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

(1．贵州大学空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003；2．贵州省结构工程重点实验室，贵州 贵阳 550025；3．贵州理工环保新材料研究有限公司，贵州 贵阳 550081)

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[1]，现行相关标准给出了较为详尽的木材强度指标[2]，因此当前对传统木结构的研究主要为结构的受力性能[3]、抗震性能[4、5]、修缮加固[6]、防火性能[7]等方面。原木具有构造不均匀性、受力各向异性的特点[8]，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[9]，便于制作大尺寸构件。张庆[10]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[11]和预应力胶合木结构[12]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[13]，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[14]，这种材料不含甲醛，生产成本低且易于加工。刘艳君[15]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[15]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[14]的原材料配合比，将干燥的秸秆和木屑颗粒掺入氧化镁拌和均匀、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100 mm×100 mm×300 mm；对抗拉强度试验，共制作了30个边长为100 mm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。

表1 短梁试件的基本几何参数Tab.1 Basic parameters of short beam specimens

表2 立方体试件的基本几何参数Tab.2 Basic parameters of cube specimens

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50 t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0.51.0 kN/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20 mm，加载速率为0.20.5 kN/s，匀速加载至试件破坏。

图1 抗剪强度试验加载装置Fig.1 Loading device for shear strength test

图2 抗拉强度试验加载装置Fig.2 Loading device for tensile strength test

2 试验现象

2.1 材料的微观结构

采用S-3400电子扫描显微镜观察材料样品，发现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完全被化学晶体所充填，如图3(a)所示；此外还可以观察到原材料由于拌和不均匀引起纤维的顺向排列现象，如图3(b)所示。这些因素会影响材料的力学性能指标及材料的压缩性能。

图3 材料的SEM形貌分析Fig.3 SEM of materials morphology photographs

2.2 抗剪强度试验

短梁抗剪的典型破坏状态如图4所示。加载至破坏荷载的75%左右时，可观察到试件侧面中间处下部出现竖向裂缝，并随荷载的增加而逐渐向上延伸；接近破坏荷载时，短梁的两个剪切面几乎同时出现竖向裂缝，且迅速延伸并贯通剪切面，而中部竖向裂缝的开展较缓慢。试件破坏较为突然，部分试件的中部裂缝贯通了全截面。

图4 抗剪试件的典型破坏状态Fig.4 Typical failure modes of sheer specimens

2.3 抗拉强度试验

随着荷载增大，立方体试件产生横向变形，垫条逐渐被压入。加载接近破坏荷载时，试件横向变形明显，在垫条处出现竖向裂缝，且在试件侧面产生横向裂缝。至破坏荷载时，竖向裂缝迅速开展并贯通试件截面，破坏较为突然，破坏后试件被崩裂为两块或四块破坏体。典型破坏状态如图5所示。

图5 抗拉试件的典型破坏状态Fig.5 Typical failure modes of tensile specimens

3 试验结果及分析

3.1 材料密度

全部短梁试件和立方体试件的质量测定结果分别如表3和表4所示，可得类木材料的密度平均值为1 314 kg/m3，标准差为55 kg/m3，变异系数为0.042。本文测定的材料密度结果与文献[15]大体相当，且材料的密度与常用木材的密度接近。

3.2 抗剪强度试验

抗剪强度由破坏荷载和剪切面计算得到。21个短梁试件的抗剪强度测试结果如图6所示，可见结果差异较大，表明材料的内孔隙或植物纤维的顺向排列对抗剪强度影响较大。

表3 短梁试件的材料密度测试结果Tab.3 Test results for material density of short beam specimens

表4 立方体试件的材料密度测试结果Tab.4 Test results for material density of cube specimens

图6 短梁试件抗剪强度测试结果Fig.6 Shear strength of short beam specimens

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4.65 MPa，最小值为3.46 MPa，平均值为3.86 MPa，标准差为0.39 MPa，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。

表5 短梁试件抗剪强度的有效测试结果Tab.5 Effective of shear strength for short beam specimens

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。

图7 立方体试件抗拉强度测试结果Fig.7 Tensile strength of cube specimens

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3.58 MPa，最小值为2.55 MPa，平均值为3.17 MPa，标准差为0.25 MPa，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。

表6 立方体试件抗拉强度的有效测试结果Tab.6 Effective tensile strength of cube specimens

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1 314 kg/m3，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3.86 MPa，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3.17 MPa，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。