黃培東 羅全銳 楊 琴 郭麗娟 朱俊卿
(遵義職業技術學院,貴州 遵義 563000)
我國將竹子作為建筑材料已有上千年歷史,但隨著工業浪潮的興起,建設者開始只注重建造速度和成本,竹材逐漸被工業化程度較高的鋼筋混凝土等材料代替。隨著人類生活水平的不斷提高,健康、環保、生態等觀念越來越深入人心,建設者又將目光放到了可持續再生的新型材料上。竹材因其生長周期快、質量輕、強度大、生態環保等特點又一次進入建設者視野。
天然竹生長在自然界中,形態優美,價格低廉,容易取得,是風格建筑師們的首選材料之一。近年來,利用竹材為原材料修建的著名建筑較多[1],如墨西哥圖盧姆叢林中用于練習瑜伽、研討會等的竹亭Luum Temple;拉丁美洲第一個氣候變化主題公園“氣候之聲”生態公園內建造的超300m2的竹頂公共禮堂;中國臺灣為展示低碳建筑材料如何為“我們下一代提供更宜居的環境”而在臺中建造的竹亭展館等建筑物,均體現了建造師們對環保材料的重視。
隨著人們對生態文明建筑的重視,我國不斷提出“綠水青山就是金山銀山”、“山水湖海林草沙一體化保護”、“碳達峰碳中和”等一系列政策,由此不難看出,竹材因其強度大、重量輕、生態環保等優勢在未來作為建筑材料肯定會受到大力推崇。因此,研究竹材力學性能,探索其在工程中的應用途徑具有現實意義。
本文主要選取貴州赤水河沿岸較為豐富的楠竹作為研究對象,按照《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》(JG/T199-2007)要求進行橫順紋抗壓、順紋抗拉、橫紋抗彎試驗,分析赤水楠竹上、中、下不同部位的力學性能,找出其沿著生長高度的力學變化規律,為后續在選取竹材作為建筑材料時提供參考。
本次研究主要選擇3~9年竹齡的赤水楠竹,在選擇時應保證竹材生長健康無病害,確保胸徑(距地面伐根處1.3m的竹材直徑)不低于100mm,高度不低于4.5m。在滿足上述條件的同時每個年齡段隨機砍伐30棵,每棵按上、中、下部位進行截取,每個部位長度1.5m;然后進行編號和密封,運輸至試驗室后進行自然風干3個月以上,再從30棵中隨機選取6棵作為試驗材料;最后進行試件加工制作,制作時每段兩端0.15m部分截掉不作為試驗材料,只截取中間1.2m作為最終試驗段,每段中由下至上第1~4竹節分別進行順紋抗拉、橫紋抗彎、順紋抗壓和橫紋抗壓試驗[2]。
試驗時,選用專業夾具和萬能試驗機進行加載,試驗過程環境溫度和濕度、加載速度和加載終止條件應符合《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》規定。
試驗時應盡可能多做幾組試驗,然后每棵選取1組、共6組數據進行變異系數驗算,如果某組數據符合表1的變異系數要求,則該組數據可以作為最終結果,否則選擇下一組數據或者重新試驗[3]。
表1 各試驗變異系數最大允許值
在計算變異系數時首先需求出試驗結果平均值:
式中:
∑xi——各個試樣試驗結果之和;
n——試樣的數量。
然后按照公式(2)、(3)計算試驗數據標準差及平均值標準差:
最后根據公式(4)求出變異系數V:
按照上述要求,橫紋抗壓試驗選取的是每棵竹子上、中、下部位中間2m的下端第一個竹節,按照試驗要求將該竹節加工成15mm×15mm×tmm(長度×高度×厚度)的試件(見圖1所示),同時確保加工誤差在0.1mm以內,加載受力面足夠光滑。
圖1 橫紋抗壓試驗試件尺寸要求
赤水楠竹在橫紋方向的力學計算公式為:
式中:
fc,90,w——含水率為w時的橫紋抗壓極限應力,N/mm2;
P——極限應力,N;
l——試件的長度,mm;
t——試件的厚度,mm。
天然竹材在自然狀態下風干,正常情況下含水率在12%左右,因此,對于不同含水率狀態下的試件,最終試驗結果需要按照公式(6)進行修正,最終用試驗結果乘以修正系數得出含水率為12%時的橫紋抗壓強度[4]。
式中:
表2為橫紋抗壓試驗結果統計。
表2 橫紋抗壓試驗結果統計
將表2 繪制成橫紋抗壓強度曲線,見圖2 所示。從圖2可以看出:3~9年齡段的赤水楠竹其橫紋抗壓強度均隨距離地面的高度而上升,即同一棵竹子,其上部的橫紋抗壓強度較底部大;從增大幅度來看,4~5年最為明顯,這可能是楠竹頂部更容易接受風吹日曬的結果;而8~9年齡段較其他年份強度明顯降低,且頂部較底部強度增加幅度最小,可能是竹子老化和脆化的結果。
順紋抗壓試驗所需試件與橫紋抗壓試驗完全相同,不同的是順紋抗壓試驗時加載的受力方向應與竹紋方向平行。具體的公式如下:
式中:b——試件的寬度,mm。
同橫紋抗壓試驗相同,順紋抗壓試驗結果也需要進行修正,修正系數如公式(8)。
表3為經過修正后的順紋抗壓強度試驗結果。
表3 順紋抗壓試驗結果統計
將表3繪制成圖3所示曲線,從圖3可以看出:3~9年齡段赤水楠竹順紋抗壓強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢,但增加的幅度對于每個年齡的楠竹大致都差不多。
圖3 赤水楠竹不同部位的順紋抗壓強度曲線
橫紋抗彎試驗所需試件需做成220mm×15mm×tmm(長度×寬度×厚度)的尺寸,其理論計算公式如下:
同其他試驗一樣,橫紋抗彎試驗最終結果需按照公式(10)進行修正。
表4為經過修正后的橫紋抗彎強度試驗結果。
表4 橫紋抗彎試驗結果統計
將表4繪制成圖4所示曲線,從圖4可以看出:3~9年齡段赤水楠竹橫紋抗彎強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢;從增加幅度來看,3年、8年、9年增加最為明顯,5年的增加幅度最小。
圖4 赤水楠竹不同部位的橫紋抗彎強度曲線
順紋抗拉試驗所需試件需做成330mm×15mm×tmm(長度×寬度×厚度)的尺寸,其理論計算公式如下:
同其他試驗一樣,順紋抗拉試驗最終結果需按照公式(12)進行修正。
表5為經過修正后的順紋抗拉強度試驗結果。
表5 順紋抗拉試驗結果統計
將表5繪制成圖5所示曲線,從圖5可以看出:除年份為3年的赤水楠竹以外,4~9年齡段赤水楠竹順紋抗拉強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢;從增加幅度來看,除4、5年幅度較小外,其他年齡段都較為明顯。
圖5 赤水楠竹不同部位的順紋抗拉強度曲線
通過對3~9年赤水楠竹的下、中、上部分別進行橫紋抗壓、順紋抗壓、橫紋抗彎、順紋抗拉等試驗,對試驗結果進行修正后可得出如下結論:
(1)無論是3~9年齡段赤水楠竹的橫、順紋抗壓強度,還是橫紋抗彎或者順紋抗拉強度,均存在越接近竹子頂部強度越大的規律;
(2)在試驗的3~9年赤水楠竹中,4年和5年上、中、下部的強度變化較??;
(3)工程中在利用赤水楠竹作為建筑材料(需破開非整體應用)時,應盡可能采用竹子的頂端部分。