类木材料抗剪及抗拉强度的试验研究

张鑫 张华刚 吴琴 刘红帆 李军

摘要：类木材料是以植物纤维和氧化镁为主要原材料，通过加入由氯化镁、可溶性硫酸盐和磷酸盐、分析纯酒石酸制备的溶液拌和均匀后，经高压静置固化成形的无机胶凝人工集成材。为将这种材料应用到建筑结构中，本文通过21个短梁的抗剪试验和30个立方体试件的劈裂抗拉试验来测定其抗剪强度和抗拉强度。结果表明：材料的微观结构成絮状，化学晶体不能完全充填微孔隙：两种试件的破坏均较为突然，延性较差：短梁抗剪破坏时，试件中部出现竖向裂缝但开展缓慢，而剪切面裂缝迅速贯通试件：立方体试件劈裂受拉破坏时，在平行于垫条的侧面产生横向裂缝，破坏时竖向裂缝迅速贯通劈裂面;材料的密度测试值为1314kg/m，变异系数为0.042;材料的内孔隙或纤维的顺向排列对强度影响较大，抗剪强度测试值为3.86MPa、变异系数为0.101.抗拉强度测试值为3.17MPa、变异系数为0.078。

关键词：类木材料：木结构;抗剪强度：抗拉强度;试验研究

中图分类号：TU526：TU502.6文献标识码：A

木材是传统建筑材料，宋代《营造法式》系统地总结了我国的传统木结构体系，现行相关标准给出了较为详尽的木材强度指标，因此当前对传统木结构的研究主要为结构的受力性能、抗震性能、修缮加固、防火性能等方面。原木具有构造不均匀性、受力各向异性的特点，木节、裂纹等天然缺陷较多，且易吸潮变形和易腐虫蛀，因此近年来国内外开展了大量胶合木结构的研究工作，我国编制的《胶合木结构技术规范》GB/T50708.对现代木结构的发展起到了巨大的推动性作用。胶合木材质相对均匀、强度较高、具有良好的耐腐蚀性能和抗火性能，便于制作大尺寸构件。张庆等开展的层板胶合木和原木简支梁受弯对比试验表明，胶合木梁的受力性能要优于原木梁。为了提高胶合木结构的延性和承载力，也有学者在开展配筋胶合木结构和预应力胶合木结构的研究，这些工作对现代木结构的发展具有重要意义。但胶合木的制作仍然会消耗大量原木，可用林资源短缺是制约现代木结构发展的关键因素。

我国的秸秆等植物资源十分丰富，但总体利用率不高，因此有必要寻求植物纤维在建筑结构中利用的新途径。以植物纤维和氧化镁为主制备的材料，是一种类似于木材的新型无机胶凝人工集成材料，这种材料不含甲醛，生产成本低且易于加工。刘艳君等的研究表明，这种材料具有较好的抗压和抗弯性能，将其用于建筑结构，构件的外观尺寸相当于混凝土构件的外观尺寸，而密度与常用木材的密度相当。为便于工程应用，有必要系统开展这种材料力学性能的研究工作。

抗剪强度和抗拉强度是评价材料力学性能的基本指标，由于目前尚无这种材料的试验标准，文献的研究结果有可能忽略了试件的尺寸效应，因此本文参照砂浆力学性能试验标准来测定类木材料的抗拉和抗剪强度，以期为工程应用提供依据。

1 试验概况

1.1试验材料

基于文献的原材料配合比，将干燥的秸秆和木屑颗粒掺人氧化镁拌和均匀、再加入由氯化镁、可溶性硫酸盐和磷酸盐、分析纯酒石酸等制备的溶液后，注模加压、静置固化后得到类木材料。

本文的原材料制备工作在贵州理工环保新材料研究有限公司生产厂房内完成，全部试件采用类木材料切割得到。

1.2试件设计

本文共制作了21个短梁试件进行抗剪强度试验，试件的理论尺寸为100mm×100mm×300mm：对抗拉强度试验，共制作了30个边长为100mm的立方体试件。两种试件的实测几何参数分别如表1和表2所示。

1.3加载装置及制度

全部试验在贵州省结构工程重点实验室完成，荷载均采用50t油压千斤顶施加，通过与YC-4-300轮辐式传感器相连的TST3826F-H（W）测试分析系统来读取荷载值。

1.3.1抗剪强度试验

本文采用短梁剪切法进行类木材料的抗剪强度试验，装置如图1所示，试件在几何对中后，按0.5～1.0kN/s的速率进行匀速加载直至破坏。

1.3.2抗拉强度试验

材料的抗拉强度采用劈裂抗拉法测定，加载装置如图2所示，在试件上、下端放置的垫条宽度和厚度均为20mm，加载速率为0.2～0.5kN/s，勻速加载至试件破坏。

本文参照砂浆力学性能试验标准按下述要求来评定测试结果：当结果数值与中间值之差超过20%时将其舍去，用剩余结果的算术平均值作为材料的抗剪强度。则本文剔除了结果中的7个较大值和3个较小值，共获得11个有效数据，如表5所示。材料抗剪强度的最大值为4.65MPa，最小值为3.46MPa，平均值为3.86MPa，标准差为0.39MPa，变异系数为0.101。可见材料的抗剪强度与常用木材顺纹向的抗剪强度相当。

3.3抗拉强度试验

30个立方体试件的劈裂抗拉强度测试结果如图7所示，结果的差异仍然较大。

剔除与测试结果中间值相差20%的数据后，用剩余结果的平均值来评定抗拉强度，则共获得22个立方体试件的有效数据，如表6所示。抗拉强度的最大值为3.58MPa，最小值为2.55MPa，平均值为3.17MPa，标准差为0.25MPa，变异系数为0.078。抗拉强度远低于常用木材的顺纹抗拉强度，因此还应从原材料配合比或结构构造上采取措施提高结构的抗拉承载力。

4 结论

（1）类木材料的微观结构成絮状，植物纤维搭桥后形成的微孔隙不能被化学晶体完全填充，且纤维有顺向排列现象。这些缺陷将影响材料的力学性能，因此应加强原材料的拌和措施。

（2）无论短梁试件抗剪还是立方体试件劈裂抗拉，破坏均较为突然，表明材料的延性较差，且劈裂抗拉时，试件有明显的横向变形。

（3）材料的密度测试值为1314kg/m，变异系数为0.042。材料密度大体相当于常用木材的密度。

（4）短梁试件抗剪强度测试结果的离散性较大，剔除无效数据后，类木材料的抗剪强度测试值为3.86MPa，变异系数为0.101。抗剪强度接近常用木材的抗剪强度。

（5）通过立方体试件劈裂抗拉测定的材料抗拉强度值为3.17MPa，变异系数为0.078。材料抗拉强度远低于常用木材的顺纹向抗拉强度，因此还应采取措施提高材料应用的抗拉承载力。