周年強(qiáng)，陳 國(guó)，趙龍龍

（南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京210037）

中國(guó)竹資源豐富，隨著國(guó)家倡導(dǎo)綠色節(jié)能、生態(tài)環(huán)保的建筑理念，發(fā)展竹制建材和竹結(jié)構(gòu)建筑方面具有天然優(yōu)勢(shì)和較大潛力。經(jīng)現(xiàn)代加工工藝處理后的竹材人造板，克服了天然竹的材料缺陷和尺寸變異性，力學(xué)性能更加穩(wěn)定，強(qiáng)度、延性也優(yōu)于常用膠合木。目前應(yīng)用較廣的竹材人造板產(chǎn)品主要包括竹重組材、竹材刨花板、竹簾層積材、竹簾膠合板等，根據(jù)這些材料的特點(diǎn)再加工成不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件［1-2］，其中典型的結(jié)構(gòu)用竹材包括竹材膠合板和竹重組材。

現(xiàn)代膠合竹是由足尺徑的天然竹加工成定寬、定厚的竹片，干燥至含水率8% ～10%，再通過(guò)膠黏劑膠合而成，膠合竹中保留了原竹的竹片單元。目前，膠合竹/木的受力性能可通過(guò)清材小試件法和足尺試件法2種試驗(yàn)方法［3］來(lái)得到。清材小試件法是指將清材分別制作成較小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試件，并按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定測(cè)得清材力學(xué)性能的試驗(yàn)。操作簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)，一直是世界各國(guó)建立結(jié)構(gòu)木材力學(xué)性能指標(biāo)的主要方法，研究將參考清材小試件試驗(yàn)方案進(jìn)行竹膠合材的強(qiáng)度檢測(cè)。

無(wú)損檢測(cè)是根據(jù)材料不同物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)，在不破壞目標(biāo)物體內(nèi)部及外觀結(jié)構(gòu)與特性的前提下，對(duì)物體相關(guān)特性（如形狀、位移、應(yīng)力、光學(xué)特性、流體性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等）進(jìn)行檢測(cè)與檢驗(yàn)，作為一種非破壞性的檢測(cè)手段，具有應(yīng)用范圍廣泛、可靠性高、設(shè)備方便攜帶、操作簡(jiǎn)便、時(shí)間經(jīng)濟(jì)、對(duì)人體無(wú)傷害等特點(diǎn)。無(wú)損檢測(cè)方式包括基頻振動(dòng)測(cè)試、超聲波和應(yīng)力波檢測(cè)等，目前針對(duì)木材的超聲波檢測(cè)及探傷的研究成果比較豐富，Dackermann、Dündar、Parveen等［4-6］分別通過(guò)對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和相應(yīng)超聲波速的研究確立兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，國(guó)內(nèi)張?zhí)稹堄?xùn)亞、嵇偉兵、劉妍、齊永峰等［7-12］也利用超聲波儀器對(duì)各類木材的力學(xué)性能做了預(yù)測(cè)評(píng)估。作為新型結(jié)構(gòu)材料，研究竹材料的超聲波特性對(duì)于其工程應(yīng)用具有一定的促進(jìn)意義。

實(shí)驗(yàn)以一批不同長(zhǎng)度規(guī)格的竹簾膠合板小試件為研究對(duì)象，分別進(jìn)行超聲波檢測(cè)和軸心受壓強(qiáng)度試驗(yàn)，重點(diǎn)研究試件長(zhǎng)度、清材原材疊合方向?qū)箟盒阅?、彈性模量?shù)據(jù)的影響，并分析試件的波速與抗壓強(qiáng)度、彈性模量的關(guān)系，為無(wú)損檢測(cè)相關(guān)試件材料的強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件取用原竹，去除竹青、竹黃破篾，形成單塊截面尺寸為7 mm×20 mm基材，進(jìn)行膠合、切削，按竹基材疊合方式分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3類，如圖2所示，又根據(jù)試塊高度不同，共分成了7組試件，各組試件的基本參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 7組試件Fig.1 Seven sets of test specimens

圖2 3種受壓試件示意圖（單位：mm）Fig.2 Diagram of three kinds of compression test specimens

1.2 試驗(yàn)裝置

采用國(guó)產(chǎn)SANS公司生產(chǎn)的多功能電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件軸壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)最大可提供2 000 kN拉＼壓作用力，精度等級(jí)0.5級(jí)，示值誤差不超過(guò)±1.0%。試驗(yàn)機(jī)受壓試驗(yàn)空間具有球面滑動(dòng)支座，試驗(yàn)主要檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，如圖3所示。

表1 試件設(shè)計(jì)Tab.1 Design of the laminated specimens

超聲波儀選用為瑞士PROCEQ公司的PunditLab超聲波檢測(cè)儀，作為一種便攜的非金屬超聲檢測(cè)設(shè)備，可提供20-500 kHz的帶寬，125-500 V的脈沖電壓，其最大分辨率為0.1μs，并具有自動(dòng)測(cè)量和記錄等功能。設(shè)備如圖4所示。

圖3 軸壓試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Test set-up for compression test

圖4 PunditLab超聲波檢測(cè)儀Fig.4 Ultrasound testing unit Pundit Lab

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)于研究抗壓強(qiáng)度及其彈性模量的試件尺寸，美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD143-1994《木材無(wú)疵小試樣的試驗(yàn)方法》規(guī)定試件高寬比為4∶1，而中國(guó)規(guī)范GB1927～1943-1991《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》規(guī)定試件的高寬比為3∶2，因?yàn)檩^小的試件長(zhǎng)度對(duì)于超聲波速檢測(cè)的精度有影響，本次實(shí)驗(yàn)分別選擇2∶1、3∶1、4∶1 3種試件高寬比進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 超聲波波速測(cè)試示意圖Fig.5 Schematic of test set up

在超聲波波速的檢測(cè)中，每個(gè)試件可以有3組對(duì)測(cè)面進(jìn)行測(cè)試，分別是X向、Y向和Z向，考慮到重點(diǎn)研究抗壓強(qiáng)度與波速的關(guān)系，因此對(duì)測(cè)面選擇為抗壓試驗(yàn)的受壓面，即試件長(zhǎng)軸上下2個(gè)截面，其測(cè)試示意圖如圖5。超聲檢測(cè)放在強(qiáng)度試驗(yàn)之前完成。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)進(jìn)行加載制度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，試件加載初期采用荷載控制，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載大約80%左右，改為位移控制。試驗(yàn)從加載到破壞所用時(shí)間控制在5～8 min以內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)與分析

Ⅰ-100組試件呈現(xiàn)3種典型破壞特征：①試件中部擠潰，彎曲破壞；②柱上端局部擠壓潰壞；③柱角端局部破壞，總體基本保持完好，如圖6a所示。

Ⅱ-100組試件有一半試件出現(xiàn)材料從膠合面處剝離，脫落，另外一半不同程度出現(xiàn)基材內(nèi)開(kāi)裂。也可以分為3種破壞特征：①發(fā)生S型彎曲破壞，中間開(kāi)膠；②發(fā)生腰鼓（中間膨脹）的受壓破壞；③側(cè)面的材料部分或全面剝離、脫落，如圖6b。破壞現(xiàn)象說(shuō)明該施壓方向容易導(dǎo)致膠層的完全破壞。

Ⅲ-100組試件整體變形和破壞相對(duì)不明顯，且雖然在截面X-Y兩個(gè)方向的基材長(zhǎng)寬比不一樣，但發(fā)生彎曲的方向比較隨機(jī)。主要分為2種破壞特征：①柱上端部壓潰破壞；②柱中部彎曲破壞，如圖5c。

Ⅰ-150組主要破壞特征為：①柱端壓潰破壞，表現(xiàn)為破壞發(fā)生在端柱有多條縱向裂縫發(fā)生；②柱中外側(cè)擠壓破壞；③彎曲破壞，由于2端嵌固，整體呈現(xiàn)S型彎曲，如圖6d。

Ⅱ-150組主要破壞特征為：①柱端壓潰破壞，②③柱中縱向開(kāi)裂破壞；②③柱上部縱向內(nèi)部裂縫破壞，如圖6e。

Ⅲ-150組、Ⅲ-200組與Ⅲ-100組類似，以彎曲破壞和柱上端壓潰破壞為主，如圖6f、6g。

從各組試件破壞現(xiàn)象看，膠合竹試件的破壞形式隨著高度和基材疊合方式不同而異，但總體看，由于膠合強(qiáng)度較大，基本保證了大部分破壞發(fā)生試件基材內(nèi)，而非基材接合面處。

圖6 各組試件的典型破壞形態(tài)Fig.6 Typical failuremodes of each group of specimens

2.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果（平均值）Tab.2 Test results ofmaterial properties（mean value）

首先完成各組基本物理特性的測(cè)試，得到試件尺寸、質(zhì)量，計(jì)算密度值；進(jìn)行試塊Z向超聲波波速的測(cè)量；最后通過(guò)液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，得到彈性模量和極限強(qiáng)度。各組數(shù)據(jù)列于表2中。從表2可以看出，3類測(cè)試組由于基材疊合方向即竹纖維分布方向不同，反映出的物理性質(zhì)還是有明顯區(qū)別。其中①平橫紋抗壓測(cè)試組（Ⅱ-100～150）的平均波速值、強(qiáng)度值、彈性模量值的都略優(yōu)于同高度的立橫紋抗壓測(cè)試組（Ⅰ-100～150）；前者膠層數(shù)量較后者多，可能是由于膠水的粘結(jié)作用幫助提升了試塊整體的強(qiáng)度。②順紋測(cè)試組（Ⅲ-100～150～200）各平均波速值、強(qiáng)度值、彈性模量都較橫紋組對(duì)應(yīng)高度組高。③需要注意的是與文獻(xiàn)［13-14］所提到的膠合竹材及原竹相比較，實(shí)驗(yàn)中順紋測(cè)試組（Ⅲ）的彈性模量值指標(biāo)整體偏小，這是由于原竹材存在明顯的自身構(gòu)造優(yōu)勢(shì)（中空、纖維分布完整等），以及不同加工處理方式也顯著影響該值。

波速與各物理指標(biāo)關(guān)系。一般認(rèn)為對(duì)于均質(zhì)材料，超聲波波速與材料密度、強(qiáng)度、彈性模量等有相關(guān)性［6，8，12，15-16］。膠合竹試件為密實(shí)度較高的材料，尚未有相關(guān)性的研究，為此，針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各性能指標(biāo)的波速相關(guān)性分析（圖7）。

圖7 波速與各特征量的關(guān)系Fig.7 Velocity and characteristic quantities

從圖7可以看出：①密度與波速關(guān)系：不論疊合方式如何，所有試件材料的密度都是基本一致的；而超聲波測(cè)試受疊合方式、測(cè)試方向影響，波速數(shù)據(jù)主要集中分布在2塊區(qū)域。②波速與強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)性，基本上強(qiáng)度越高，是波速越大，可以通過(guò)波速的測(cè)量來(lái)反推強(qiáng)度值；③波速與彈性模量有一定的相關(guān)性，即彈性模量越大，波速相對(duì)越大，但由于彈性模量的離散性較大，適合作定性分析。

各組試件的強(qiáng)度曲線匯總?cè)鐖D8所示。從試驗(yàn)曲線可以看出，各組試件都有彈性段、彈塑性和塑形段，表明該種材料具有彈塑性變形的能力，適合用在建筑抗震設(shè)計(jì)中，從強(qiáng)度上看順紋施壓的強(qiáng)度明顯高于立橫紋、平橫紋施壓，說(shuō)明延著竹纖維縱向強(qiáng)度最高，但達(dá)到最大強(qiáng)度后其彈塑性強(qiáng)度沒(méi)有再提升，塑性段甚至有降低，而橫紋施壓的材料在彈塑性段后強(qiáng)度仍有上升，尤其是平橫紋組材料上升段尤為明顯，表現(xiàn)了較強(qiáng)的韌性。

圖8 各試塊強(qiáng)度曲線Fig.8 Strength curves of each test specimen

4 總結(jié)

通過(guò)7組試件的超聲波波速和軸心強(qiáng)度試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）從破壞形態(tài)看，膠合竹試件的結(jié)合強(qiáng)度較高，大部分破壞發(fā)生試件基材內(nèi)，而非基材接合面處。測(cè)試結(jié)果基本可以看出，竹膠合材材質(zhì)均一、性能穩(wěn)定。

（2）沿著竹纖維方向的試件抗壓強(qiáng)度最高，對(duì)應(yīng)的超聲波波速、剛度也最大，但塑性段強(qiáng)度有可能下降，垂直纖維方向的抗壓強(qiáng)度，在加載后期，進(jìn)入塑性段后強(qiáng)度仍會(huì)持續(xù)上升。

（3）超聲波波速與抗壓強(qiáng)度相關(guān)較大，可做定量推斷以用于無(wú)損檢測(cè)，波速與材料剛度有一定相關(guān)性，適合定性分析。

（4）通過(guò)抗壓強(qiáng)度曲線可以發(fā)現(xiàn)，順紋抗壓組試件具有較高的強(qiáng)度表現(xiàn)，而橫紋抗壓則具有有較強(qiáng)的后期塑性強(qiáng)度。據(jù)此可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的疊合材料試件。