不同使用年限的柏木基本材料力学性能试验对比研究

2019-06-07刘德贵陈科材邓云毅李建春

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年6期

刘德贵，陈科材，邓云毅，李建春

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.宜宾市公路局，四川宜宾 644000;3.石榴置业集团股份有限公司，北京 102488)

木材作为传统建筑材料，绿色环保、低碳节能、强度比(强度/比重)高、能耗低，由其修建的木结构房屋具有自然亲和力、抗震性能好等优点，以致木结构建筑结构存在并被广泛使用.木材的抗压、抗拉、抗弯强度等基本力学性能指标在木结构的相关设计、计算和研究中非常重要.近年来，工程领域越来越关注木结构等各类结构的全寿命设计受力性能并构建相关理论[1-2].木材材料力学性能受温度、湿度和环境腐蚀等多种因素的影响，随使用时间增长[3]木材各项强度指标降低，材质劣化等问题；该方面的研究受到了国内外学者的重视关注.Getharsds C.C等[4-5]指出木材的强度是随时间变化的，进行了木材在荷载作用下失效时间的测定试验，建立的参数评估模型描述木材强度随时间的发展.我国《古建筑木结构维护与加固规范》编制组20世纪70、80年代进行了我国应县木塔、晋祠景清门等古木结构的用材与现代木材强度的对比试验，结果发现木材强度都因使用年限久远而产生了不同程度的降低.近年来，徐明刚[6]等也开展了古建筑旧木材材性试验，并与新木材对比，得到了旧木材顺纹抗压强度、横纹强度、抗弯强度、抗弯弹性模量等力学指标的变化趋势.赵鸿铁[7]等指出在古建筑木结构受力性能研究时，多数试验所用材料为新木材，并没有考虑由于强度退化等残损情况对木材受力性能的影响.谢妍[7]提出在修缮古建木结构时，木材的材料力学性能已出现退化，强度降低，修缮加固时应考虑强度折减.木材力学性能指标虽然已有相关的试验标准和方法[9-14]，但文献表明，采用新木材获得的木材强度指标实际不能作为木结构在全寿命周期内的强度指标，为此研究木材强度随时间增长的变化规律，对研究木结构全寿命周期受力性能具有意义.

柏木是古建木结构和传统木结构常用的建筑材料[14]，本文基于传统木结构农房调研机会，在四川省绵阳市梓潼县的某乡村现场收集了修建年代不同的木结构建筑使用过的柏木(1 a、10 a、40 a和80 a)，对这些柏木进行了抗压、抗拉和抗弯试验，获取了不同使用年限(时间)柏木的抗压强度、抗拉强度、弯曲抗拉强度及弹性模量等力学性能指标，初步探讨了木材强度指标随时间的变化规律.

1 试验材料

本次试验所采用柏木采样均收集于绵阳市梓潼县某乡同一村，保证了木材具有相同生长环境和试样可比性，不同使用年限木材如图1所示.测定了4种不同使用年限木材的含水率[9-10]，含水率试样为30 mm×20 mm×20 mm的木块.试样和含水率试验如图2、3所示，四种不同使用年限柏木的含水率分别为14.33%(1 a)，12.78%(10 a)，10.33%(40 a)，9.49%(80 a).四种不同使用年限柏木的干密度分别为：0.585 g/cm3(1 a)、0.704 g/cm3(10 a)、0.614 g/cm3(40 a)和0.663 g/cm3(80 a).

图1 试验木材

图2 柏木含水率试样

图3 柏木含水率试验

2 柏木顺纹抗压试验

2.1 试样制作及试验方法

不同使用年限柏木顺纹抗压强度试验根据相关标准[9,11]开展.对4种不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分别取6个试样(图4)进行其顺纹抗压强度测定，试样尺寸为：30 mm×20 mm×20 mm.试验在材料万能试验机上进行(图5)，加载速度为1 mm/min.

图4 抗压试验试块

图5 柏木抗压试验

2.2 试验现象及结果分析

4种不同使用年限柏木的顺纹抗压试验，在试件受压破坏时，均会产生顺纹方向的开裂(图6)，1 a和10 a柏木试样开裂时，无明显劈裂响声，但40 a和80 a的柏木试样，受压破坏开裂时产生了明显的劈裂声.说明柏木随使用年限或时间的增长，会表现出明显的脆性.

图6 抗压试验试样典型破坏形态

观察4种不同使用年限柏木的荷载-位移关系曲线(图7)，可以发现不同使用年限柏木的顺纹抗压性能存在差异.1 a、10 a、40 a柏木试样有明显的比例极限荷载，后经过一定阶段的硬化后才达到其极限荷载，而80 a柏木的试样荷载-位移关系曲线没有硬化阶段，达到其极限荷载后，很快进入下降段并破坏；同时，10 a柏木的抗压荷载-位移关系曲线具有较长的近平直段.1 a、10 a、40 a和80 a柏木抗压延性系数分别为3.877、9.685、3.745和1.0，荷载-位移关系曲线和延性系数表明，10 a柏木表现出较好的抗压延性变形能力，1 a和40 a柏木有一定的延性变形能力，而80 a柏木则表现出明显的脆性.

图7 不同使用年限柏木代表性抗压试验荷载-位移曲线

表1 不同使用年限柏木的抗压强度

各不同使用年限柏木抗压强度如表1和图8所示.数据表明，1 a的柏木抗压强度最高，为31.81 MPa，随着年限的增长，抗压强度逐渐降低，10 a的柏木抗压强度较1年柏木的抗压强度有一定程度降低，40 a的柏木抗压强度较1 a柏木的抗压强度低33.6%，80 a的柏木抗压强度较1 a木材的抗压强度低45.1%，80 a的柏木抗压强度值最低，最低为17.47 MPa.

图8 不同使用年限柏木抗压强度值

3 柏木顺纹抗拉试验

3.1 试样制作及试验方法

不同使用年限柏木顺纹抗拉强度试验根据相关标准[9,12]开展.对四种不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分别取6个试样进行其顺纹抗拉强度测定，试样(图9)标准段尺寸[11]为：4 mm×15 mm×60 mm，总长度为370 mm；试验在材料万能试验机上进行(图10)，加载速度为2 mm/min.

图9 抗拉试验试件

图10 柏木的抗拉试验

3.2 试验现象及结果分析

柏木的顺纹抗拉试验过程中，不会出现明显的缩颈现象，在达到受拉极限强度时，试样突然拉断，拉断基本垂直于试件长度方向，部分呈倾斜状(图11).1 a、10 a、40 a的柏木试样拉断时无明显劈裂响声，80 a的柏木试样拉断时有较大的劈裂响声.这也说明木材随使用年限增长，会表现出明显的脆性.

图11 抗拉试验典型破坏形态

图12所示抗拉试验荷载-位移关系曲线表明，不同使用年限柏木的顺纹抗拉性能同样存在差异，10 a柏木试样达到极限抗拉荷载后有一段硬化阶段，且抗拉极限荷载也最大，40 a柏木次之，1 a和80 a柏木极限抗拉荷载较为接近并最低.

图12 不同使用年限柏木代表性抗拉荷载-位移曲线

表2和图13所示4种不同使用年限柏木的抗拉强度值表明，10 a的柏木抗拉强度最高，为126.86 MPa，80 a的柏木抗拉强度值最低，为80.40 MPa.随着年限的增长，柏木抗拉强度并不是逐渐降低的，而在一定年限内，抗拉强度有所提高，之后逐渐降低.本次试验10 a的柏木抗拉强度比1 a柏木的抗拉强度高51.1%，40 a的柏木抗拉强度较10 a木材的抗拉强度低17.8%，80 a的柏木抗拉强度较10 a木材的抗拉强度低36.6%.

表2 不同使用年限柏木的抗拉强度

图13 不同使用年限柏木的抗拉强度值

4 柏木弯曲抗拉强度试验

4.1 试样制作及试验方法

根据相关标准[9,13-14]，对1 a、10 a、40 a、80 a的柏木进行弯曲抗拉强度试验(图15)，其试件(图14)尺寸为：20 mm×20 mm×300 mm.同时，也测定了柏木的抗弯弹性模量.试验加载采用位移增量控制，加载速度为1 mm/min.

图14 抗弯试验试件

图15 柏木弯曲抗拉强度试验

4.2 试验现象及结果分析

图16 柏木抗弯试验典型破坏形态

4种不同使用年限柏木的抗弯破坏现象均是先在试件跨中下缘出现一短小竖向垂直拉裂缝，然后沿柏木顺纹出现破裂现象(图16).在破坏时，80 a的柏木在受弯破坏时，有明显的劈裂声，其它年限柏木未出现明显的劈裂声.再次说明柏木随着使用时间的增长，表现出明显的脆性.图17所示4种不同使用年限柏木的弯曲抗拉强度试验荷载-位移关系曲线表明，10 a柏木弯曲抗拉极限荷载最大，40 a次之，80 a最小.表3和图18所示不同使用年限柏木弯曲抗拉强度值表明：与柏木的顺纹抗拉强度类似，10 a的柏木弯曲抗拉强度最高，为197.68 MPa，80 a的柏木弯曲抗拉强度最低，为101 MPa.10 a的柏木抗弯强度比1 a柏木的抗弯强度高75.2%，40 a柏木弯曲抗拉强度较10 a柏木的弯曲抗拉强度低22.8%，80 a的柏木弯曲抗拉强度较10 a柏木的弯曲抗拉强度低48.9%.随着使用年限的增长，在一定年限内，弯曲抗拉强度有所提高，到一定年限后之后逐渐降低.

图17 不同使用年限柏木代表性弯曲抗拉试验荷载-位移曲线

表3 不同使用年限柏木的极限抗弯强度

图18 试件的抗弯强度值

表4 柏木的抗弯弹性模量值

同时，根据抗弯弹性模量计算公式[12]整理出了不同使用年限柏木的抗弯弹性模量(表4)，也绘制了柏木抗弯弹性模量随使用年限的规律图(图19).表4数据和图19表明，10 a柏木的抗弯弹性模量最大，为11 993 MPa，80 a柏木的抗弯弹性模量最低，为7 691 MPa.10 a的柏木弯曲弹性模量比1 a弯曲弹性模量高28.2%，40 a柏木弯曲弹性模量较10 a柏木的弯曲弹性模量低5.7%，80 a的柏木弯曲弹性模量较10 a木材的弯曲弹性模量低35.9%.说明在一定年限范围内，柏木的抗弯弹性模量是增加的，达到最大值后，又逐渐降低.