结构用工程竹抗紫外线老化性能的试验研究*

2021-02-23冷予冰许清风刘可为

建筑结构 2021年2期

冷予冰，许清风，刘可为

(1 上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032； 2 国际竹藤组织，北京 100102)

0 引言

竹材是绿色环保的生物质材料，具有可再生、易降解、强重比高、轻质抗震、保温隔热性能好等优点，竹材生长周期短，4～6年即可成材，我国是世界最大的竹产地，竹材资源丰富。由竹材加工而成的工程竹物理性能更加稳定、力学性能得到提升，是竹结构建筑从个体化走向工业化的突破。

室外建筑材料会遭受多种因素的影响，如温湿度变化、紫外线辐射、酸雨、真菌、虫蛀等。竹材中的纤维素、木质素等生物质成分在自然环境下易发生老化变质，颜色和物理力学性能将发生不可逆变化，使结构安全性降低[1-2]。但竹材与木材的生物构成和内部孔隙结构有明显差别，二者的老化速度以及对外界因素的敏感程度不同，相应的防护措施也应不同。

关于工程竹材的耐久性能，陈杰[3]进行了Glubam胶合竹的人工加速老化试验，模拟自然气候中的太阳光照和降雨对其的影响，经过一定周期的光照和喷淋循环后，测试了老化后胶合竹的物理力学性能；张禄晟等[4]研究了经防腐处理后的竹集成材的耐腐性能，采用水载铜基防腐剂季铵铜和铜唑进行防腐处理，并通过失重率来评价耐腐性能；秦莉等[5-6]研究了热处理后竹束制备的重组竹的人工模拟气候加速老化性能、室外自然老化性能、循环加速老化性能及防霉耐腐性能，探讨了人工加速老化与室外自然老化的关系，揭示了在不同老化环境下重组竹材料性能变化规律；张亚慧等[7]进行了3～4年生毛竹和慈竹生产的竹基纤维复合材料的循环暴露试验，模拟户外自然条件的变化对力学性能和尺寸稳定性的影响；魏万姝等[8]研究了不同竹龄慈竹重组竹的天然耐腐及防霉性能。以上工程竹材相关研究表明，竹基纤维复合产品受到自然条件的影响会发生不同程度的老化，总体来说，重组竹因在竹丝束单元层面经过浸胶和热压(或冷压)处理，其抗老化性能要优于胶合竹。

自然界中的气候变化是多种因素共同作用的结果，过程漫长而复杂，采用加速老化试验能够在较短的时间内模拟气候条件的变化[6]。紫外线辐射约占太阳光总辐射量的5%，但却是影响材料老化的最主要因素之一。本文通过人工加速老化试验，模拟太阳光中的紫外线辐射，加上温湿度循环变化的影响，测试未经防护处理的胶合竹、重组竹的物理力学性能，并将其和花旗松木材在紫外线辐射下的物理力学性能变化进行对比，评价胶合竹、重组竹和花旗松木材的抗紫外线老化性能。

1 试验方案

选取结构设计中常用且稳定、易测的参数来衡量工程竹和对比花旗松木材在紫外线辐射条件下的物理力学性能变化规律。试验选用的胶合竹以定宽精刨竹片为构成单元，干燥至含水率8%～12%，按顺纹组坯热压胶合而成，重组竹以竹丝束为基本单元，浸渍水溶性酚醛树脂，干燥后按顺纹组坯热压胶合而成。

由于目前尚无针对工程竹材的试验方法，试验参考木材的相关测试标准进行，测试项目包括尺寸变化和密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、顺纹抗拉强度，测试尺寸变化和密度的试件尺寸为20mm×20mm×20mm，测试抗弯强度、抗弯弹性模量的试件尺寸为20mm×20mm×200mm，测试顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量的试件尺寸分别为20mm×20mm×30mm，20mm×20mm×60mm，测试顺纹抗拉强度的试件尺寸见图1。试验分别参照《木材密度测定方法》(GB/T 1933—2009)、《木材抗弯强度试验方法》(GB/T 1936.1—2009)、《木材抗弯弹性模量测定方法》(GB/T 1936.2—2009)、《木材顺纹抗压强度试验方法》(GB/T 1935—2009)、《木材顺纹抗压弹性模量测定方法》(GB/T 15777—1995)、《木材顺纹抗拉强度试验方法》(GB/T 1938—2009)进行。

图1 顺纹抗拉强度试件尺寸

紫外线加速老化处理方法参考美国材料试验协会的ASTM G53-96[9]和我国国家标准《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候加速试验方法荧光紫外灯》(GB/T 14522—2008)[10]进行。

试验在紫外线老化试验箱中进行，如图2所示。试件保持一个面直接承受紫外线辐射。设置光照时黑板温度60℃，冷凝时黑板温度30℃，试验箱的紫外线辐射照度为0.89mW/cm2，模拟测试的循环时间为辐射8h+冷凝4h，经过辐射循环7，14，28，56d后，测试试件的物理力学性能变化。

图2 紫外线老化试验装置

每个辐射时间下，每组胶合竹、重组竹和花旗松木材各测试6个试件，并设置一组对比试件置于恒温恒湿箱中(温度(20±2)℃，湿度(65±5)%)。老化处理完毕后，将试件置于恒温恒湿箱中养护至平衡含水率再进行物理力学性能测试。

2 试验结果

2.1 物理性能变化

经过辐射循环7，14，28，56d后，胶合竹、重组竹和花旗松木材试件的颜色变化如图3所示。花旗松木材在辐射14d之后，受辐射面的颜色开始明显变深，主要原因在于木材中吸收紫外光的官能团，如羰基、苯酚性羟基等，不同官能团吸收紫外光后使木材材色变深或变浅[11]；胶合竹在辐射14d之后，颜色也变黄，但颜色变化程度小于花旗松木材；重组竹由于本身颜色较深，辐射后的颜色变化不明显。

20mm×20mm×20mm试件的三个方向尺寸的平均变化如表1所示，其中L1为顺纹方向，L2和L3为横纹方向，胶合竹的L3为竹片胶合侧压的方向，正值表示膨胀，负值表示收缩。试件经紫外线辐射老化前后的平均密度如表2所示，其中老化后的密度为养护至平衡含水率后的密度。

由表1和表2可知，经紫外线辐射后，胶合竹在侧压胶合的方向略有收缩，在另外两个方向表现为膨胀，重组竹三个方向均表现为收缩，花旗松木材顺纹方向表现为膨胀，横纹方向表现为收缩，但尺寸和密度的变化率均在1%以内；在当前试验条件下，三种材料的尺寸和密度均未发生明显变化。

试件经紫外线辐射老化前后的密度/(kg/m3) 表2

2.2 力学性能变化

经紫外线辐射后，三种材料的力学性能均出现不同程度的下降。

所有抗弯强度和抗弯弹性模量试件均为加载时的受拉面承受紫外线辐射，经辐射循环7，14，28，56d后，三种材料的抗弯强度变化如图4所示。由图4可知，重组竹的抗弯强度比较稳定，而花旗松木材和胶合竹的试件抗弯强度下降都比较明显；到56d时，试件抗弯强度降幅表现为花旗松木材>胶合竹>重组竹，降幅分别为初始抗弯强度的29.3%，26.3%，5.1%。

图4 抗弯强度随紫外线辐射时间的变化曲线

三种材料的试件抗弯弹性模量变化如图5所示。由图5可知，试件抗弯弹性模量与抗弯强度的变化趋势一致。重组竹的抗弯弹性模量降幅最小，胶合竹和花旗松木材的试件抗弯弹性模量从7d开始就有明显下降；到56d时，试件抗弯弹性模量的降幅表现为花旗松木材>胶合竹>重组竹，降幅分别为初始抗弯弹性模量的37.1%，20.5%，14.3%。

图5 抗弯弹性模量随紫外线辐射时间的变化曲线

经紫外线辐射循环7，14，28，56d后，胶合竹、重组竹和花旗松木材试件的顺纹抗压强度变化如图6所示。由图6可知，三种材料的顺纹抗压强度都有明显下降；到56d时，试件顺纹抗压强度降幅表现为胶合竹>重组竹>花旗松木材，降幅分别为初始顺纹抗压强度的40.5%，28.7%，24.2%。

图6 顺纹抗压强度随紫外线辐射时间的变化曲线

经紫外线辐射循环7，14，28，56d后，胶合竹、重组竹和花旗松木材试件的顺纹抗压弹性模量变化见图7。由图7可知，花旗松木材顺纹抗压弹性模量在28d到56d间的降幅最为明显；到56d时，试件顺纹抗压弹性模量降幅表现为花旗松木材>胶合竹>重组竹，降幅分别为初始顺纹抗压弹性模量的23.0%，13.7%，7.6%。

图7 顺纹抗压弹性模量随紫外线辐射时间的变化曲线

经紫外线辐射循环7，14，28，56d后，三种材料的试件顺纹抗拉强度变化见图8。由图8可知，重组竹试件在14～28d之间、花旗松木材在7～14d之间顺纹抗拉强度的降幅最为明显；到56d时，试件顺纹抗拉强度降幅表现为花旗松木材>重组竹>胶合竹，降幅分别为初始顺纹抗拉强度的26.4%，16.5%，11.0%。