重组竹短期抗弯蠕变特性及其微观结构研究

章卫钢，江文正，唐荣强

(1.浙江农林大学工程学院，浙江临安311300;2.浙江省林产品质量检测站，杭州310023)

重组竹短期抗弯蠕变特性及其微观结构研究

章卫钢1，江文正1，唐荣强2

(1.浙江农林大学工程学院，浙江临安311300;2.浙江省林产品质量检测站，杭州310023)

为探索重组竹长期载荷下的极限强度及其加工使用环境，以重组竹为对象，研究其在不同加载载荷(224，280，336和392 N)、含水率(浸水、气干和绝干)及厚度(6，8和10 mm)，在三点弯曲条件下的96 h抗弯蠕变特性。结果表明：重组竹蠕变柔量随时间的延长而逐渐增大，加载载荷越大，蠕变柔量越大，瞬时弹性蠕变柔量也越大，到达减速蠕变阶段所需时间越长；8 mm厚浸水、气干和绝干重组竹96 h蠕变的总蠕变柔量分别为2.25，1.82和1.62 mm，气干和浸水重组竹蠕变柔量变化较为均匀平缓，而绝干重组竹蠕变柔量变化则为阶梯式，瞬时线性增加；6，8和10 mm厚气干和绝干重组竹在0.16 h内的蠕变柔量分别为4.34，1.58，0.99和4.43，1.23，0.75 mm，相同厚度的绝干重组竹瞬时蠕变柔量与最大蠕变柔量均小于气干材，而6 mm厚气干重组竹在7.6 h后呈直线加速蠕变，再经1.25 h后出现断裂现象；微观形态观察发现，重组竹蠕变时产生了微裂纹，而蠕变断裂则是从胶合界面薄弱处开始并向上延伸，最终使界面上方纤维受压断裂。

重组竹；抗弯蠕变；加载载荷；微观结构

重组竹是将竹材碾压加工为竹束，经干燥后浸胶，再干燥到所需含水率，然后铺放在模具中高压成型、高温固化而成。重组竹改善了竹材的原有性能，具有优异的力学性能，可以广泛应用于室内外地板、家具、建筑结构材、装修装潢以及风电桨叶等高强度材料领域[1-4]。将重组竹制成建筑结构材和风电桨叶等材料时，必须考虑其蠕变性能，防止受应力载荷而破坏。因此，蠕变是检验材料能否运用到工程中的十分重要的指标。

目前，对重组竹抗弯蠕变的研究较少。吴培增[5]在室内环境下对重组竹进行不同应力水平下的拉伸与压缩蠕变试验，用Burgers模型和Findley方程模型对重组竹长期蠕变曲线进行了拟合分析。李宁[6]展开了重组竹梁长期蠕变试验，采用Burgers模型对其数据进行线性回归分析并建立蠕变模型，利用有限元软件分析预测了工程竹桥的长期变形。殷臻[7]研究了适用于竹质桥梁的连接构造，并运用有限元软件分析了温度、蠕变和连接构建类型对连接构造的力学行为影响。在竹材蠕变研究方面：董春雷等[8]依据美国标准 ASTM D5055-04和ASTM D6815-02a分析了竹木复合工字梁快速蠕变性能和90 d蠕变性能。陈士英等[9]对竹材刨花板和竹席贴面刨花板的弯曲蠕变进行了测试；涂道伍等[10-11]用Burgers模型分析了毛竹在不同含水率、温度和应力水平下的横纹压缩蠕变行为，发现蠕变特性受材料自身组织构造和环境因素影响，且各因素之间又具有交互作用；Yu等[12]对不同含水率下竹纤维的拉伸性能及短期蠕变特性进行了细观研究；Gottron等[13]研究了不同加载方向对青皮竹材料蠕变性能的影响；Kanzawa等[14]发现竹材密度对初始挠度的影响要大于对长期蠕变量的影响。综上所述，对重组竹的研究主要集中于模型的建立，而对竹材蠕变的研究主要集中于毛竹材及其复合板材的弯曲蠕变性能的影响因素。

笔者通过对重组竹短期蠕变性能的研究，探讨了重组竹蠕变柔量随时间的变化规律，掌握其在一定载荷下的延迟弹性变形及其黏弹特性，以期通过研究厚度及含水率对蠕变柔量的影响，指导工程上的合理选材用材，并预测重组竹在长期载荷下的极限持久强度，确定其加工和使用环境条件，评价其使用性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

竹束，取自浙江安吉奇辰竹业有限公司，先由毛竹(Phyllostachysheterocyclacv pubescens)剖分成片，去青去黄后再碾压疏解成竹束，之后进行180℃炭化处理，并调整初始含水率至10%～12%。胶黏剂为水溶性酚醛树脂，固体含量为25%。

1.2 试验仪器

便携式圆锯机(TS 55 EBQ-PLUS型，上海费斯托(中国)有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(SEG-021型，上海爱斯佩克环境设备有限公司)；重竹试验压机(450T型，安吉华森液压机厂)；万能力学试验机(MWD-50型，济南时代试金仪器有限公司)；蠕变试验机(RDL-30型，长春机械科学研究院)；扫描电子显微镜(S-3400N型，日立公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 重组竹制备

重组竹设定密度1.05 g/cm3，根据体积计算并称取相应质量竹束。将竹束在酚醛树脂浸胶池中浸渍15 min，浸胶量7%(相对于绝干竹束质量)，并干燥至含水率7%～9%；然后将竹束称质量并纵向放入75 cm×10 cm×10 cm的竹方模具中，在压机上高压预成型，单位压力4.5 MPa，时间1.0 min/mm；之后将模具锁定并送入温度为120℃的烘箱内固化10 h，再堆放24 h，去除两边密度不足部分后将重组竹试件分别锯解成长200 mm，宽20 mm，厚6，8和10 mm的试样。每组取3个用于抗弯蠕变测定，再取若干8 mm厚的试样进行抗弯力学性能测试，确定最大破坏载荷。

1.3.2 绝干、浸水和气干重组竹试样制备

绝干试样的制备：分别取6，8和10 mm厚的试样放入烘箱内，首先将烘箱内温度在5～10 min内升到60～70℃并保持30 min，再将烘箱温度以5℃/min的升温速率升到100℃左右，隔5 h称一次质量直至前后两次质量差值小于0.01 g。浸水试样的制备：取8 mm厚的试样放入装有蒸馏水的容器内，并将试样完全浸没，72 h后隔5 h称一次质量直至前后两次质量差值小于0.01 g。将锯制好的试样在大气中放置14 d左右即为气干材。试样经上述处理后，用保鲜膜密封包裹，防止其含水率发生变化，再放入蠕变试验机测定蠕变性能。

1.3.3 抗弯蠕变性能测试

首先测定8 mm厚重组竹试件的抗弯破坏载荷，参照GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》，采用简支梁的支撑方式，加荷辊和支承辊半径为10 mm，两支座跨距160 mm，在试样的中间位置匀速加载破坏，测得最大破坏载荷平均为560 N。蠕变试验在温度25℃、相对湿度38%～70%的温控箱中进行，采用三点弯曲的斜波加载，两支座距离160 mm，蠕变试验机夹具设计图见图1。加载载荷分别为最大破坏载荷的40%，50%，60%和70%，设定为224，280，336和392 N，加载时间96 h。其余不同含水率及厚度试样加载载荷均为224 N，加载时间均为96 h。先将应力加载到30 N为位移的零位，保持1 min，再以5 N/s的速度加载到最大载荷，在该载荷下测试其蠕变柔量。采用数字式位移控制器采集并自动记录到蠕变试验机软件中，每隔120 s收集一次数据。

图1 蠕变试验三点弯曲夹具Fig. 1 Three-point bending fixture of creep test

1.3.4 扫描电镜(SEM)测试

采用扫描电镜观察蠕变后的重组竹微观结构，在8 mm厚未蠕变重组竹、228和280 N加载蠕变后加载辊位置的受拉表层材料中各截取10 mm×10 mm×50 mm小试样，用单面刀片取5 mm×5 mm×5 mm样品若干，选择表面结构保存较好、无形变、无毛刺的试件，将其用导电胶固定在铝质样品架上并镀金，在200倍扫描电镜下观察微观结构。

2 结果与分析

2.1 不同载荷对重组竹抗弯蠕变柔量的影响

不同载荷对8 mm厚重组竹的蠕变性能影响见图2。在恒定载荷下，重组竹蠕变柔量都随时间的延长逐渐增大。蠕变主要分为初始阶段和减速蠕变阶段。第一阶段为初始阶段，即恒定蠕变阶段，重组竹受载后在瞬间产生了弹性变形，加载载荷未超过破坏载荷50%时，初始阶段加载形变斜率相同，此后，随加载时间的延长，变形量逐渐增大，但是变形速率相同。加载载荷分别为280，336和392 N时，蠕变初始阶段的时间为3，6和12 h，形变量为1.90，2.75和3.00 mm。第二阶段为减速蠕变阶段，该阶段保持时间较长，是蠕变的核心阶段，其蠕变速率随时间的延长而减小。蠕变速率随加载载荷的减小而减小，其曲线呈线性，可以说明材料的蠕变特性[15]。加载的载荷越大，瞬时弹性变形量也越大，到达减速蠕变阶段所需时间越长，重组竹总蠕变柔量随着载荷的增大而增大。

图2 不同载荷下重组竹的蠕变柔量Fig. 2 Creep compliance of bamboo scrimber under different loads

重组竹与天然竹材蠕变曲线的两个阶段不同，天然竹材首先是减速蠕变阶段，其次是恒定蠕变阶段[2]。这是因为重组竹的密度和刚性均大于普通竹材，由此产生的抵抗变形力也较大。此外，炭化竹束脆性增加，弹性降低，其变形属于刚性变形，所以重组竹初始阶段为恒定蠕变阶段。天然竹材具有良好的弹性，随着蠕变的增加，其刚性增强而弹性减弱，所以天然竹材初始阶段为减速蠕变阶段。

2.2 不同含水率对重组竹蠕变柔量的影响

8 mm厚重组竹在224 N的载荷下，浸水、气干和绝干状态下的蠕变性能测试曲线见图3，其96 h最大蠕变柔量分别为2.25，1.82和1.62 mm。由图3可知，在载荷和厚度不变的条件下，含水率对重组竹蠕变柔量的影响较大，随着含水率的提高，总蠕变柔量也逐渐提高。含水率的增加会使界面附近的内应力出现差异，削弱竹束单元的界面性能，竹束间在受外力作用时载荷传递能力大大降低，从而引起力学强度的下降[4]。因此，含水率较高的重组竹抵抗外力的形变能力较小，蠕变柔量较大。由图3分析可知，气干和浸水重组竹的蠕变柔量变化较为均匀平缓，而绝干重组竹蠕变柔量变化为阶梯式，瞬时线性增加。这可能是因为绝干后竹束抗变形能力增加，在抵抗形变过程中受压弯曲附近重组竹材纤维，或由胶层瞬时龟裂引起，绝干材料在试验过程中出现蠕变断裂。

2.3 不同厚度对重组竹蠕变柔量的影响

224 N载荷时不同厚度气干和绝干重组竹的抗弯蠕变性能测试结果见图4。由图4a可知，6，8和10 mm厚气干重组竹在受压后0.16 h内的蠕变柔量分别为4.34，1.58和0.99 mm，最大蠕变柔量分别为8.25，1.88和1.16 mm。厚度越大则蠕变柔量越小，厚度每增加2 mm，蠕变柔量分别增加62%和339%。6 mm厚的重组竹在蠕变7.6 h后出现直线加速蠕变，加速蠕变时间1.25 h，且断裂之前可保持蠕变极限柔量9.7 h，此后重组竹材突然断裂，数据采集终止。说明重组竹蠕变加速断裂过程时间短，作为承重结构超载时重组竹材料断裂时的危险系数较大。由图4b可知，6，8和10 mm厚绝干重组竹在受压后0.16 h内的蠕变柔量分别为4.43，1.23和0.75 mm，最大蠕变柔量分别为5.72，1.63和0.79 mm，绝干重组竹的蠕变柔量随厚度的增大而逐渐减小。此外，相同厚度的绝干重组竹瞬时蠕变柔量与最大蠕变柔量均小于气干材。

图3 不同含水率重组竹的蠕变柔量Fig. 3 Creep compliance of bamboo scrimber under different moisture contents

图4 不同厚度气干和绝干重组竹的蠕变柔量Fig. 4 Creep compliance of air-dried and oven-dried bamboo scrimber with different thicknesses

2.4 重组竹蠕变断裂及其蠕变微观性能分析

蠕变试验时气干重组竹的断裂外观形态见图5。其中，图5a和图5b为裂纹扩展断裂、图5c为界面脱藕断裂、图5d为竹束脆性断裂。图5a和图5b分别为重组竹厚度方向和宽度受压面断裂后的缝纹，从图5a可以看出，重组竹蠕变断裂时从背面开始出现裂纹并逐渐向上延伸。这主要是因为竹束热处理后竹纤维间的强度出现了差异，在厚度方向上的裂纹并非处于同一直线上，而是在蠕变过程中从界面薄弱处突破，即从竹束间胶合强度较弱的界面断裂并向上延伸。图5c为6 mm厚气干重组竹的断裂形态，属于瞬时蠕变断裂，其蠕变柔量的变化即图4a中6 mm厚的重组竹。断裂前在其底部形成应力集中，竹束受到以蠕变加载载荷所处位置为中心的拉应力，在瞬间破坏断裂，蠕变柔量下降速度过快，超过极限蠕变时试验机就停止采集数据，所以该蠕变柔量没有进一步升高。而上方断裂处从重组竹薄弱界面脱离黏合并延伸至顶端，再受压产生纤维断裂，因此，断裂口与蠕变加载辊间有一定距离。图5d为10 mm厚气干重组竹的蠕变断裂形态，与图5c相比，图5d的宏观蠕变断裂口扩展的裂纹及其界面均不深，都集中于加载载荷集中处附近，说明该重组竹竹束之间的界面胶合较为均匀，但是纤维断裂长度不一。

图5 气干重组竹蠕变断裂形态Fig. 5 Creep rupture types of air-dried bamboo scrimber

图6 200倍扫描电镜下的重组竹微观结构Fig. 6 Microstructure of bamboo scrimber under scanning electron microscope(×200)

8 mm厚未蠕变重组竹、228和280 N加载蠕变时加载辊位置的受拉表层材料在200倍SEM下观察到的微观结构见图6。由于重组竹是通过竹束经浸渍胶黏剂压制而成，在重组竹微观形态中，细胞均被胶层覆盖而无法观察到清晰的结构，其表层裂纹不明显。由图6b和图6c可以看出，蠕变后的重组竹微观裂纹明显增加。首先产生裂纹的是胶层，在蠕变应力的作用下，裂纹数量逐渐增加，且裂纹随蠕变时间的延长而逐渐延伸，出现大量长短深度不一的裂纹，其裂纹方向基本与纤维方向一致。随蠕变加载载荷的增加，裂纹的宽度逐渐增加，在胶质较少的纤维之间开始出现裂纹，其裂纹长度也有所增加，这些裂纹都是蠕变断裂开始的起点。说明蠕变时重组竹在微观形态下产生了裂纹，裂纹的深浅度决定了蠕变断裂的特性。

3 结 论

1)重组竹蠕变第一阶段为恒定蠕变阶段，之后是减速蠕变阶段。在含水率和厚度恒定的条件下，重组竹的蠕变柔量均随时间的延长而逐渐增大，加载载荷越大，总蠕变柔量越大，瞬时弹性变形量也越大，到达减速蠕变阶段所需时间越长。

2)在荷载和厚度恒定的条件下，浸水、气干和绝干8 mm厚重组竹96 h蠕变的总蠕变柔量为2.25，1.82和1.62 mm，总蠕变柔量随含水率的升高而逐渐提高。气干和浸水重组竹蠕变柔量变化较为均匀平缓，而绝干重组竹蠕变柔量变化为阶梯式，瞬时线性增加。

3)在荷载恒定的条件下，气干和绝干重组竹蠕变柔量随厚度的增大而逐渐减小，气干材厚度每增加2 mm，蠕变柔量分别增加62%和339%；相同厚度的绝干重组竹瞬时蠕变柔量与最大蠕变柔量均小于气干材；气干6 mm厚重组竹在蠕变过程中出现断裂现象，蠕变7.6 h后出现直线加速蠕变，加速蠕变时间1.25 h，且断裂之前可保持蠕变极限柔量9.7 h，而后重组竹材突然断裂。

4)重组竹蠕变时会产生裂纹，而蠕变断裂从受拉处出现裂纹并逐渐向上延伸，厚度方向上的裂纹并非处于同一直线上，而是从界面薄弱处突破，即从竹束间胶合强度较弱的界面断裂并向上延伸，最终使界面上方纤维受压断裂。

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Study on short-term bending creep behavior and microstructureof bamboo scrimber

ZHANG Weigang1, JIANG Wenzheng1, TANG Rongqiang2

(1. School of Engineering, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, Zhejiang, China;2. Zhejiang Forestry Product Testing Station, Hangzhou 310023, China)

In order to predict the ultimate strength of bamboo scrimber under long-term load, and to determine its processing and using environment conditions, the effects of different loads(224, 280, 336 and 392 N), moisture contents(saturated, air-dried and oven-dried) and thickness(6, 8 and 10 mm) on creep properties of bamboo scrimber under the three-point bending mode within 96 h were studied. The results showed that the creep compliance of bamboo scrimber increased gradually with the increase of time. The higher the load, the larger the instantaneous elastic creep compliance was obtained, leading to the longer time to reach the deceleration creep stage. The total creep compliances of the 96 h creep for saturated, air-dried and oven-dried bamboo scrimbers of 8 mm thick were 2.25, 1.82 and 1.62 mm, respectively. The total creep compliance was improved gradually with the increase of moisture content. The creep compliance of air-dried and saturated bamboo scrimber changed relatively uniformly, while the creep compliance change of oven-dried bamboo scrimber was ladder-like type and its instantaneous linearity increased. The creep compliances of 6, 8 and 10 mm thick air-dried and oven-dried bamboo scrimbers in 0.16 h were 4.34, 1.58, 0.99 mm and 4.43, 1.23, 0.75 mm, respectively. The creep compliance of bamboo scrimber decreased with the increase of thickness in the air-dried and oven-dried conditions. The transient and maximum creep compliances of bamboo scrimbers with the same thickness in oven-dried condition were lower than those of bamboo scrimbers in the air-dried condition. The air-dried bamboo scrimber of 6 mm thickness showed linear acceleration creep after 7.6 h, and then fractured in 1.25 h, indicating that the moisture content had a great influence on the creep limit and fracture of the bamboo scrimber. The cracks occurred in micro morphology of bamboo scrimber, and the creep rupture started from the weakest point of the bonding interface and then extended the fiber compression fracture along the surface.

bamboo scrimber; flexural creep; load; microstructure

2016-12-29

2017-02-23

浙江省林业工程一级重中之重学科开放基金(2014lygcy024)；浙江省科技计划项目(2015F50051)；中央财政林业科技推广示范资金(2016TS03)。

章卫钢，男，实验师，研究方向为竹材工业化利用。E-mail:260549001@qq.com

S781.9

A

2096-1359(2017)03-0033-05