的力学性能试验研究

周臻徽a，b，丁 科a，b，何朝红b，李建军a，b

（中南林业科技大学 a.工程流变学湖南省重点实验室；b.土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

重组竹与竹集成材是两种应用较为广泛的竹质工程材料，对其力学性能的研究有助于扩展其在工程上的应用。本研究对重组竹和竹集成材进行了抗弯和抗压力学性能试验，分别得到了它们的抗弯弹性模量、抗弯强度、抗压弹性模量和抗压强度，并分析了两种竹质工程材料的不同破坏情况。试验结果表明：重组竹的抗弯和抗压力学性能要优于竹集成材；重组竹抗弯破坏表现为脆性破坏，竹集成材则表现出一定的延性特性；竹材的力学性能与其本身材料性能和胶合面的力学性能有关。

重组竹；竹集成材；抗弯试验；抗压试验

我国的木材资源相对匮乏，而竹材资源相对丰裕，世界已知竹种超过1 500种，我国有超过600种，中国竹林面积达6.01×106hm2[1]，是世界上竹类分布最广、资源最多、利用最早的国家之一，素有“竹子王国”的美誉。另外，竹子的生长能力强，繁殖方式多样[2]，材质优良，是一种很好的工程材料。我国的竹材加工技术，处于世界领先地位，竹材工业化利用的比重也逐年增加，近年对竹质工程材料的开发利用，大大的拓宽了竹材的使用范围。

竹质工程材料是以竹材为原料，经过一系列的机械和化学加工，在一定的温度和压力下，借助胶黏剂或竹材自身的结合力作用，胶合而成的板状材料。与木材相比，竹材人造板具有强度高、弹性好、刚度大、变形小、尺寸稳定等优点[3]。对比传统的建筑材料，其质轻高强的特点使得结构所占面积更少，在生产过程、环境效益及使用功能等方面都具有优势。由此可见，竹材人造板的应用前景十分良好。

竹集成材与重组竹是竹质工程材料的两种典型代表，应用也较为广泛。竹集成材是一种新型的竹质人造板，通过以竹材为原料，经防腐、干燥、涂胶等工艺进行组胚胶合而成的竹质材料，采用改性的环保树脂，环保性更好，并且保留了竹子原有的物理力学性能、干缩湿胀性等，用竹集成材制成的竹结构梁不仅具有良好的强度性能，还具有很好的延展性[4-5]。重组竹，就是先将竹材疏解成通长的、相互交联并保持纤维原有排列方式的疏松网状纤维束，再经过干燥、施胶、组坯成型后热压而成的板状或其他形式的材料[6]，密度更大，硬度更高，胶合程度更紧密。

竹质工程材料属于各向异性的复合材料，顺纹和横纹的物理力学性能相差较大，本构关系较为复杂[7]，不同的竹种、胶种、成型方式、材料不同部位的加载方式、含水率等都会对其产生影响[8]。考虑到对竹质工程材料的力学性能试验已有很多参考数据，本研究重点对竹集成材与重组竹进行抗弯与抗压力学试验，通过对比这两种竹材的破坏形式，为更好的利用竹材提供参考。

1 抗弯试验

1.1 试验设备与方案

试验用竹集成材与重组竹采购自湖南省益阳市桃江县桃花江竹业发展有限公司，竹种选用楠竹，采用酚醛树脂胶黏剂胶合而成。试验参考《木材无暇小试样的试验方法》（ASTM D143-1994）[9]和《木材物理力学性质试验方法》（GB1927～1943-1991）[10]等标准。试验设备为SANS 10 t的万能电子试验机（如图1所示）。抗弯试件尺寸的长宽高分别为300 mm×30 mm×25 mm，沿长度方向顺纹，每种竹材的试件分别为20个，结果如图2所示。

图1 万能电子试验机Fig.1 Electronic testing machine

图2 重组竹抗弯试件Fig.2 Pine specimens of reconsolidated Bamboo

试验参照《木材物理力学性质试验方法》（GB1927～1943—1991），首先进行抗弯弹性模量测定。采用两点加载方式，两加载点间距80 mm，支座240 mm，将百分表置于试件中央底部（如图1所示）。设置万能试验机，以1 mm/min匀速加载至1 000 N，记录百分表读数。再以2 mm/min匀速加载至上限荷载（竹集成材上限荷载为3 000 N，重组竹上限荷载为4 000 N），记录百分表读数。随即卸载至下限荷载800 N，如此反复4次。根据后3次测得的试样变形值，分别计算出上、下限变形平均值，根据抗弯弹性模量计算公式，求得抗弯弹性模量。

然后进行抗弯强度试验，将试样装在间距240 mm的支座上，采用单点加载方式，应保证试件在2 min内破坏[11]，本试验选取的加载速度为2 mm/min，记录破坏荷载，并计算抗弯强度。

根据试验标准，抗弯弹性模量、强度计算公式如下：

式（1）、（2）其中：E为弹性模量，MPa；σ为抗弯强度，MPa；P为上、下限荷载之差，N；Pmax为破坏荷载，N；l为支座间跨距，mm；b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm；f为上、下限荷载间的试样变形值，mm。

1.2 试验结果及分析

根据试验方案，我们对竹集成材和重组竹进行了抗弯试验，并根据公式（1）和公式（2）计算了竹集成材和重组竹的抗弯弹性模量和抗弯强度（如表1所示），表中数据为20个试件的平均值。

表1 两种竹材的抗弯力学性能指标Table 1 Flexural mechanical properties of two bamboo species

重组竹的抗弯破坏总体上表现为：在加载初期，试件处于弹性阶段，此过程应力应变成正比，变形可以恢复；随着荷载的增大，试件的挠度变大，荷载-位移曲线增加趋势变的缓慢，试件开始出现微裂缝，伴随着竹丝拉断发出的声音，此时试件进入塑性阶段；但竹木材料塑性阶段较小，随着荷载进一步增大，试件很快发出“咔”的一声巨响，被破坏。由于试验数据过多，故去掉部分，只列出了几组荷载-位移曲线，如图3所示。

从图3中曲线可以看出，重组竹的抗弯破坏有几种不同的破坏情况，图4中(a)与(b)是重组竹的两种不同的破坏情况。图4(a)是第一种破坏情况，荷载-位移曲线有一个先下降，后上升的过程。这种破坏情况是，随着荷载的增大，裂缝开始斜向上延伸至试件中部，逐渐向两端横向发展，最后试件中下侧的裂缝迅速沿着胶合面扩展，试件破坏。发生这种破坏，是由于当裂缝传递至中部时，底端竹纤维断开，试件失去小部分承载力，但试件上端的抗弯强度比较大，还未达到断裂荷载，试件上端仍有较大的剩余承载力，而竹板胶合面的黏合力相对较小，裂缝于是沿着胶合面方向朝两端发展，直至试件破坏。

图3 重组竹抗弯试件荷载-位移曲线Fig.3 Force-displacement curve of reconsolidated bamboo to flexural specimens

图4(b)是重组竹试件抗弯的另一种破坏情况，试件底端首先出现裂缝，随着荷载的增大向上延伸，但并没有向两端扩展，而是直接向上延伸直至试件破坏。这种破坏表现的更有突然性，且试件从加载到破坏的时间非常短，没有明显的延性特性。两者相对比，(a)破坏有明显的延性特征，而(b)破坏则属于脆性破坏。

图4 重组竹两种抗弯破坏荷载-位移曲线和破坏情况Fig.4 Force-displacement curve and failure modes of reconsolidated bamboo to flexural specimens

竹集成材的荷载-位移曲线如图5所示。竹集成材在弯曲过程中的表现与重组竹大致相同，同样从加载开始，呈线性增加趋势。只是在进入塑性阶段后，竹集成材表现出更多的延性特征，大部分的试件在弯曲破坏中，都有荷载先下降后上升的现象。

图6(a)是竹集成材试件抗弯破坏的一种情况，首先试件底端出现裂缝，随着荷载的增大，裂缝开始向上延伸至在试件中下部，并沿着胶合面横向扩展，直至试件下端被拉断，试件破坏。竹集成材抗弯试验中，大部分都属于这种破坏，在达到抗弯强度后，竹集成材表现出一定的延性，试件并没有马上断裂破坏，而是随着变形增加，仍有一定的剩余承载力，这种破坏的主要原因是由于胶合面出现裂缝，导致试件失去承载力。

图6(b)是竹集成材试件抗弯破坏的另一种情况，首先试件底部出现裂缝，随着荷载增大，裂缝沿着斜向上方向延伸，迅速扩展至试件中部，试件下端被拉断，试件破坏。该破坏是单一的脆性破坏，没有出现显著的延性特征。

图5 竹集成材抗弯试件荷载-位移曲线Fig.5 Force-displacement curve of glued laminated bamboo to flexural specimens

图6 竹集成材抗弯破坏荷载-位移曲线和破坏情况Fig.6 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo to flexural specimens

2 抗压试验

2.1 试验设备与方案

试验分别进行顺纹抗压和横纹抗压，试件尺寸均为100 mm×25 mm×25 mm，长度方向一组沿材料顺纹方向，一组沿材料横纹方向。试样如图7所示。

图7 抗压试件Fig.7 Specimens of compressive test

试验设备为SANS万能电子试验机，试验参考《木材无暇小试样的试验方法》（ASTM D143-1994）和《木材物理力学性质试验方法》（GB1927～1943—1991），先进行抗压弹性模量测定。将试件安装在试验机上，确保其轴心受压，在其弹性区间选取上下限荷载，本试验选取5 000～150 000 N，加载速度为4 mm/min。反复加载卸载6次，取后四次的平均值按公式计算抗压弹性模量。之后进行抗压强度试验，加载速度为4 mm/min，使试件在3 min内破坏[12]，匀速加载至试件破坏，记录破坏荷载，按公式计算抗压强度。

2.2 试验结果及分析

根据试验方案，我们对竹集成材和重组竹进行了抗压试验，并根据有关公式计算了竹集成材和重组竹的抗压弹性模量和抗压强度（如表2所示），表中数据为40个试件的平均值。

表2 两种竹材的抗压力学性能指标Table 2 Compressive mechanical properties of two bamboo species

图8是从试验中选取的一部分重组竹顺纹抗压的荷载-位移曲线，以及重组竹顺纹抗压试件的各个阶段的破坏情况，从中可以看出：试件在加载初期，曲线呈线性关系，处于弹性阶段；随着荷载的增大，试件的开始微微的弯曲并出现轻微的裂缝，这些裂缝沿着顺纹方向扩展，此时曲线增长的趋势变慢；当加载荷载达到峰值，试件局部发生屈曲，承载力下降，但试件没有立即破坏，而是仍保留一定的承载能力，直至试件最终破坏。

图9给出了重组竹横纹抗压的荷载-位移曲线以及各个阶段的破坏情况，可以看出：加载初期试件处于弹性阶段，相比顺纹受压，横纹受压处于弹性阶段的时间更短，试件很快进入塑性阶段；处于塑性阶段的试件开始弯曲变形，并出现轻微的裂缝，裂缝与纵向成45 °角斜向上扩展；随着荷载的增大，裂缝不断延伸，最后成为一个斜切面将试件破坏。试件符合脆性材料的破坏特征[13]。

图10是竹集成材顺纹抗压荷载-位移曲线和破坏情况，可以看出，竹集成竹在顺纹抗压过程，初期处于弹性阶段，进入塑性阶段后很快荷载达到峰值，试件开始弯曲，并出现纵向裂缝；但试件没有立即被破坏，而是随着变形的增大仍然保持一定的承载力，直到试件最终被破坏。最后的破坏情况有两种，一种是试件出现横向裂缝，试件被折断裂；第二种是试件胶合面出现纵向裂缝，试件受压弯曲。两种破坏荷载-位移曲线相差不大。

图11是竹集成材横纹抗压荷载-位移曲线和破坏情况，可以看出，竹集成材横纹抗压并不像重组竹横纹抗压一样，竹集成材的破坏都是发生在试件胶合面处，与其顺纹抗压的第二种情况有些类似，因为其胶合面的力学性能比较低，裂缝沿着界面扩展直至破坏，属于低强度的破坏。

图8 重组竹顺纹抗压荷载-位移曲线及破坏情况Fig.8 Force-displacement curve and failure modes of reconsolidated bamboo parallel to grain compressive specimens

图10 竹集成材顺纹抗压荷载-位移曲线及破坏情况Fig.10 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo parallel to grain compressive specimens

3 结 论

本研究对重组竹和竹集成材进行了抗弯和抗压力学性能测试，在此基础上对这两种竹质工程材料的破坏情况进行了分析，得出以下结论：

（1）对比两种竹材的抗弯试验，重组竹抗弯强度要优于竹集成材，而竹集成材的抗变形能力更为突出；

图11 竹集成材横纹抗压荷载-位移曲线及破坏情况Fig.11 Force-displacement curve and failure modes of glued laminated bamboo perpendicular to grain compressive specimens

（2）考虑到竹质工程材料是一种各向异性的复合材料，其破坏情况受到多方面的影响，在所有的抗弯破坏中，材料本身强度、胶合面力学性能对其力学性能影响较大，重组竹由竹纤维胶合而成，材料本身更致密，纤维之间的胶合力更强，破坏往往都是由纤维的断裂造成的，破坏情况大多属于脆性破坏，而竹集成材是由竹板竹条压合而成，胶合面的力学性能较差，破坏都是从胶合面开始，裂缝会不断延伸到上一层的竹板，直至破坏，有一定的延性特征，属于延性破坏；

（3）重组竹的抗压强度要优于竹集成材，每种竹材的顺纹抗压强度又要优于横纹抗压强度；

（4）重组竹的顺纹抗压破坏是由于竹纤维的断裂而导致试件的破坏，而横纹抗压破坏则是胶合面的断裂；竹集成材的顺纹和横纹抗压破坏，都是因为胶合面的开裂而导致试件的破坏，这说明胶合面力学性能的好坏，对竹材的力学性能有着重要的影响。

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Experimental study on mechanical properties of bamboo engineering materials

ZHOU Zhenhuia,b, DING Kea,b, HE Zhaohongb, LI Jianjuna,b
(a.Hunan Province Key Laboratory of Engineering Rheology; b. College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Reconsolidated bamboo (RB) and glued laminated bamboo (GLB), which are two kinds of bamboo-based engineering composite material, are widely used to engineering field. The research of the mechanical properties is helpful to expand its application in engineering. In the paper, the experiments of bending and compressive mechanical properties test of reconsolidated bamboo and glued laminated bamboo are introduced. The flexural modulus, flexural strength, compressive modulus and compressive strength of RB and GLB are obtained. And the different forms of destruction are analyzed. The experimental results show that the mechanical properties of reconsolidated bamboo are better than glued laminated bamboo. Reconsolidated bamboo takes on brittle damage, and glued laminated bamboo exhibits the ductility characteristics. The mechanical properties of bamboo are related to the material character of bamboo and the properties of glued interface.

reconsolidated bamboo; glued laminated bamboo; compressive test; bending test

S781.2

A

1673-923X(2017)08-0122-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.020

2016-09-06

湖南省自科基金项目（12JJ3001）

周臻徽，硕士研究生

丁 科，教授，工学博士；E-mail：kding@sina.com

周臻徽，丁 科，何朝红，等. 竹质工程材料的力学性能试验研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(8): 122-128.

[本文编校：文凤鸣]