含水率对不同生长年份赤水楠竹力学性能的影响分析

2023-11-25黄培东罗全锐朱俊卿

四川水泥 2023年10期

黄培东刘勇杨琴罗全锐朱俊卿

（遵义职业技术学院，贵州遵义 563000）

0 引言

竹材是目前发现生长速度最快的植被之一，在全世界的大部分地区均有生长，特别是我国的南方和西部地区，竹材资源尤为丰富。在古代，竹材因其取材方便、易于加工、可塑性好等特点被我国当成建筑材料使用，如著名的有浙江河姆渡、四川金沙等地的竹屋[1]，湖南湘西地区的吊脚楼、西南地区的傣族“干阑式”竹屋等[2]。在近现代，由于建筑材料越来越丰富，竹材在建筑行业的应用呈现了短期的下降趋势，但现在应用的大部分材料对环境都会造成一定程度的污染，不符合国家当前的“双碳”发展目标，而竹材因强度高、自重轻、环保、可再生等特点，是最适合作为新型环保建筑材料研发的原材之一[3]，在今后一段时间，其在工程中作为新型材料应用的前景会越来越好。

竹材的力学性能受生长环境、取材部位、使用状态、含水率影响较大。因此，探索含水率对竹材力学性能的影响对今后竹材在工程中的应用具有一定促进作用。

本文以赤水河流域楠竹为研究对象，通过对不同含水率状态下的赤水楠竹进行抗压、抗拉、抗弯等力学试验，总结不同状态下赤水楠竹各项力学性能参数，探究含水率对赤水楠竹力学性能的影响规律，为后续竹材的相关研究分析及应用提供参考。

1 试验取材及含水率测定

1.1 取材

本次试验以赤水河流域生长的楠竹作为研究对象，选取长势正常、未发生病虫害、胸径（伐根至1.3m处直径）＞100mm的3～9年竹龄楠竹各3株[4]。按照《建筑用竹材物理力学性能试验方法》要求，每珠截取胸径以上2.8m含11个竹节的试材，运至实验室后，首先去除两端留带竹节并延伸20mm的8段竹筒，按Ⅰ～Ⅷ的顺序，从根部到端部依次编号，如图1所示。

图1 竹筒编号

图1中，Ⅰ、Ⅷ两节竹筒用于测试顺纹抗拉强度；Ⅱ、Ⅶ两节竹筒用于测试抗弯强度；Ⅲ、Ⅵ用于测试顺纹度和横纹抗压强度。

1.2 含水率测定

因本次研究需使不同构件含水率存在差异，按照试验原理，需在试验前提前测定含水率。本研究先将选好的取材在自然状态下存放2个月，等取材自然风干后再加工成试验所需的试件，试件制作完成后再对试件进行烘干，从而得出全干状态下的试件质量m0，最后再将试件放于水中浸泡不同时间，等试验时测定试验状态时的质量m1，最终试验时含水率按照式（1）计算，精确到0.1。

式中：

ω——含水率，%；

m1——试件试验状态时的质量，g；

m0——试件全干状态时的质量，g。

2 含水率对赤水楠竹抗压强度的影响

竹材属于各向异性材料，不同方向的受力性能差异较大，而在工程应用过程中，竹材顺纹和横纹方向都有可能受压，因此需要测定顺纹、横纹抗压强度，其计算公式分别按式（2）和（3）计算，精确到0.1N/mm2。

当试件的含水率为ω时的顺纹抗压强度：

式中：

ft,ω——含水率为ω时的楠竹顺纹抗压强度，N/mm2；

Pmax——破坏荷载，N；

b——试件宽度，mm；

t——试件厚度，mm。

当试件含水率为ω时的弦向横纹的抗压比例极限应力：

式中：

fc,90,ω——含水率为ω时的楠竹横纹抗压比例极限应力，N/mm2；

P——比例极限荷载，N。

根据《建筑用竹材物理力学性能试验方法》要求，竹材横、顺纹抗压强度测试试件尺寸符合图2规定，即将试件加工成20×15×（t长×宽×厚）的试块，单位为mm，精确到0.1mm。

图2 抗压试验试件尺寸

试验时，每个含水率状态下的抗压试验至少做6个试件，最终选取符合要求（变异系数小于13）的6个试验结果求平均值作为参考，试验结果如表1所示。

表1 不同生长年份的赤水楠竹不同含水率下的顺纹抗压强度（MPa）

最后将表1数据绘制成如图3所示的顺纹抗压强度随含水率变化曲线。

图3 顺纹抗压强度随含水率变化曲线

从图3中可以看出：3～9年的赤水楠竹其顺纹抗压强度均随含水率的增加而减小，特别是含水率较小（＜15%）时，顺纹抗压强度受含水率影响较大；当含水率较大（＞35%）时，虽然顺纹抗压强度随含水率的增加而减小，但变化趋势并不明显。因此，在工程中应用赤水楠竹作为顺纹抗压受力构件（如脚手架立杆）时，应将其尽可能风干后使用，保证其顺纹抗压强度符合工程需要[5]。除此之外，还可以看出5年生赤水楠竹顺纹抗压强度相比其他年份较大，而9年生赤水楠竹顺纹抗压强度相比其他年份较小，即赤水楠竹生长年限小于5年时，其顺纹抗压强度在不断增加，超过5年后，其顺纹抗压强度逐渐减小，可能是因为当生长年份小于5年时，赤水楠竹在不断生长的过程中也在不断硬化，而大于5年后，随着生长年份的增加，赤水楠竹又进入到不断脆化的过程导致。

横纹抗压试验的过程与顺纹抗压试验相同，只是受力方向相互垂直，变异系数要求＜20，其试验结果如表2所示。

表2 不同生长年份的赤水楠竹不同含水率下的横纹抗压强度（MPa）

将表2数据绘制成如图4所示的横纹抗压强度随含水率变化曲线。

图4 横纹抗压强度随含水率变化曲线

结合表2和图4可以看出：3～9年生赤水楠竹横纹抗压强度随着含水率的增加有减小的趋势，特别是当含水率较低（＜15%）时，横纹抗压强度随含水率的增加而减小的趋势特别明显；当含水率较大（＞35%）时，横纹抗压强度随含水率的增加而减小的趋势不明显，甚至有些年份存在上下波动的情况[6]。因此，工程中应用赤水楠竹作为横纹抗压构件（如脚手板）时，应尽可能将赤水楠竹风干，使其满足工程强度需求。除此之外，8～9年生的赤水楠竹横纹抗压强度明显较其他年生要小，而5年生赤水楠竹横纹抗压强度较其他年份要高。因此，工程中尽量选择5年左右的竹材作为横纹抗压构件。

3 含水率对赤水楠竹顺纹抗拉强度影响

当试件含水率为ω时，竹材顺纹抗拉强度可按式（4）计算，精确到0.1N/mm2。

式中，各字母表示含义同公式（2）。

顺纹抗拉强度试验需将试条及试样毛坯分割成大小为15mm×330mm×t（宽度×高度×厚度）的试件，误差不超出0.1mm，如图5所示。如果竹筒在竹节之间长度达不到试件长度要求时，试件两端夹持部分可以含竹节。试件纹路应该与中心线相平行，并且竹青表面的切向应该与试件的有效部位（即中间60mm部位）一侧相垂直。试件的有效部位到两个端部夹持部位过渡弧面应该是平滑的，且与试件中心线对称[7]。

图5 顺纹抗拉强度试件

试验时，每个含水率状态下的抗拉试验至少做6个试件，最终选取符合要求（变异系数＜20）的6个试验结果求平均值作为参考，试验结果如表3所示。将表3数据绘制成如图6所示的顺纹抗拉强度随含水率变化曲线。

表3 不同生长年份的赤水楠竹不同含水率下的顺纹抗拉强度（MPa）

图6 顺纹抗拉强度随含水率变化曲线

结合表3和图6可以看出：3～9年生赤水楠竹顺纹抗拉强度随着含水率的增加均有先增大后减小的趋势，增大阶段主要在含水率较小（＜15%）时，且增大的趋势较为明显；当含水率较大（＞35%）时，顺纹抗拉强度虽然整体随含水率的增加而减小，但是减小的趋势不明显。因此，在工程中应用赤水楠竹作为抗拉受力构件（如绳索或吊具等）时，竹材不宜太湿也不宜烘太干，让其处于自然状态自然风干后效果最佳。除此之外，当含水率超过15%后，5年生赤水楠竹的顺纹抗拉强度相对其他年生有较明显的优势。因此，工程上应用赤水楠竹作为抗拉构件时应优先考虑5年生赤水楠竹。

4 含水率对赤水楠竹横纹抗弯强度影响

试件含水率为ω时，竹材抗弯强度可按式（5）计算，结果精确到0.1N/mm2。

式中：

fm,ω——含水量为ω时的楠竹抗弯强度，N/mm2；

h——试件宽度，mm。

将试条分割成大小为15mm×220mm×t（宽度×长度×厚度）的试件，如图7所示。

图7 抗弯强度试件

按照含水率测试方法测试整个试件含水率，再做抗弯强度试验。弦向为受力方向，所有尺寸加工需精确至0.1mm。用两点对称加荷，两个加荷点分别距支座中心线50mm，加荷点之间间距为80mm±1mm。将试件放在试验装置两个支座上。破坏载荷精确至10N，按150N/mm2每分钟加载，直至试件破坏为止。试件破坏程度超出两个加荷点外，予以舍去[8]。

试验时，每个含水率状态下的抗弯试验至少做6个试件，最终选取符合要求（变异系数＜15）的6个试验结果求平均值作为参考，试验结果如表4所示。

表4 不同生长年份的赤水楠竹不同含水率下的顺纹抗弯强度（MPa）

将表4数据绘制成如图8所示的抗弯强度随含水率变化曲线。

图8 横纹抗弯强度随含水率变化曲线

结合表4和图8可以看出：3～9年生赤水楠竹的横纹抗弯强度随含水率的增加均表现出减小的趋势，且变化的幅度在每个含水率阶段均相差不大。因此，当工程中应用赤水楠竹作为抗弯构件（如脚手架横杆）时，应保证竹材越干越好[9]。除此之外，4～6年生赤水楠竹横纹抗弯强度在不同含水率下虽存在区别但差异不大，且较其他年生楠竹抗弯强度要大，而8年生和9年生赤水楠竹横纹抗弯强度明显比其他年生要小很多。因此，工程上应优先考虑4～6年生楠竹作为抗弯构件，年龄太小或者太大的赤水楠竹不应作为优先考虑对象。