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)
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。
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。
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]。
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:
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。
顺纹抗压试验所需试件与横纹抗压试验完全相同,不同的是顺纹抗压试验时加载的受力方向应与竹纹方向平行。具体的公式如下:
式中:b——试件的宽度,mm。
同横纹抗压试验相同,顺纹抗压试验结果也需要进行修正,修正系数如公式(8)。
表3为经过修正后的顺纹抗压强度试验结果。
表3 顺纹抗压试验结果统计
将表3绘制成图3所示曲线,从图3可以看出:3~9年龄段赤水楠竹顺纹抗压强度均存在越接近顶部强度越高的趋势,但增加的幅度对于每个年龄的楠竹大致都差不多。
图3 赤水楠竹不同部位的顺纹抗压强度曲线
横纹抗弯试验所需试件需做成220mm×15mm×tmm(长度×宽度×厚度)的尺寸,其理论计算公式如下:
同其他试验一样,横纹抗弯试验最终结果需按照公式(10)进行修正。
表4为经过修正后的横纹抗弯强度试验结果。
表4 横纹抗弯试验结果统计
将表4绘制成图4所示曲线,从图4可以看出:3~9年龄段赤水楠竹横纹抗弯强度均存在越接近顶部强度越高的趋势;从增加幅度来看,3年、8年、9年增加最为明显,5年的增加幅度最小。
图4 赤水楠竹不同部位的横纹抗弯强度曲线
顺纹抗拉试验所需试件需做成330mm×15mm×tmm(长度×宽度×厚度)的尺寸,其理论计算公式如下:
同其他试验一样,顺纹抗拉试验最终结果需按照公式(12)进行修正。
表5为经过修正后的顺纹抗拉强度试验结果。
表5 顺纹抗拉试验结果统计
将表5绘制成图5所示曲线,从图5可以看出:除年份为3年的赤水楠竹以外,4~9年龄段赤水楠竹顺纹抗拉强度均存在越接近顶部强度越高的趋势;从增加幅度来看,除4、5年幅度较小外,其他年龄段都较为明显。
图5 赤水楠竹不同部位的顺纹抗拉强度曲线
通过对3~9年赤水楠竹的下、中、上部分别进行横纹抗压、顺纹抗压、横纹抗弯、顺纹抗拉等试验,对试验结果进行修正后可得出如下结论:
(1)无论是3~9年龄段赤水楠竹的横、顺纹抗压强度,还是横纹抗弯或者顺纹抗拉强度,均存在越接近竹子顶部强度越大的规律;
(2)在试验的3~9年赤水楠竹中,4年和5年上、中、下部的强度变化较小;
(3)工程中在利用赤水楠竹作为建筑材料(需破开非整体应用)时,应尽可能采用竹子的顶端部分。