现代胶合竹的超声波检测与轴压强度的试验研究与分析

2020-12-16周年强赵龙龙

竹子学报 2020年1期

周年强，陈国，赵龙龙

（南京林业大学土木工程学院，江苏南京210037）

中国竹资源丰富，随着国家倡导绿色节能、生态环保的建筑理念，发展竹制建材和竹结构建筑方面具有天然优势和较大潜力。经现代加工工艺处理后的竹材人造板，克服了天然竹的材料缺陷和尺寸变异性，力学性能更加稳定，强度、延性也优于常用胶合木。目前应用较广的竹材人造板产品主要包括竹重组材、竹材刨花板、竹帘层积材、竹帘胶合板等，根据这些材料的特点再加工成不同的结构构件［1-2］，其中典型的结构用竹材包括竹材胶合板和竹重组材。

现代胶合竹是由足尺径的天然竹加工成定宽、定厚的竹片，干燥至含水率8% ～10%，再通过胶黏剂胶合而成，胶合竹中保留了原竹的竹片单元。目前，胶合竹/木的受力性能可通过清材小试件法和足尺试件法2种试验方法［3］来得到。清材小试件法是指将清材分别制作成较小尺寸的标准试件，并按照试验标准的规定测得清材力学性能的试验。操作简单方便、经济，一直是世界各国建立结构木材力学性能指标的主要方法，研究将参考清材小试件试验方案进行竹胶合材的强度检测。

无损检测是根据材料不同物理性质或化学性质，在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，对物体相关特性（如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等）进行检测与检验，作为一种非破坏性的检测手段，具有应用范围广泛、可靠性高、设备方便携带、操作简便、时间经济、对人体无伤害等特点。无损检测方式包括基频振动测试、超声波和应力波检测等，目前针对木材的超声波检测及探伤的研究成果比较丰富，Dackermann、Dündar、Parveen等［4-6］分别通过对木材力学性质试验和相应超声波速的研究确立两者的对应关系，国内张甜、张训亚、嵇伟兵、刘妍、齐永峰等［7-12］也利用超声波仪器对各类木材的力学性能做了预测评估。作为新型结构材料，研究竹材料的超声波特性对于其工程应用具有一定的促进意义。

实验以一批不同长度规格的竹帘胶合板小试件为研究对象，分别进行超声波检测和轴心受压强度试验，重点研究试件长度、清材原材叠合方向对抗压性能、弹性模量数据的影响，并分析试件的波速与抗压强度、弹性模量的关系，为无损检测相关试件材料的强度、弹性模量等性能指标提供依据。

1 试验概况

1.1 试验设计

试件取用原竹，去除竹青、竹黄破篾，形成单块截面尺寸为7 mm×20 mm基材，进行胶合、切削，按竹基材叠合方式分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3类，如图2所示，又根据试块高度不同，共分成了7组试件，各组试件的基本参数详见表1。

图1 7组试件Fig.1 Seven sets of test specimens

图2 3种受压试件示意图（单位：mm）Fig.2 Diagram of three kinds of compression test specimens

1.2 试验装置

采用国产SANS公司生产的多功能电液伺服液压试验机进行试件轴压强度试验。试验机最大可提供2 000 kN拉＼压作用力，精度等级0.5级，示值误差不超过±1.0%。试验机受压试验空间具有球面滑动支座，试验主要检测其抗压强度和弹性模量，如图3所示。

表1 试件设计Tab.1 Design of the laminated specimens

超声波仪选用为瑞士PROCEQ公司的PunditLab超声波检测仪，作为一种便携的非金属超声检测设备，可提供20-500 kHz的带宽，125-500 V的脉冲电压，其最大分辨率为0.1μs，并具有自动测量和记录等功能。设备如图4所示。

图3 轴压试验设备Fig.3 Test set-up for compression test

图4 PunditLab超声波检测仪Fig.4 Ultrasound testing unit Pundit Lab

1.3 试验方案

对于研究抗压强度及其弹性模量的试件尺寸，美国材料实验标准ASTMD143-1994《木材无疵小试样的试验方法》规定试件高宽比为4∶1，而中国规范GB1927～1943-1991《木材物理力学性质试验方法》规定试件的高宽比为3∶2，因为较小的试件长度对于超声波速检测的精度有影响，本次实验分别选择2∶1、3∶1、4∶1 3种试件高宽比进行试验。

图5 超声波波速测试示意图Fig.5 Schematic of test set up

在超声波波速的检测中，每个试件可以有3组对测面进行测试，分别是X向、Y向和Z向，考虑到重点研究抗压强度与波速的关系，因此对测面选择为抗压试验的受压面，即试件长轴上下2个截面，其测试示意图如图5。超声检测放在强度试验之前完成。

抗压强度试验依据进行加载制度设计和试验，试件加载初期采用荷载控制，当荷载达到极限荷载大约80%左右，改为位移控制。试验从加载到破坏所用时间控制在5～8 min以内。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态与分析

Ⅰ-100组试件呈现3种典型破坏特征：①试件中部挤溃，弯曲破坏；②柱上端局部挤压溃坏；③柱角端局部破坏，总体基本保持完好，如图6a所示。

Ⅱ-100组试件有一半试件出现材料从胶合面处剥离，脱落，另外一半不同程度出现基材内开裂。也可以分为3种破坏特征：①发生S型弯曲破坏，中间开胶；②发生腰鼓（中间膨胀）的受压破坏；③侧面的材料部分或全面剥离、脱落，如图6b。破坏现象说明该施压方向容易导致胶层的完全破坏。

Ⅲ-100组试件整体变形和破坏相对不明显，且虽然在截面X-Y两个方向的基材长宽比不一样，但发生弯曲的方向比较随机。主要分为2种破坏特征：①柱上端部压溃破坏；②柱中部弯曲破坏，如图5c。

Ⅰ-150组主要破坏特征为：①柱端压溃破坏，表现为破坏发生在端柱有多条纵向裂缝发生；②柱中外侧挤压破坏；③弯曲破坏，由于2端嵌固，整体呈现S型弯曲，如图6d。

Ⅱ-150组主要破坏特征为：①柱端压溃破坏，②③柱中纵向开裂破坏；②③柱上部纵向内部裂缝破坏，如图6e。

Ⅲ-150组、Ⅲ-200组与Ⅲ-100组类似，以弯曲破坏和柱上端压溃破坏为主，如图6f、6g。

从各组试件破坏现象看，胶合竹试件的破坏形式随着高度和基材叠合方式不同而异，但总体看，由于胶合强度较大，基本保证了大部分破坏发生试件基材内，而非基材接合面处。

图6 各组试件的典型破坏形态Fig.6 Typical failuremodes of each group of specimens

2.2 主要试验结果

表2 试验测试结果（平均值）Tab.2 Test results ofmaterial properties（mean value）

首先完成各组基本物理特性的测试，得到试件尺寸、质量，计算密度值；进行试块Z向超声波波速的测量；最后通过液压试验机进行强度试验，得到弹性模量和极限强度。各组数据列于表2中。从表2可以看出，3类测试组由于基材叠合方向即竹纤维分布方向不同，反映出的物理性质还是有明显区别。其中①平横纹抗压测试组（Ⅱ-100～150）的平均波速值、强度值、弹性模量值的都略优于同高度的立横纹抗压测试组（Ⅰ-100～150）；前者胶层数量较后者多，可能是由于胶水的粘结作用帮助提升了试块整体的强度。②顺纹测试组（Ⅲ-100～150～200）各平均波速值、强度值、弹性模量都较横纹组对应高度组高。③需要注意的是与文献［13-14］所提到的胶合竹材及原竹相比较，实验中顺纹测试组（Ⅲ）的弹性模量值指标整体偏小，这是由于原竹材存在明显的自身构造优势（中空、纤维分布完整等），以及不同加工处理方式也显著影响该值。

波速与各物理指标关系。一般认为对于均质材料，超声波波速与材料密度、强度、弹性模量等有相关性［6，8，12，15-16］。胶合竹试件为密实度较高的材料，尚未有相关性的研究，为此，针对上述实验数据进行各性能指标的波速相关性分析（图7）。

图7 波速与各特征量的关系Fig.7 Velocity and characteristic quantities

从图7可以看出：①密度与波速关系：不论叠合方式如何，所有试件材料的密度都是基本一致的；而超声波测试受叠合方式、测试方向影响，波速数据主要集中分布在2块区域。②波速与强度有较强的相关性，基本上强度越高，是波速越大，可以通过波速的测量来反推强度值；③波速与弹性模量有一定的相关性，即弹性模量越大，波速相对越大，但由于弹性模量的离散性较大，适合作定性分析。

各组试件的强度曲线汇总如图8所示。从试验曲线可以看出，各组试件都有弹性段、弹塑性和塑形段，表明该种材料具有弹塑性变形的能力，适合用在建筑抗震设计中，从强度上看顺纹施压的强度明显高于立横纹、平横纹施压，说明延着竹纤维纵向强度最高，但达到最大强度后其弹塑性强度没有再提升，塑性段甚至有降低，而横纹施压的材料在弹塑性段后强度仍有上升，尤其是平横纹组材料上升段尤为明显，表现了较强的韧性。