重组竹力学性能及设计强度取值研究

束必清，张文娟，陶玉鹏，李 晨，张苏俊，肖忠平，傅乃强，俞君宝，顾一鸣，卢晓宁

(1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.扬州工业职业技术学院 建筑工程学院，江苏 扬州 225127)

竹材在中国分布广[1]，4～5 a成材，且性能优越，为快速可再生材料[2]，竹林每年均可间伐；应用领域涉及建筑、家具等[3-4]，为木材的替代补充资源[5]，应用于建筑领域可提高竹材的长期固碳能力[6]，增加竹材的经济附加值。

竹材存在尖削度，将原竹直接应用于建筑工程实现工业化生产较为困难，为此将其加工制作成重组竹，形成较为规则的尺寸和形状，便于实现工业化生产、装配式施工。重组竹力学性能高强稳定、尺寸因需而定、原材料利用率高，强重比高于木材和混凝土，可作为建筑主体结构材料使用，顺纹和横纹性能差别大[7-12]。Y.Yu等[13]利用酚醛(PF)树脂浸渍竹纤维束制备重组竹，指出在最佳参数16%PF和1.30 g/cm3下，重组竹弯曲强度和弹性模量分别为310.0 MPa和29.7 GPa、抗剪强度28.2 MPa。重组竹机械性能随密度和纤维取向而显著变化[14]，最佳密度1.00 g/cm3[15]，顺纹剪切强度6.0 MPa[16]。

重组竹力学性能稳定，非碳化重组竹梁延性好、抗弯承载能力高，碳化重组竹梁延性大幅降低，受拉破坏模式为脆性拉断，轴心受压破坏为压屈破坏、剪压破坏和纵向劈裂破坏，偏心受压破坏主要表现为柱身中部竹材纤维受拉断裂[17-24]。其应用在地板、家具等领域较多，但应用于建筑主体结构较少，魏洋等[25]利用重组竹设计建造了二层现代竹结构抗震安居房；束必清等[11]将重组竹用于建筑主体受力构件，设计建造了二层竹博物馆；范慧[26]将重组竹应用于建筑楼面板，研究了其加工工艺和力学性能。

重组竹应用于建筑工程主体结构，需要有可靠的力学性能，但不同地区竹材，重组竹力学性能可能有差别；不同加工工艺，重组竹力学性能差别较大，使得重组竹应用于建筑领域无统一标准，推广应用存在较大困难。要想解决重组竹力学性能离散型大的问题，实现重组竹在中国建筑领域大规模应用，使重组竹成为木材的补充替代资源，则必须以某一离散型小的加工工艺为统一标准，分别研究不同地区竹材制成的重组竹力学性能，形成中国重组竹使用资料库和性能选用标准。

中国的重组竹研究未形成有效的系统性，绝大多数学者仅研究了重组竹的标准值，未能形成可供推广设计使用的设计值，中国竹林资源丰富的省份为浙江、福建、江西、湖南[27]，其中仅张秀华等[28]指出浙江省毛竹制作成重组竹顺纹抗压强度设计值22.8 MPa、抗弯强度设计值20.4 MPa，肖纲要等[29-30]指出四川省毛竹制作成重组竹顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量设计值分别为39.6 MPa、29.5 MPa、28.3 GPa，但对重组竹加工制作工艺交代较少，使得相关研究不具备可重复性，对国内其余重组竹的性能不具备指导和参考性。

针对中国竹林资源丰富的浙江省，选取4～5年生毛竹枝下材，在一定的加工工艺下，制作成重组竹，通过试验研究其顺纹抗拉性能、顺纹抗剪性能、顺纹抗弯性能、抗弯弹性模量及其破坏模式，分析其设计强度取值。结合国内已有研究成果将其与常规建筑材料性能进行对比，对不同地区毛竹制作成的重组竹性能进行补充，也为重组竹在中国建筑领域的大规模推广应用指明了研究方向。

1 材料与方法

1.1 材料

重组竹原材料为浙江省湖州市安吉县毛竹，生长周期4～5 a。重组竹由桐庐竹楠木环保科技有限公司提供；竹束疏解3次，原纤维束含水率8%；采用酚醛(PF)树脂常压浸渍竹纤维束，浸胶质量浓度16%、浸胶时间20 min，接着在50 ℃下干燥至含水率12%；采用模压冷压工艺压制重组竹，压力60 MPa，密度1.13 g/cm3。

以ISO3133:1975和ISO3349:1975为依据，结合试验设备型号尺寸，抗弯强度和抗弯弹性模量检测采用200根20 mm×20 mm×300 mm重组竹。顺纹抗剪强度检测按照ISO3347:1976加工制作试件，顺纹抗拉强度检测按照ISO3345:1975加工制作试件，试件数量均为200根，顺纹抗拉强度检测试样见图1。

1.2 方法

重组竹力学性能试验采用长春新特试验机有限公司生产的WDW-200型微机控制电子万能试验机，最大试验力200 kN。百分表采用上海工具厂有限公司生产的SXB-2型数显百分表，最大响应速度1000 mm/s，分度值0.01 mm。

顺纹抗剪强度检测及强度计算按照ISO3347:1976进行，匀速加载，控制试样在1.5～2.0 min内破坏，现场测试如图2所示；抗弯强度检测及强度计算按照ISO3133:1975进行，加载速度5 mm/min，现场测试如图3所示；抗弯弹性模量检测及模量计算按照ISO3349:1975进行，加载速度1 mm/min，现场测试如图4所示；顺纹抗拉强度检测及强度计算按照ISO3345:1975进行，匀速加载，控制试样在1.5～2.0 min内破坏，现场测试如图5所示。重组竹含水率检测及计算按照ISO3130:1975进行，现场试样如图6所示。

检测数据的平均值、标准差、标准误差、变异系数和准确指数按照ISO3129:2012计算。

2 结果与分析

参照《木结构设计手册》(第4版)，计算顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度设计值和弹性模量。尺寸误差影响系数KA取0.96，抗拉分项系数γtR取1.95，抗剪分项系数γvR取1.50，抗弯分项系数γmR取1.60；干燥缺陷影响系数KQ2取0.9，长期受荷强度折减系数KQ3取0.72，尺寸影响系数KQ4取0.75。

2.1 顺纹抗拉强度

通过顺纹抗拉试验检测可知，随着荷载的增大，试件竹纤维拉断发出阵阵响声，抗拉强度较小的纤维先发生断裂使得该截面有效面积减小、应力增加。试件内部各纤维伸长率相近时，试件发生同一截面处纤维拉断破坏(图7)；试件内部各纤维伸长率相差较大时，纤维间产生剪切应力，试件发生锯齿状界面剪切破坏(图8)；试件内部各纤维伸长率差异介于某一状态时，纤维拉断和界面剪切破坏同时发生(图9)。上述3种破坏模式在破坏前征兆均较小，属脆性破坏。

通过顺纹抗拉强度检测，得出了重组竹顺纹抗拉强度检测值(表1)。

表1 重组竹顺纹抗拉强度检测值

试件抗拉强度标准值ftk=mft-1.645σ=112.5 MPa,方程标准性影响系数KP=1-P=0.921≤1.0。

考虑重组竹生产过程中密度分布、纤维长度、铺装工艺等因素的离散性，参照《木结构设计手册》，重组竹抗拉缺陷影响系数KtQ1取0.66。

试件材料强度折减系数KtQ=KtQ1KQ2KQ3KQ4=0.321，重组竹顺纹抗拉强度设计值ft=(KPKAKtQftk)/γtR=16.4 MPa。

为了使检测数据与木材具有可比性，对其进行含水率调整。含水率12%时，重组竹顺纹抗拉强度设计值为：ft12=ft[1+0.015(w-12)]=16.3 MPa。

参照《木结构设计手册》，计算得出重组竹顺纹抗拉强度设计值为16.3 MPa，该强度高于常见木材的顺纹抗拉强度设计值，说明从顺纹抗拉强度角度，重组竹可作为木材的替代补充资源在建筑工程领域进行使用。

2.2 顺纹抗剪强度

对试件进行顺纹抗剪试验检测，随着荷载的增大，纤维之间的剪应力呈线性增加，当剪应力超过材料的顺纹抗剪强度，试件发生界面剪切破坏(图10)。破坏前变形较小、无明显征兆，断口平齐，属脆性破坏。

通过顺纹抗剪强度检测，得出了重组竹顺纹抗剪强度检测值(表2)。

表2 重组竹顺纹抗剪强度检测值

试件抗剪强度标准值fvk=mfv-1.645σ=16.5 MPa，方程标准性影响系数KP=1-P=0.913≤0.97。

因重组竹生产过程中密度分布、纤维长度、铺装工艺等因素的离散性，参照《木结构设计手册》，重组竹抗剪缺陷影响系数KvQ1取0.80。

试件材料强度折减系数KvQ=KvQ1KQ2KQ3KQ4=0.257，重组竹顺纹抗剪强度设计值fv=(KPKAKvQfvk)/γvR=3.76 MPa。

为了使检测数据与木材具有可比性，对其进行含水率调整。含水率12%时，重组竹顺纹抗剪强度设计值为：fv12=fv[1+0.015(w-12)]=3.69 MPa。

参照《木结构设计手册》，计算得出重组竹顺纹抗剪强度设计值为3.69 MPa，该强度高于常见木材的顺纹抗剪强度设计值，说明从顺纹抗剪强度角度，重组竹可作为木材的替代补充资源在建筑工程领域进行使用。

2.3 抗弯强度

对试件进行抗弯试验检测可知：加载初期，试件处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈线性，该阶段约占整个加载阶段的3/4；随着荷载的增加，受拉区纤维先发生拉断，试件挠度明显增大，中性轴上移，部分试件存在受拉区纤维间的层间界面剥离；加载后期，挠度继续增大，中性轴上移，受压区纤维被压溃，抗弯强度破坏如图11。试件在破坏前有较大挠度变形，破坏征兆明显，属塑性破坏。

通过抗弯强度检测，得出了重组竹抗弯强度检测值(表3)。

表3 重组竹抗弯强度检测值

试件抗弯强度标准值fmk=mfm-1.645σ=172.1 MPa，方程标准性影响系数KP=1-P=0.909≤1.0。

因重组竹生产过程中密度分布、纤维长度、铺装工艺等因素的离散性，参照《木结构设计手册》，重组竹抗弯缺陷影响系数KmQ1取0.75。

试件材料强度折减系数KmQ=KmQ1KQ2KQ3KQ4=0.193，重组竹抗弯强度设计值fm=(KPKAKmQfmk)/γmR=34.2 MPa。

为了使检测数据与木材具有可比性，对其进行含水率调整。含水率12%时，重组竹抗弯强度设计值为：fm12=fv[1+0.015(w-12)]=33.8 MPa。

参照《木结构设计手册》，计算得出重组竹抗弯强度设计值为33.8 MPa，该强度高于常见木材的顺纹抗剪强度设计值，说明从抗弯强度角度，重组竹可作为木材的替代补充资源在建筑工程领域进行使用；该强度高于文献[28]的抗弯强度设计值，略高于文献[30]的抗弯强度设计值，说明无论重组竹原料是否来自于同一地区，重组竹的加工制作工艺不同，重组竹强度会有较大差异，要想大力推广使用重组竹，首先要确定统一的加工制作工艺标准，选用性能好、离散性小的重组竹加工制作工艺作为基本的工艺标准。

2.4 抗弯弹性模量

通过抗弯弹性模量检测，得出了重组竹抗弯弹性模量检测值(表4)。

表4 重组竹抗弯弹性模量检测值

试件抗弯弹性模量标准值Ek=mE-1.645σ=23.3 GPa。

参照强度计算，偏于安全，考虑尺寸误差影响系数KA取0.94，天然缺陷影响系数KEQ1取0.75，干燥缺陷影响系数KQ2取0.85，长期受荷强度折减系数KQ3取0.72，尺寸影响系数KQ4取0.89。

方程标准性影响系数KP=1-P=0.923≤1.0，重组竹抗弯弹性模量Em=KPKAKEQ1KQ2KQ3KQ4Ek=8.3 GPa。

参照《木结构设计手册》，计算得出重组竹抗弯弹性模量为8.3 GPa，该值低于常见木材的抗弯弹性模量，说明在进行重组竹抗弯设计时，以受弯构件的挠度控制作为构件设计的依据较为准确，该结论与文献[31]一致。

2.5 材料性能对比

将通过试验分析计算得到的顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度设计值和抗弯弹性模量结合国内已有研究成果，与常规建筑材料性能进行对比，具体见表5。其中东北落叶松、樟子松、杉木、栎木强度设计值和弹性模量取自《木结构设计规范》(GB 50005-2017)，C30混凝土强度设计值和弹性模量取自《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010(2015版))，Q235钢强度设计值和弹性模量取自《钢结构设计规范》(GB 50017-2017)，木材、混凝土和钢材自重取自《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)。

由表5对比可知，重组竹顺纹性能不低于常见木材和混凝土，强重比高于常见木材和混凝土、略小于钢材，可作为建筑结构主体受力材料使用。由于材料抗压和抗剪破坏属于脆性破坏，故须适当提高抗压和抗剪安全系数。文献[30]的四川重组竹抗弯弹性模量未考虑缺陷等因素进行折减，与本文未折减前抗弯弹性模量平均值基本吻合。

表5 重组竹与常见建筑材料的顺纹性能对比

重组竹自重大，可通过优化截面设计等措施降低重组竹构件重量。

由于不同地区毛竹材料性能和重组竹加工制作工艺不同，重组竹材料性能相差较大，在确定统一的加工制作工艺标准基础上，比较不同地区毛竹制成的重组竹材料性能，形成中国的重组竹材料性能库，才可大规模提高重组竹在建筑领域的推广应用。

3 结论与讨论

建筑业迫切需要寻找可再生资源；竹材为快速可再生材料，性能优越，用于建筑领域可提高长期固碳能力、增加经济附加值。通过对浙江毛竹枝下材制作成的重组竹进行顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、抗弯弹性模量研究，分析其破坏模式，计算其设计强度，并与常规建筑材料性能进行了对比，得出如下结论。

重组竹顺纹抗拉强度设计值为16.3 MPa，抗拉破坏属于脆性破坏，破坏模式有3种：受拉纤维拉断、锯齿状界面剪切破坏、纤维拉断和界面剪切破坏同时发生。

重组竹顺纹抗剪强度设计值为3.69 MPa，抗剪破坏属于脆性破坏，破坏模式为纤维界面的剪切破坏。

重组竹抗弯强度设计值和抗弯弹性模量分别为33.8 MPa和8.3 GPa，抗弯破坏属于塑性破坏，破坏模式为受拉纤维先拉断、受压纤维后压溃破坏。

重组竹强重比高于常见木材和混凝土、略小于钢材，可作为建筑结构主体受力材料使用，但须适当提高抗压强度和抗剪强度安全系数，用作受弯构件时以挠度控制较为准确。

选用性能好、离散性小的重组竹加工制作工艺作为全国统一的基本工艺标准，比较不同地区毛竹制成的重组竹材料性能，形成中国重组竹材料性能库，具有较大的实用意义。