不同使用年限的柏木基本材料力學性能試驗對比研究

劉德貴，陳科材，鄧云毅，李建春

(1.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.宜賓市公路局，四川 宜賓 644000;3.石榴置業集團股份有限公司，北京 102488)

木材作為傳統建筑材料，綠色環保、低碳節能、強度比(強度/比重)高、能耗低，由其修建的木結構房屋具有自然親和力、抗震性能好等優點，以致木結構建筑結構存在并被廣泛使用.木材的抗壓、抗拉、抗彎強度等基本力學性能指標在木結構的相關設計、計算和研究中非常重要.近年來，工程領域越來越關注木結構等各類結構的全壽命設計受力性能并構建相關理論[1-2].木材材料力學性能受溫度、濕度和環境腐蝕等多種因素的影響，隨使用時間增長[3]木材各項強度指標降低，材質劣化等問題；該方面的研究受到了國內外學者的重視關注.Getharsds C.C等[4-5]指出木材的強度是隨時間變化的，進行了木材在荷載作用下失效時間的測定試驗，建立的參數評估模型描述木材強度隨時間的發展.我國《古建筑木結構維護與加固規范》編制組20世紀70、80年代進行了我國應縣木塔、晉祠景清門等古木結構的用材與現代木材強度的對比試驗，結果發現木材強度都因使用年限久遠而產生了不同程度的降低.近年來，徐明剛[6]等也開展了古建筑舊木材材性試驗，并與新木材對比，得到了舊木材順紋抗壓強度、橫紋強度、抗彎強度、抗彎彈性模量等力學指標的變化趨勢.趙鴻鐵[7]等指出在古建筑木結構受力性能研究時，多數試驗所用材料為新木材，并沒有考慮由于強度退化等殘損情況對木材受力性能的影響.謝妍[7]提出在修繕古建木結構時，木材的材料力學性能已出現退化，強度降低，修繕加固時應考慮強度折減.木材力學性能指標雖然已有相關的試驗標準和方法[9-14]，但文獻表明，采用新木材獲得的木材強度指標實際不能作為木結構在全壽命周期內的強度指標，為此研究木材強度隨時間增長的變化規律，對研究木結構全壽命周期受力性能具有意義.

柏木是古建木結構和傳統木結構常用的建筑材料[14]，本文基于傳統木結構農房調研機會，在四川省綿陽市梓潼縣的某鄉村現場收集了修建年代不同的木結構建筑使用過的柏木(1 a、10 a、40 a和80 a)，對這些柏木進行了抗壓、抗拉和抗彎試驗，獲取了不同使用年限(時間)柏木的抗壓強度、抗拉強度、彎曲抗拉強度及彈性模量等力學性能指標，初步探討了木材強度指標隨時間的變化規律.

1 試驗材料

本次試驗所采用柏木采樣均收集于綿陽市梓潼縣某鄉同一村，保證了木材具有相同生長環境和試樣可比性，不同使用年限木材如圖1所示.測定了4種不同使用年限木材的含水率[9-10]，含水率試樣為30 mm×20 mm×20 mm的木塊.試樣和含水率試驗如圖2、3所示，四種不同使用年限柏木的含水率分別為14.33%(1 a)，12.78%(10 a)，10.33%(40 a)，9.49%(80 a).四種不同使用年限柏木的干密度分別為：0.585 g/cm3(1 a)、0.704 g/cm3(10 a)、0.614 g/cm3(40 a)和0.663 g/cm3(80 a).

圖1 試驗木材

圖2 柏木含水率試樣

圖3 柏木含水率試驗

2 柏木順紋抗壓試驗

2.1 試樣制作及試驗方法

不同使用年限柏木順紋抗壓強度試驗根據相關標準[9,11]開展.對4種不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分別取6個試樣(圖4)進行其順紋抗壓強度測定，試樣尺寸為：30 mm×20 mm×20 mm.試驗在材料萬能試驗機上進行(圖5)，加載速度為1 mm/min.

圖4 抗壓試驗試塊

圖5 柏木抗壓試驗

2.2 試驗現象及結果分析

4種不同使用年限柏木的順紋抗壓試驗，在試件受壓破壞時，均會產生順紋方向的開裂(圖6)，1 a和10 a柏木試樣開裂時，無明顯劈裂響聲，但40 a和80 a的柏木試樣，受壓破壞開裂時產生了明顯的劈裂聲.說明柏木隨使用年限或時間的增長，會表現出明顯的脆性.

圖6 抗壓試驗試樣典型破壞形態

觀察4種不同使用年限柏木的荷載-位移關系曲線(圖7)，可以發現不同使用年限柏木的順紋抗壓性能存在差異.1 a、10 a、40 a柏木試樣有明顯的比例極限荷載，后經過一定階段的硬化后才達到其極限荷載，而80 a柏木的試樣荷載-位移關系曲線沒有硬化階段，達到其極限荷載后，很快進入下降段并破壞；同時，10 a柏木的抗壓荷載-位移關系曲線具有較長的近平直段.1 a、10 a、40 a和80 a柏木抗壓延性系數分別為3.877、9.685、3.745和1.0，荷載-位移關系曲線和延性系數表明，10 a柏木表現出較好的抗壓延性變形能力，1 a和40 a柏木有一定的延性變形能力，而80 a柏木則表現出明顯的脆性.

圖7 不同使用年限柏木代表性抗壓試驗荷載-位移曲線

表1 不同使用年限柏木的抗壓強度

各不同使用年限柏木抗壓強度如表1和圖8所示.數據表明，1 a的柏木抗壓強度最高，為31.81 MPa，隨著年限的增長，抗壓強度逐漸降低，10 a的柏木抗壓強度較1年柏木的抗壓強度有一定程度降低，40 a的柏木抗壓強度較1 a柏木的抗壓強度低33.6%，80 a的柏木抗壓強度較1 a木材的抗壓強度低45.1%，80 a的柏木抗壓強度值最低，最低為17.47 MPa.

圖8 不同使用年限柏木抗壓強度值

3 柏木順紋抗拉試驗

3.1 試樣制作及試驗方法

不同使用年限柏木順紋抗拉強度試驗根據相關標準[9,12]開展.對四種不同使用年限(1 a、10 a、40 a、80 a)的柏木分別取6個試樣進行其順紋抗拉強度測定，試樣(圖9)標準段尺寸[11]為：4 mm×15 mm×60 mm，總長度為370 mm；試驗在材料萬能試驗機上進行(圖10)，加載速度為2 mm/min.

圖9 抗拉試驗試件

圖10 柏木的抗拉試驗

3.2 試驗現象及結果分析

柏木的順紋抗拉試驗過程中，不會出現明顯的縮頸現象，在達到受拉極限強度時，試樣突然拉斷，拉斷基本垂直于試件長度方向，部分呈傾斜狀(圖11).1 a、10 a、40 a的柏木試樣拉斷時無明顯劈裂響聲，80 a的柏木試樣拉斷時有較大的劈裂響聲.這也說明木材隨使用年限增長，會表現出明顯的脆性.

圖11 抗拉試驗典型破壞形態

圖12所示抗拉試驗荷載-位移關系曲線表明，不同使用年限柏木的順紋抗拉性能同樣存在差異，10 a柏木試樣達到極限抗拉荷載后有一段硬化階段，且抗拉極限荷載也最大，40 a柏木次之，1 a和80 a柏木極限抗拉荷載較為接近并最低.

圖12 不同使用年限柏木代表性抗拉荷載-位移曲線

表2和圖13所示4種不同使用年限柏木的抗拉強度值表明，10 a的柏木抗拉強度最高，為126.86 MPa，80 a的柏木抗拉強度值最低，為80.40 MPa.隨著年限的增長，柏木抗拉強度并不是逐漸降低的，而在一定年限內，抗拉強度有所提高，之后逐漸降低.本次試驗10 a的柏木抗拉強度比1 a柏木的抗拉強度高51.1%，40 a的柏木抗拉強度較10 a木材的抗拉強度低17.8%，80 a的柏木抗拉強度較10 a木材的抗拉強度低36.6%.

表2 不同使用年限柏木的抗拉強度

圖13 不同使用年限柏木的抗拉強度值

4 柏木彎曲抗拉強度試驗

4.1 試樣制作及試驗方法

根據相關標準[9,13-14]，對1 a、10 a、40 a、80 a的柏木進行彎曲抗拉強度試驗(圖15)，其試件(圖14)尺寸為：20 mm×20 mm×300 mm.同時，也測定了柏木的抗彎彈性模量.試驗加載采用位移增量控制，加載速度為1 mm/min.

圖14 抗彎試驗試件

圖15 柏木彎曲抗拉強度試驗

4.2 試驗現象及結果分析

圖16 柏木抗彎試驗典型破壞形態

4種不同使用年限柏木的抗彎破壞現象均是先在試件跨中下緣出現一短小豎向垂直拉裂縫，然后沿柏木順紋出現破裂現象(圖16).在破壞時，80 a的柏木在受彎破壞時，有明顯的劈裂聲，其它年限柏木未出現明顯的劈裂聲.再次說明柏木隨著使用時間的增長，表現出明顯的脆性.圖17所示4種不同使用年限柏木的彎曲抗拉強度試驗荷載-位移關系曲線表明，10 a柏木彎曲抗拉極限荷載最大，40 a次之，80 a最小.表3和圖18所示不同使用年限柏木彎曲抗拉強度值表明：與柏木的順紋抗拉強度類似，10 a的柏木彎曲抗拉強度最高，為197.68 MPa，80 a的柏木彎曲抗拉強度最低，為101 MPa.10 a的柏木抗彎強度比1 a柏木的抗彎強度高75.2%，40 a柏木彎曲抗拉強度較10 a柏木的彎曲抗拉強度低22.8%，80 a的柏木彎曲抗拉強度較10 a柏木的彎曲抗拉強度低48.9%.隨著使用年限的增長，在一定年限內，彎曲抗拉強度有所提高，到一定年限后之后逐漸降低.

圖17 不同使用年限柏木代表性彎曲抗拉試驗荷載-位移曲線

表3 不同使用年限柏木的極限抗彎強度

圖18 試件的抗彎強度值

表4 柏木的抗彎彈性模量值

同時，根據抗彎彈性模量計算公式[12]整理出了不同使用年限柏木的抗彎彈性模量(表4)，也繪制了柏木抗彎彈性模量隨使用年限的規律圖(圖19).表4數據和圖19表明，10 a柏木的抗彎彈性模量最大，為11 993 MPa，80 a柏木的抗彎彈性模量最低，為7 691 MPa.10 a的柏木彎曲彈性模量比1 a彎曲彈性模量高28.2%，40 a柏木彎曲彈性模量較10 a柏木的彎曲彈性模量低5.7%，80 a的柏木彎曲彈性模量較10 a木材的彎曲彈性模量低35.9%.說明在一定年限范圍內，柏木的抗彎彈性模量是增加的，達到最大值后，又逐漸降低.

圖19 柏木抗彎彈性模量

5 結論

柏木抗壓強度、抗拉強度、彎曲抗拉強度及彈性模量均表現出隨使用年限(時間)增長而變化的規律：

(1)柏木順紋抗壓強度隨使用年限的增長而逐漸降低，使用年限越長，降低越明顯；10 a左右柏木表現出較好的抗壓延性；隨使用年限增長，柏木會表現出明顯的脆性.

(2)柏木順紋抗拉強度早期表現出一定的增長，到一定年限(本試驗數據為10 a)達到最大值，然后隨使用年限的增長而逐漸降低.

(3)柏木的彎曲抗拉強度和抗彎彈性模量表現出與順紋抗拉強度一樣的規律，早期表現出一定的增長，到一定年限(本試驗數據為10 a)達到最大值，隨使用年限的增長而逐漸降低，使用年限越久，降低程度越大.

(4)建議對柏木或其他木材的抗壓、抗拉和彎曲抗拉和彈性模量等強度指標的取值應考慮隨使用年限(時間)的增加而變化的特性，以保證木結構建筑的全壽命周期內的計算分析和設計的準確性.