不同温度下竹集成材受剪性能分析

李海涛 许 伟 陈 晨 姚连书

(1南京林业大学土木工程学院，南京210037)(2南京林业大学生物质复合建筑材料与结构国际联合实验室，南京210037)(3贵州新锦竹木制品有限公司，遵义564700)

竹集成材[1-2]是一种可再生的生物质材料，具有较高的经济价值和优良的力学性能[3-7].温度是影响竹集成材力学性能的因素之一[8-9].文献[10]指出，低温下竹材会出现硬化，高温下纤维会软化而热解.竹集成材所用胶黏剂为温度敏感性材料，研究竹集成材力学性能随温度变化的规律[11-12]，对竹结构防火设计及推广意义重大.Xu等[13-14]研究了高温下竹材压缩和拉伸性能，建立了抗拉、抗压强度和弹性模量随温度折减的经验公式.Gonzalez等[15]通过试验发现，相比于室温20 ℃，当温度升至200 ℃时，竹子仅保留了20%的抗压强度和42%的抗拉强度.包永洁[16]研究了不同热处理条件下竹材主要化学成分及力学性能的变化，发现温度从20 ℃升至210 ℃时，竹纤维素质量分数降低了15.02%，综纤维素质量分数降低了29.08%，木质素质量分数升高了24.26%，导致弦向抗弯强度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度分别下降20.96%、26.65%、12.20%和46.79%.然而，目前关于不同温度(尤其是负温条件)下竹集成材的受剪性能则鲜有研究.

本文通过对竹集成材顺纹抗剪试件进行低温、常温及高温下的试验研究，揭示了试件的破坏机理，分析了温度对于竹集成材抗剪强度、质量损失率和平均极限位移的影响规律，进而提出了不同温度下竹集成材顺纹抗剪强度折减/提高系数经验公式.

1 试验

1.1 试件制备

试件由贵州新锦竹木制品有限公司生产.以毛竹为原材料，将原竹加工成截面尺寸为5 mm×12.5 mm的竹片单元，放入200 ℃左右的炭化炉中炭化1 h，其中前0.5 h升温升压，后0.5 h转为静置养护.而后在温度为80 ℃、压力为8～10 MPa的条件下，以酚醛树脂为胶黏剂，将碳化后的竹片单元蒸汽热压8 min左右，制成竹集成材.参照《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T 199—2007)，制作竹集成材顺纹抗剪试件，尺寸及形状见图1(a).试验共设计11个目标温度，分别为 -60、-40、-20、0、20、60、100、130、175、185、200 ℃.每一温度下重复6次试验，共测试了66个试件.试件命名规则为“抗剪试验+纤维方向+温度”，如SL-60表示-60 ℃下的顺纹(Z方向)抗剪试件.

1.2 试验方法

图1(b)为试验加载装置示意图.采用带温控箱的SANS-5t万能力学试验机加载，温控箱内温度可调节范围为-70～350 ℃.试验前先将试件放入温控箱，以±5 ℃/min的速度调整至设定温度，随后在恒温下养护30 min，以便试件在温控箱内受热均匀.在试件升温和养护过程中，需保证试验机负载、温控箱湿度均为0.另外，在加载过程中，保证温度维持在设定试验温度不变.恒温养护完成后，将试件安装在剪切夹具中，置于温控箱内进行试验.加载方式采用位移控制法单调加载，加载速度为 0.3 mm/min.

(a) 试件示意图(单位：mm)

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

观察破坏后的试件可以发现，随着试验温度的升高，竹集成材试件的颜色逐渐加深.如图2所示，当温度为-60 ℃时试件表面比较光亮；当温度为-40 ℃～100 ℃时，试件颜色没有发生显著变化，基本上保留着竹集成材的原有颜色；当温度达到130 ℃时，试件颜色开始逐渐加深；当温度为200 ℃时，试件表面已全部呈现褐色.

(a) -60 ℃

对比竹集成材顺纹抗剪试件在11个温度下的破坏形态发现，试件的破坏均为脆性破坏，沿破坏截面裂成2块，且破坏面较平整，并与纤维方向平行.试件的破坏模式可分为如下2类：

1)破坏模式Ⅰ.试件在设计剪切面处发生剪切破坏；当荷载达到极限荷载后，试件沿着设计剪切面产生明显裂缝或出现错位；试件破坏时，剪切面处的纤维间出现滑移，最终裂为2块(见图3(a))，断裂截面较平整并与纤维方向平行.该破坏模式属于剪切破坏.

2)破坏模式Ⅱ.试件在竹片单元胶合层发生破坏.这是因为高温下胶黏剂黏结性能降低，荷载还未达到剪切面的抗剪极限承载力，但此时竹片单元胶合层由于胶黏剂失效而出现裂缝，随后沿该胶合层裂成2块(见图3(b)).此破坏模式为胶层破坏.

(a) 破坏模式Ⅰ

统计发现，61个试件发生了破坏模式Ⅰ的剪切破坏；而只有当试验温度达到200 ℃时，试件才会发生破坏模式Ⅱ的胶层破坏.可见，温度对于顺纹竹集成材抗剪试件破坏模式的影响并不明显.当温度从-60 ℃升高到185 ℃时，试件破坏模式并未发生变化.仅当温度达到200 ℃时，竹片单元间的酚醛树脂胶性能失稳，试件的破坏模式也随之发生改变.

2.2 抗剪强度

竹集成材顺纹抗剪强度fs的计算公式为

(1)

式中，Fmax为极限荷载，kN；As为试件剪切面的截面面积，mm2.

不同温度下的抗剪试验结果见表1.由表可知，除了试件SL200外，其余试件的极限荷载和抗剪强度变异系数均小于0.1，表现出较高的稳定性.胶黏剂在高温下丧失部分黏合力，使得部分试件在达到极限荷载之前就发生胶层破坏，导致试件SL200的变异系数较大.

常温(20 ℃)下，竹集成材顺纹抗剪强度平均值为13.13 MPa.低温(-60 ℃)下，抗剪强度值平均值达到最大值19.38 MPa，较常温下提高47.60%；高温(200 ℃)下达到最小值3.54 MPa，较常温下降低了73.04%.顺纹抗剪强度平均值的最大值约为最小值的5.47倍.

试验结果表明，在低温环境(-60、-40、-20、0 ℃)下，试件抗剪强度明显大于常温和高温环境下的抗剪强度；究其原因在于，试件在低温环境下的含水率较高，温度升高会导致试件内部的水分含量及其分布发生变化，故受剪性能逐渐降低.然而，当温度为60～100 ℃时，抗剪强度并没有随温度的升高而降低；这是因为环境温度临近100 ℃时，试件内部的水分蒸发，进而在试件表面形成一层保护膜，增加了试件的抗剪强度[17].当温度为100～130 ℃时，抗剪强度保持相当稳定的状态.当温度升高至130 ℃以上时，该保护作用消失，竹材内部纤维成分软化热解，细胞壁成分加速热解，强度持续下降，并且下降速度逐渐增加.

表1 不同温度下抗剪试验结果

2.3 质量损失率

试件质量损失率w由试验前、后试件质量差值除以试验前试件质量计算得到，即

(2)

式中，M1、M2分别为试验前、后的试件质量.

计算发现，在低温和常温条件下，试验前、后试件质量几乎保持不变.而在高温条件下，随着温度的升高，试验后的试件质量逐渐减小.图4给出了温度为20～200 ℃时7组试件的质量损失率随温度变化情况.由图可知，温度由20 ℃开始升高后，竹材内部的自由水分布随之发生变化.当温度升高到100 ℃时，试件内部的水分蒸发大幅增多，导致试件质量损失加快，质量损失率快速增大到 0.071.随着温度的继续升高，试件含水率持续降低，质量损失率增大速度略微减缓.当温度达到180 ℃左右时，竹材内部半纤维素、纤维素成分出现热解，质量损失率进一步增大至0.1左右.而后竹纤维细胞壁进一步热解，胶黏剂也逐渐不稳定，导致质量损失率快速增大到0.15左右.

图4 质量损失率-温度变化曲线

通过回归分析，可得竹集成材顺纹抗剪试件的质量损失率w与温度T的关系式为

w=4.07×10-8T3-1.41×10-5T2+2.08×10-3T-
0.039 20≤T≤200

(3)

2.4 荷载-位移曲线

图5给出了11个温度下顺纹抗剪试件的典型荷载-位移曲线.由图可知，试件经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段.在加载初期，试件处于弹性阶段，承受荷载较小，轴向位移随荷载的增加而线性增加，但增长速度不快.随着荷载的增大，位移不断增加，当位移达到0.3 mm左右时，曲线的斜率有所降低，表明试件进入弹塑性阶段.荷载增加至极限荷载附近时，竹材内部纤维裂开并发出撕裂声；而后迅速达到极限荷载，试件发生脆性破坏，伴随着一声巨响，试件瞬间被剪切成两半.从温控箱取出试件，发现除破坏截面外，试件其他部位无明显变形，试件表面无明显鼓曲和开裂.

图5 荷载-位移曲线

当温度为-60 ℃时，试件的荷载-位移曲线近似为线性关系，非线性特征不明显.当温度为-40～185 ℃时，随着温度的升高，试件加载过程的弹塑性阶段逐渐明显.当温度为200 ℃时，由于试件极限荷载很小，较早发生破坏，无明显弹塑性阶段.

2.5 平均极限位移

图6给出了不同温度下竹集成材抗剪试件发生破坏时的平均极限位移.由图可知，当温度为-60～20 ℃时，平均极限位移不断增加.当温度为20～200 ℃时，平均极限位移逐渐降低.试件在常温(20 ℃)下的平均极限位移最大.

图6 平均极限位移曲线

相比于前10组温度下试件的平均极限位移，200 ℃下的平均极限位移下降明显，仅为0.48 mm.这是因为胶层开裂，试件提前进入破坏阶段，导致平均极限位移大大降低.

3 强度折减/提高系数

3.1 抗剪强度折减/提高系数

常温(20 ℃)条件下，竹集成材顺纹抗剪强度为13.13 MPa.相比常温下，低温(-60 ℃)条件下，抗剪强度提高了47.60%；高温(200 ℃)条件下，抗剪强度降低了73.04%.

为便于描述试件在不同温度下的抗剪强度，以常温20 ℃为基准温度，将其余温度下的抗剪强度除以20 ℃时的抗剪强度定义为抗剪强度折减/提高系数λ，其中大于1的称为提高系数，小于1的称为折减系数.计算结果见表2.

表2 抗剪强度折减/提高系数表

3.2 现行公式适用性对比

欧洲规范EN1995-1-2[18]中，软木的抗剪强度折减系数采用双线性变化曲线拟合，即

(4)

式中，ω表示温度为T时软木的抗剪强度折减系数.当温度在20～300 ℃范围内时，ω可根据式(4) 通过线性插入法计算得到.

岳孔等[19]通过试验测定了兴安落叶松、花旗松、杨木3种木材在高温下的顺纹弦面抗剪强度.鉴于3种木材抗剪强度差异不大，取其抗剪强度平均值来讨论抗剪强度折减系数随温度的劣化规律，即

(5)

式中，ηT表示温度为T时木材的抗剪强度折减系数.当温度在20～300 ℃范围内时，ηT可根据式(5) 通过线性插入法计算得到.

选取式(4)、(5)与本试验重合的温度区间，比较20～200 ℃下抗剪强度折减系数的变化情况，结果见图7.由图可知，随着温度的升高，抗剪强度折减系数均下降，但下降规律不同.本试验得到的竹集成材顺纹抗剪强度折减系数与欧洲规范[18]给出的软木抗剪强度折减系数差异较大，且高于欧洲规范数值，说明采用欧洲规范公式计算得到的抗剪强度折减系数预测值偏保守.岳孔等[19]试验中兴安落叶松、花旗松、杨木3种木材的抗剪强度折减系数与竹集成材顺纹抗剪强度较为接近.

图7 抗剪强度折减系数比较图

3.3 抗剪强度折减/提高系数经验公式

图8为本试验测得的竹集成材顺纹抗剪强度折减/提高系数随温度的变化曲线.由图可知，当温度由-60 ℃升高至0 ℃时，抗剪强度提高系数逐渐减小，说明在负温条件下，温度的升高虽然会使试件抗剪强度增强，但增强效果逐渐减弱.在室温条件(0～20 ℃)下，抗剪强度变化不大.当温度由20 ℃升高至130 ℃时，抗剪强度折减系数整体上呈下降趋势，但下降幅度较小，其中在60～100 ℃时还出现短暂的上升段.当温度超过130 ℃时，竹材内部的纤维素、半纤维素等成分加快热解，胶黏剂黏合性能进一步降低，抗剪强度折减系数下降幅度增大.

图8 抗剪强度折减/提高系数曲线图

基于试验数据，通过回归分析，提出竹集成材顺纹抗剪强度折减/提高系数随温度变化的经验公式为

(6)

4 结论

1)温度对竹集成材顺纹抗剪试件的破坏模式影响较小.当温度达到200 ℃时，试件由于胶黏剂黏结性能失效发生胶层破坏，其余温度下均发生剪切破坏.

2)试件破坏时的平均极限位移会随温度变化而变化.20 ℃时，试件的平均极限位移达到最大值，而在200 ℃时由于试件发生胶层破坏，平均极限位移较低.

3)常温(20 ℃)下，竹集成材顺纹抗剪强度平均值为13.13 MPa.低温(-60 ℃)下，抗剪强度值平均值达到最大值19.38 MPa，较常温下提高 47.60%；高温(200 ℃)下达到最小值3.54 MPa，较常温下降低了73.04%.顺纹抗剪强度平均值最大值约为最小值的5.47倍.低温对于竹材顺纹抗剪强度具有增强效应，高温对于抗剪强度具有折减效应.

4)分析了抗剪强度折减/提高系数随温度变化的规律.当温度为-60～60 ℃时，抗剪强度折减/提高系数随温度的升高而降低；当温度为60～100 ℃时，水分蒸发导致抗剪强度折减/提高系数有所提高；当温度为100～200 ℃时，竹材内部纤维热解，酚醛树脂胶黏合性能下降，抗剪强度折减/提高系数下降速度增大.

5)欧洲规范和其他研究中给出的木材抗剪强度温度变化系数与竹集成材顺纹抗剪强度温度折减系数存在一定差异.本文基于试验研究给出了竹集成材顺纹抗剪强度折减/提高系数随温度变化的经验公式.