小径级竹材抗弯性能测试方法

2020-07-03代福宽潘怀志王传贵

世界竹藤通讯 2020年3期

代福宽潘怀志王传贵

(安徽农业大学合肥 230036)

随着绿色健康生活理念的普及，木材、竹材类产品越来越受到人们的钟爱。但是，随着我国天然林保护政策的实施以及越来越多的木材生产国出台禁止或限制原木出口的政策，我国木材供给缺口越来越大。随着竹材加工技术的发展，竹材利用范围越来越广泛，以竹代木成为解决木材资源缺口的最佳途径[1]。竹材材性研究对于材料的安全设计及工业利用起着决定性的作用[2-4]。目前，对于竹材的利用主要是对大径竹(胸径50 mm以上)进行工业化加工或者直接利用圆竹[5-6]；测定竹材物理力学性质的试验方法如国家标准《竹材物理力学性质实验方法》(GB/T15780-1995)[7]和国际标准《竹子物理和机械性能的测定》(ISO 22157-1—2004)[8-9]，也主要是针对大径竹而制定。对于小径竹(胸径50 mm以下)竹材物理力学性质测定方法的研究鲜见报道。本文选取几种材性较好的小径竹，研究其竹材力学性能的测定方法，为挖掘小径竹的工业利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在竹子产区安徽省六安市金寨县，选择箬竹(Indocalamustessellatus)、早园竹(Phyllostachyspropinqua)、水竹(Ph.heteroclada)、苦竹(Pleioblastusamarus)、笔竿竹(Pseudosasaguanxianensis)5种小径竹，分散随机选取有代表性、完好无缺陷的胸径50 mm以下的竹株，竹龄处于成熟期，以3～4年生竹为宜，每个竹种取15株。记录每个竹株的竹高、第1枝下高、竹节个数、最长节间、胸径以及采集地的地形[10-11]，并对竹株编号。从离地约50 cm的竹节处向上截取2～4 m竹段作为试验竹段。及时处理试材，防止出现开裂、霉变、腐朽和虫蛀等[12-13]。试材基本情况见表1。

1.2 试验设备

微型控制电子式万能试验机，支座中部半圆凹槽半径10 mm；电子天平，最小分度值0.1 mg；恒温恒湿箱，能调节相对湿度65%±5%，温度20±2 ℃；电热鼓风干燥箱，能保持103±2 ℃；数显游标卡尺，最小分度值0.01 mm[14]

表1 样竹和试验竹段基本情况

1.3 试验方法

1.3.1 试样处理

1) 测量试段直径。在样竹纵向随机选10个点，用游标卡尺测其直径，同一点在相互垂直的2个方向测量，求其平均值。

2) 截制试样。根据试段的平均直径，沿纵向按平均直径的8倍、10倍、12倍的长度锯制出抗弯弹性模量和抗弯强度试样若干(箬竹因直径太小，未加工8倍试样)。试样要求通直，避免竹节位于试样中部，可出现在两端夹持部位。

3) 含水率调整。将试样置于恒温恒湿箱，设置温度20±2 ℃、相对湿度65%±5%，使试样含水率稳定趋于一致，约为12%。

1.3.2 三点弯曲试验

1) 随机在试样中部和两端选取3点用游标卡尺测其外侧直径(D)，同一点在相互垂直的2个方向测量，求其平均值；以同样方法测定试样两端的内径直径，求其平均值(d)(或者测两端头的竹壁厚t)。

2) 三点弯曲试验装置如图1所示。调节下跨距L及上压头的位置(上压头厚15 mm，宽60 mm，压头圆弧半径7.5 mm；支座厚20 mm，宽60 mm，圆弧半径10 mm，中部凹槽半径10 mm)。加载上压头位于支座中间，且使上压头和支座的圆柱面轴线相平行。

图1 三点弯曲试验装置示意图(左为正视图；右为侧视图)

3) 按照图1所示，将试样置于支座上，采用中央单点加载，沿试样径向以5 mm/min的均匀速度加载，加压至弹性极限以下，随即卸压。每个试样重复5次；记录后3次的下限载荷P1对应的位移f1和上限载荷P2对应的位移f2。

4) 上述步骤做完，如果试样完好，可接着做抗弯强度试验。同样采用中央单点加载方式，沿试样径向以均匀速度加载，控制试样破坏时间为60±30 s[7]。记录破环载荷Pmax。

5) 在试样加载位置截取样品测定试样含水率，测定方法依据标准“GB/T 15780-1995”进行。

6) 计算试样的抗弯弹性模量和抗弯强度。将试样近似为标准的管状件计算，计算公式为[15-16]：

公式中：EW：试样在W%含水率时的抗弯弹性模量，单位MPa；σbW：试样在W%含水率时的抗弯强度，单位MPa；Pmax：试样破环载荷，单位N；ΔP：上下限载荷之差P2、P1之差，单位N；Δf：上下限载荷对应的变形量f2、f1之差，单位mm；L：两支座间的跨距，单位mm；D：试样的平均外径，单位mm；d：试样的平均内径，单位mm；t：试样的平均壁厚，单位mm。

1.3.3 四点弯曲试验

四点弯曲试验装置如图2所示，试验过程基本与三点弯曲试验相同，区别在于：试样长度采用平均外径的12倍；支座和压头规格同“三点弯曲试验”，但采用2个压头，对称布置[17]；抗弯弹性模量的计算公式[15-16]为；

图2 四点弯曲试验装置示意图(左为正视图；右为侧视图)

2 结果与分析

2.1 不同长径比对竹材抗弯弹性模量的影响

标准差用来表示同一组试验数据的离散程度，标准差越小，试验数据越稳定[18]。5种竹材不同长径比对抗弯弹性模量标准差的影响如图3所示，可以看出，除早园竹外，其他4种竹材以长径比为12倍的试样标准差最小。其中，笔竿竹长径比为12倍的试样抗弯弹性模量的标准差最小为1 853 MPa。

图3 试样不同长径比对竹材抗弯弹性模量标准差的影响

标准误差用来衡量同一组数据抽样误差，标准误差越小，数据越可靠[19]。5种竹材不同长径比对抗弯弹性模量标准误差的影响如图4所示，可以看出，早园竹长径比为12倍的试样标准误差略高于10倍的试样，其余4种竹材皆为长径比为12倍的试样标准误差最小，其中笔竿竹长径比为12倍的试样抗弯弹性模量的标准误差最小为405 MPa。

图4 试样不同长径比对竹材抗弯弹性模量标准误差的影响

试验数据的变异系数越小，说明数据的离散程度越小[20]。5种竹材不同长径比对抗弯弹性模量变异系数的影响如图5所示，可见5种竹材的抗弯弹性模量在3种长径比中，均随着长径比的增大而减小，其中笔竿竹长径比为12倍的试样变异系数最小为9.93%。

图5 试样不同长径比对竹材抗弯弹性模量变异系数的影响

综上所述，长径比12倍的试样，用于测试抗弯弹性模量最好。数据比较稳定，可靠性较好，变异系数最小。意味着需要准备的最小试样数量就最少，整个试验的操作就相对容易，试验数据更加准确。

2.2 竹材不同长径比对抗弯强度的影响

5种竹材试样不同长径比对其抗弯强度标准差的影响见图6。苦竹、水竹和笔竿竹的竹材长径比为12倍的试样标准差最小，其中水竹最小为10.8 MPa；箬竹和早园竹试样长径比为10倍时标准差最小，其中10倍的箬竹试样标准差为11.8 MPa。

图6 试样不同长径比对竹材抗弯强度标准差的影响

5种竹材试样不同长径比对抗弯强度标准误差的影响见图7。苦竹、水竹和笔竿竹的长径比为12倍的试样标准误差最小，其中水竹最小为2.5 MPa。早园竹长径比为10倍和12倍的试样标准误差相差不大，10倍的标准误差略小些。箬竹试样长径比为12倍的标准误差大于10倍的标准误差。

图7 试样不同长径比对竹材抗弯强度标准误差的影响

图8 试样不同长径比对竹材抗弯强度变异系数的影响

5种竹材试样不同长径比对抗弯强度变异系数的影响见图8。苦竹、早园竹和笔竿竹的试样变异系数对于3种长径比，均随长径比的增加而降低，其中苦竹的变异系数最小为12.4%。早园竹长径比为12倍的试样，其变异系数低于8倍的试样，而高于10倍的试样。箬竹的10倍的试样变异系数低于12倍的试样。

综上可见，长径比为12倍的试样，用于测试抗弯强度较好，数据比较稳定，可靠性好，变异系数小。这表明，在测试竹材的抗弯强度时，只需准备较少的试样数量，即可获得更为准确的试验数据。对于早园竹，长径比为10倍的试样优于12倍的试样；对于箬竹，由于箬竹外径太小，12倍的试样的刚度低，导致12倍的试样的数据变异系数较大。

2.3 三点弯曲和四点弯曲测定抗弯弹性模量的对比

选用早园竹和水竹的长径比为12倍的试样分别进行三点弯曲法和四点弯曲法测定抗弯弹性模量试验。统计分析显示：对于早园竹，三点弯曲弹性模量与四点弯曲弹性模量的相关系数为0.865，相应的概率值为0.000(P<0.01)，表明2种测定方法之间的差异呈极显著水平；对于水竹，2种测定方法之间的相关系数为0.613，相应的概率为0.015(P<0.05)，呈显著差异；早园竹和水竹的三点弯曲法的变异系数均小于四点弯曲法。

对比试验显示，三点弯曲法测定弹性模量要优于四点弯曲法。此外，三点弯曲法的优点还在于：试验仪器简单，操作容易，可降低试验误差；计算弹性模量公式简单，容易计算；而且由于竹材试样具有一定的尖削度，采用四点弯曲法时，2个压头无法同时接触试样，就会出现图9中的情况。试验力与位移曲线在正比阶段出现折线。倘若取上下限载荷点不正确，会引起很大误差。

图9 试验力与位移曲线

2.4 竹材抗弯弹性模量和抗弯强度

采用三点弯曲试验法测得的5种竹材抗弯弹性模量和抗弯强度见表2。张丹等[21]同样以圆竹为测试单元对毛竹进行力学性能测试，其中表现较好的4年生毛竹顶部抗弯强度平均值为77.65 MPa，抗弯弹性模量为12.82 GPa。箬竹、早园竹、苦竹、笔竿竹的抗弯强度均高于毛竹，箬竹和笔竿竹的抗弯弹性模量高于毛竹。