竹皮材料综合力学性能探究

雷鸣宇，蒲万丽，廖益林，张洁

竹皮材料综合力学性能探究

雷鸣宇，蒲万丽，廖益林，张洁

（西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都，610000）

目前国内外针对竹皮材料各种力学性能的研究尚不充分。通过大量试验，对不同厚度和高度的单层竹皮材料和多层粘接竹皮材料的顺纹抗拉强度、抗压强度、断裂伸长率等因素展开深入探究。研究结果表明：受制作工艺制约，0.35 mm厚度的单层竹皮材料抗拉强度不佳；三层试件抗拉强度高于单层试件，且弥补了双层试件的粘接性能缺憾；通过竹筒高度参数优化，推算出竹皮材料抗压强度约为18 MPa～21 MPa。上述科学研究方法和宝贵数据结果为以竹皮材料制作的构件受力分析提供了理论力学依据。

竹皮；力学性能；抗拉强度；抗压强度

引言

竹皮作为一种节能环保材料，集高韧性、高弹性、高强度于一身，是一种较为理想的天然纤维材料，具有十分广阔的应用价值。目前针对竹皮材料性能测试的试验尚缺，相应的参考文献也非常匮乏，对竹皮各种性能还有待开展更充分研究[1-6]。本文旨在探究竹皮材料的综合力学性能，其中包括测量其抗拉强度、抗压强度、断裂伸长率等，以及多层竹皮粘接后上述力学性能的变化，从而为以竹材作为原材料的构件受力分析提供基础，为相关相应产业的结构设计提供试验依据。

1　试验方案

1.1试验材料与试验器材

本试验采用材料为杭州某生产厂家提供的3年生毛竹竹皮，规格包括0.2 mm、0.35 mm和0.5 mm三种厚度。试验器材采用WDW-G微机控制电子万能试验机，能够用于测量抗拉强度、抗压强度及断裂伸长率。若无特别声明，本文开展的一律为顺纹试验。

1.2试验步骤

1.2.1竹皮单向受拉试验

（1）试件制作

如章节1.1所述，竹皮包括三种厚度，将每种厚度的竹皮分别制作成层数为1、2和3的试件各6个。其中双层和三层试件层间均用胶水粘接而成（完全均匀涂抹），并在试件两端用规格为40 mm×10 mm的竹片粘接加固，便于夹头的夹持。试件共计54个。试件规格为100 mm×20 mm×t（t即指试件厚度，单位mm），易算得由0.2 mm厚度竹皮所组成的试件t分别取0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm；由0.35 mm厚度竹皮所组成的试件t分别取0.35 mm、0.7 mm和1.05 mm；由0.5mm竹皮所组成的试件t分别取0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm。抗拉试验构件尺寸示意图如图1所示。

图1　抗拉试验构件尺寸示意图

（2）测量方法

受拉试件竖直放在万能试验机上，并用夹头夹持住试件两头，使试件处于自然长度，并用游标卡尺记录原始标距，以方便计算拉伸破坏后的断裂伸长率。控制加载速度为1 mm/min，直至试件受拉破坏时，记录极限抗拉强度值。

1.2.2竹皮单向受压试验

（1）试件制作

本试验采用0.35 mm和0.5 mm这两种厚度的竹皮，长和宽分别统一为350 mm和y mm，利用模具卷成内径为35 mm，高为y mm的空心圆筒，其中y取75 mm、95 mm及115 mm。对每种厚度的竹皮，每种高度各制作3个圆筒，共计18个圆筒试件。抗压试验构件尺寸示意图如图2所示。

图2　抗压试验构件尺寸示意图

（2）测量方法

将制作好的竹筒上下各垫一层竹片，保证其与上下压件的水平接触面无间隙，从而保证圆筒试件为轴心受压。控制加载速度为1 mm/min，直至试件受压破坏时，记录极限抗压强度值。

2　试验结果与分析

2.1竹皮单向受拉试验结果与分析

不同厚度竹皮试件的受拉试验结果见表1。材料抗拉强度试验一共进行了9组，其中去除了离散性较大以及由于试验方法不当造成的无效数据，并对有效数据求取了平均值，如图3和图4所示。分析得出以下结论：

表1　竹皮抗拉试验数据

图3　竹皮材料抗拉强度折线图

图4　受拉破坏试验现场图

（1）单层0.2 mm和0.5 mm厚度竹皮材料抗拉强度约为60 MPa，但单层0.35 mm厚度竹皮材料抗拉强度约为45 MPa。分析其原因是厂家在制作该厚度的竹皮材料时，制作工艺与其他有所不同。0.35 mm材料本身内部纤维较为离散，使其强度有所降低。另外，经过对0.35 mm材料破坏结果的观察，发现其破坏形式多为不规则的锯齿形，沿着不同的横向位置的裂纹展开破坏。因此，使用单层竹皮时，应尽量避免使用0.35 mm厚度。

（2）双层0.2 mm和0.5 mm厚度竹皮材料抗拉强度相比单层均有下降，分析其原因是竹皮内部纤维具有不连续性，以及胶水粘接不均匀等，可以作为试验误差考虑。胶水对粘接性能也具有较大影响，应特别注意。然而在三层试件中，强度反而可以得到保证，表明其能够弥补以上缺憾。

（3）通过竹皮受拉破坏时的现象比较（图4）可知，大多数裂纹为锯齿状，分析其原因是断裂时发生了脆性破坏，系纤维受拉破坏。

2.2竹皮单向受压试验结果与分析

不同厚度、不同高度的竹皮圆筒试件受拉试验结果见表2。分析得出以下结论：

表2　竹皮抗压试验数据

图5　竹皮材料抗压强度折线图

图6　受压破坏试验现场图

（1）在直径相同的前提下，当竹筒高度为75 mm时，大多试件无明显的连续性破坏，而是主要表现为试件截面破坏；当竹筒高度达95 mm及以上时，发生了屈曲现象，导致局部失稳破坏。因此，在竹筒高度处于75 mm～95 mm之间时，能够保持稳定性，对应着发生顺纹受压破坏的极限强度约为18 MPa～21 MPa，即为竹皮材料的抗压强度。

（2）0.5 mm厚度竹皮材料相比0.35 mm厚度，其抗压强度有所提高，且竹筒高度越低，抗压强度越高。因此建议制作抗压柱时尽量采取相应措施，以提高试件整体与局部稳定性，如可在柱子上的适当位置添加加劲肋等。

3　建议与结束语

（1）本文试验中主要采用竹皮材料，其离散性较大。无论抗拉试验还是抗压试验，502胶水的使用方式与用量对整个竹皮材料的强度起到了至关重要的作用。必须在整个试件层间均匀粘胶，使其获得应有强度，不致脱胶破坏试件。

（2）随着竹皮材料层数增加，顺纹抗拉强度逐渐升高，说明胶水对于提高材料强度有所贡献。在三层粘接试件中，3种厚度材料的抗拉强度都在75 MPa左右。

（3）在制作构件时，若需要多层材料，应尽量选择0.2 mm厚度，其质量大约为0.5 mm厚度的1/3，这样既达到了强度要求，还减轻了结构自重，性价比最高。另外，厚度为0.35 mm的竹皮纸强度明显低于0.2 mm和0.5 mm厚度的情况，不宜使用。

（4）断裂伸长率反映了材料的塑性性能。竹皮材料的断裂伸长率普遍为0.5%～1.5%，均小于5%，故属于脆性材料。在使用时，应严格控制外力在容许应力以内，以防止构件发生脆性破坏。

（5）制作抗压柱等试件时，不同高度对应着不同的破坏形式，应采取相应措施提高整体和局部稳定性。

[1]林金春, 林金国, 余雁. 立地条件对人工林毛竹材物理力学性质的影响[J]. 江西农业大学学报, 2010, 32(4): 773-777.

[2]张俊珍, 任海青, 钟永, 等. 重组竹抗压与抗拉力学性能的分析[J]. 南京林业大学学报: 自然科学版, 2012, 36(4): 107-111.

[3]张黎, 赵荣军, 费本华. 欧美杨107杨木材纤维形态分析[J]. 中国造纸, 2008, 27(5): 28-31.

[4]刘承斌, 王步宇, 孙凤钢,等. 结构设计大赛材料性能试验[J].实验室研究与探索, 2007,26(10), 178-180.

[5]翟海潮, 李印柏, 林新松, 等. 实用胶粘剂配方手册[M]. 北京:化学工业出版社, 1997.

[6]俞书宏, 马宝骄. 瓦楞纸板用氧化玉米淀粉粘合剂的研制[J].中国胶粘剂, 1997(1): 23-25.

雷鸣宇(1994-)，男，汉族，四川人，本科生，主要研究方向：土木工程。

E-mail: 13551094641@163.com

Investigation on Comprehensive Mechanical Properties of Bamboo Skin Materials

LEI Ming-yu, PU Wan-li, LIAO Yi-lin, ZHANG Jie
(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, 610000, China)

At present, the research on the mechanical properties of bamboo skin materials is not enough at home and abroad. Through a large number of experiments, the tensile strength, compressive strength, elongation at break and other factors of the different thickness and height of the single layer of bamboo skin material and multilayer adhesive bamboo skin are deeply explored. The results show that by production process control, the 0.35 mm thickness of single layer of bamboo skin material is poor at tensile strength; three layer specimen tensile strength higher than that of single-layer specimen, and it has also made up for the double specimen adhesion defects; through optimizing the bamboo tube height parameter, we have calculated the compressive strength of bamboo skin material is about 18 MPa～21 MPa. The scientific research methods and valuable data above provide a theoretical basis for the analysis of the mechanical components of bamboo.

Bamboo Skin; Mechanical Properties; Tensile Strength; Compressive Strength

TU 531.3

A

2095-8412 (2016) 05-949-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.032