赤水楠竹不同部位的力学性能对比分析

2024-03-04黄培东罗全锐郭丽娟朱俊卿

四川水泥 2024年2期

黄培东罗全锐杨琴郭丽娟朱俊卿

（遵义职业技术学院，贵州遵义 563000）

0 引言

我国将竹子作为建筑材料已有上千年历史，但随着工业浪潮的兴起，建设者开始只注重建造速度和成本，竹材逐渐被工业化程度较高的钢筋混凝土等材料代替。随着人类生活水平的不断提高，健康、环保、生态等观念越来越深入人心，建设者又将目光放到了可持续再生的新型材料上。竹材因其生长周期快、质量轻、强度大、生态环保等特点又一次进入建设者视野。

天然竹生长在自然界中，形态优美，价格低廉，容易取得，是风格建筑师们的首选材料之一。近年来，利用竹材为原材料修建的著名建筑较多[1]，如墨西哥图卢姆丛林中用于练习瑜伽、研讨会等的竹亭Luum Temple；拉丁美洲第一个气候变化主题公园“气候之声”生态公园内建造的超300m2的竹顶公共礼堂；中国台湾为展示低碳建筑材料如何为“我们下一代提供更宜居的环境”而在台中建造的竹亭展馆等建筑物，均体现了建造师们对环保材料的重视。

随着人们对生态文明建筑的重视，我国不断提出“绿水青山就是金山银山”、“山水湖海林草沙一体化保护”、“碳达峰碳中和”等一系列政策，由此不难看出，竹材因其强度大、重量轻、生态环保等优势在未来作为建筑材料肯定会受到大力推崇。因此，研究竹材力学性能，探索其在工程中的应用途径具有现实意义。

1 赤水楠竹力学性能试验要求

本文主要选取贵州赤水河沿岸较为丰富的楠竹作为研究对象，按照《建筑用竹材物理力学性能试验方法》（JG/T199-2007）要求进行横顺纹抗压、顺纹抗拉、横纹抗弯试验，分析赤水楠竹上、中、下不同部位的力学性能，找出其沿着生长高度的力学变化规律，为后续在选取竹材作为建筑材料时提供参考。

1.1 试件选材要求

本次研究主要选择3～9年竹龄的赤水楠竹，在选择时应保证竹材生长健康无病害，确保胸径（距地面伐根处1.3m的竹材直径）不低于100mm，高度不低于4.5m。在满足上述条件的同时每个年龄段随机砍伐30棵，每棵按上、中、下部位进行截取，每个部位长度1.5m；然后进行编号和密封，运输至试验室后进行自然风干3个月以上，再从30棵中随机选取6棵作为试验材料；最后进行试件加工制作，制作时每段两端0.15m部分截掉不作为试验材料，只截取中间1.2m作为最终试验段，每段中由下至上第1～4竹节分别进行顺纹抗拉、横纹抗弯、顺纹抗压和横纹抗压试验[2]。

1.2 试验加载及数据处理要求

试验时，选用专业夹具和万能试验机进行加载，试验过程环境温度和湿度、加载速度和加载终止条件应符合《建筑用竹材物理力学性能试验方法》规定。

试验时应尽可能多做几组试验，然后每棵选取1组、共6组数据进行变异系数验算，如果某组数据符合表1的变异系数要求，则该组数据可以作为最终结果，否则选择下一组数据或者重新试验[3]。

表1 各试验变异系数最大允许值

在计算变异系数时首先需求出试验结果平均值：

式中：

∑xi——各个试样试验结果之和；

n——试样的数量。

然后按照公式（2）、（3）计算试验数据标准差及平均值标准差：

最后根据公式（4）求出变异系数V：

2 赤水楠竹力学性能分析

2.1 横纹抗压试验

按照上述要求，横纹抗压试验选取的是每棵竹子上、中、下部位中间2m的下端第一个竹节，按照试验要求将该竹节加工成15mm×15mm×tmm（长度×高度×厚度）的试件（见图1所示），同时确保加工误差在0.1mm以内，加载受力面足够光滑。

图1 横纹抗压试验试件尺寸要求

赤水楠竹在横纹方向的力学计算公式为：

式中:

fc,90,w——含水率为w时的横纹抗压极限应力，N/mm2；

P——极限应力，N；

l——试件的长度，mm；

t——试件的厚度，mm。

天然竹材在自然状态下风干，正常情况下含水率在12%左右，因此，对于不同含水率状态下的试件，最终试验结果需要按照公式（6）进行修正，最终用试验结果乘以修正系数得出含水率为12%时的横纹抗压强度[4]。

式中：

表2为横纹抗压试验结果统计。

表2 横纹抗压试验结果统计

将表2 绘制成横纹抗压强度曲线，见图2 所示。从图2可以看出：3～9年龄段的赤水楠竹其横纹抗压强度均随距离地面的高度而上升，即同一棵竹子，其上部的横纹抗压强度较底部大；从增大幅度来看，4～5年最为明显，这可能是楠竹顶部更容易接受风吹日晒的结果；而8～9年龄段较其他年份强度明显降低，且顶部较底部强度增加幅度最小，可能是竹子老化和脆化的结果。