样品尺寸对竹材顺纹压缩力学性能的影响研究

石俊利 黎 静 朱家伟 王汉坤

(1国际竹藤中心北京100102；2国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室北京100102)

竹子属禾本科植物，产于热带和亚热带地区[1]。竹材与许多常规建材 (例如木材)相比，优势明显，包括极佳的力学性能、繁殖能力快、制造工艺简单等，是一种深受欢迎的环保型建筑材料[2－3]。竹材已广泛应用于很多领域，比如家具[4]、建筑施工[5]、竹纤维增强复合材料[6]、桥梁[7]等。

竹材的力学性能由其独特的微观结构决定[8]。竹材主要由2种细胞类型组成:一种是维管束中的厚壁纤维，在力学性能上起关键作用；另一种是围绕着维管束的薄壁细胞，可以作为复合基质传输载荷[9－11]。因此，竹材是一种天然的纤维增强复合材料，由定向的纤维 (维管束)嵌入柔软的薄壁细胞基质中形成[12－13]。竹材中纤维的体积分数从内部向外部、从下部到上部逐级增加[14－15]。独特的分层结构使竹材成为一种非均质材料，具有分级结构。这种功能分级结构对抵抗环境载荷具有很大的优势[16]。竹材力学性能与其分层结构有明显的相关性[9，12，17－20]。

顺纹抗压强度是评估竹材不同用途适用性的重要指标[21－22]。Chung等[23]分析了从竹秆下部到上部的抗压性能的变化，结果显示，随着取样高度的增加，顺纹压缩模量从5 GPa增加到10 GPa，轴向抗压强度从0.05 GPa增加到0.07 GPa。 Lo等[5，24]的研究也表明，竹秆的上部抗压强度比其下部更高。不仅竹材的力学性能与取样部位有关，其制备的集成材也具有相关特点。Li[25]分析了从竹秆3个不同高度取样所制层压板抗压性能的变化，结果显示，抗压强度随着取样高度的增加而增加；中部竹秆所制层压板弹性模量最高。目前，大多数研究多集中在竹材顺纹压缩性能与取样高度的关系，而对于竹材梯度分层结构的抗压机制、尺寸效应等尚未进行详细研究。本研究对不同尺寸竹块的顺纹压缩进行测试，目的是探讨竹材样品的尺寸对顺纹压缩性能的影响规律。

1 材料和方法

1.1 样品准备

样品采自浙江，为4年生毛竹 (Phyllostachys pubescens Mazei ex H.de Lebaie)。从距地面1.5 m处向上截取2 m长的竹段，制备顺纹压缩试件。本文主要考察样品尺寸对顺纹压缩性能的影响，故样品的制备以尺寸作为变量。压缩样品的高度 (轴向)与宽度 (弦向)之比设为1.5∶1。预设样品的高度尺寸分别为15、30、60、90和110 mm，宽度分别对应为10、20、40、60、80(半个竹环)mm，样品横截面见图1(a)。在顺纹压缩试验前，所有样品都在室温23℃、湿度50%的条件下放置1个月，使最终的平衡含水率达到约为8%。

1.2 顺纹压缩试验

按照国家标准 GB/T 15780－1995进行试验。测试设备为Instron 5582万能力学试验机，见图1(b)，配备有100 kN载荷传感器。测试速度为1.5 mm/min，每组样品重复测试20次，取有效破坏样品数据。

1.3 数据分析

顺纹压缩试验指标包括顺纹压缩模量和顺纹抗压强度。其中，顺纹压缩模量计算区间取破坏载荷的20%～40%区间进行计算，计算方法见图2(a)，应变来源为设备的十字头位移。图1(a)表明:随着样品宽度的增加，试样弧度逐渐增大，标准中“长度×厚度”的面积计算方式不适用本研究，为保证测试结果的准确性，本研究中应力的计算所取面积为样品的实际面积，具体是用扫描仪采集样品的横切面图片 (图2b)，然后用IPP软件计算实际面积。

顺纹压缩力学性能影响因素很多，在本研究中主要考察样品高度 (宽度)、竹壁厚度、弧度 (弧高)等尺寸参数 (图2b)。

2 结果分析与讨论

2.1 竹材的分级结构

竹材是一节一节的竹节连接而成的空心茎，连接部位为竹节，竹节之间称为节间，节间长度通常随竹秆高度增加而增加。竹秆具有一定的尖削度，节间外径及壁厚沿着秆茎从下向上逐渐减小。作为功能分级材料，在径向上可以观察到纤维 (维管束)的梯度分布 (图3)，维管束的分布密度沿着径向方向从竹壁内部向外部不断增加。例如，按相同尺寸的横截面积计算，外部维管束的组织比量约为59.8%，而内部维管束的组织比量约为17.1%。

图3 竹材横截面径向结构

竹材的分级结构表明，竹材的密度与竹材维管束的梯度分布有关，在径向方向存在明显差异，当厚度增加时，竹黄部分所占比例越大，密度略有减小。以往的研究表明，密度是决定力学性能的主要因素。因此，本研究分析尺寸对力学性能的影响，首先应排除密度的影响，图4为样品的高度和竹壁厚度与密度的关系，由图4可知，本研究所取样品的密度相差不大，基本可排除密度的影响。

2.2 样品尺寸对竹材顺纹压缩应力—应变的影响

图5 不同尺寸样品压缩测试的应力—应变曲线

图5为不同尺寸竹块的典型顺纹压缩应力—应变曲线。从图5可以观察到3个区域:弹性区域、弹塑性区域以及塑性区域 (15和30 mm最明显)。5组样品有明显的区别:尺寸小的样品具有更大的弹性变形区域，塑性变形的平台期也明显大于大尺寸样品。综合图1(a)中样品的横切面形状可知:15和30 mm的样品因为没有明显的弧度，样品在压缩过程中塑性变形平台期很长，而60、90和110 mm的样品，则没有明显的塑性变形期，可见随着样品高度的增加，竹材在压缩过程中会产生提前破坏。维管束在竹材内部为平行排列，排除薄壁细胞的因素，竹材中的维管束为细长杆的并列结构，随着样品高度的增加，这种结构的稳定性会受到很大影响，在压力的作用下，越高的样品越容易发生屈曲而失稳破坏。通过实验选取了不同尺寸竹块的代表性破坏模式，汇总见图6。其中，小尺寸样品的破坏主要是剪切破坏，为正常破坏模式，随着样品尺寸的增大，则会出现屈曲、开裂等因弧度因子产生的非正常破坏模式。

图6 竹材压缩试样的破坏模式

2.3 样品尺寸对竹材顺纹压缩力学性能的影响

图7 不同尺寸竹材顺纹压缩力学性能与竹壁厚度、样品高度和弧高的关系

为定量分析样品尺寸对竹材顺纹压缩力学性能的影响，对实验数据进行了对比分析，结果见图7。由图7可知，随着样品尺寸 (高度、厚度、弧高)的增加，竹材顺纹压缩模量和顺纹抗压强度的变化表现出明显的差异性。其中，随着样品高度的增加，顺纹压缩模量有较为明显的增加，顺纹抗压强度则表现为明显减小的趋势，尤其是样品高度与弧高的影响最为明显。原因在于，样品的高度越大，宽度就越大，由此导致样品的弧度越大，顺纹压缩模量越大，顺纹抗压强度越小。这个结果与2个力学性能指标的计算有关:在1.2中对顺纹压缩模量和抗压强度的计算进行了阐述，模量的计算主要取自弹性变形区间 (破坏载荷的20%～40%)，在此区间，竹材承受的力是均匀的，但是竹青部位维管束组织比量大 (图3)，且竹青位于竹环外部，外径周长大于内径周长，随着样品高度 (宽度)的增加，弧度增加，竹青部分所占比例增加 (图1、图3)，样品内用于承载压力的维管束的组织比量会相应增加，样品产生的变形相同时，维管束组织比量较大的样品，所承载的应力会增大，因此顺纹压缩模量计算值随之增加；而顺纹抗压强度则是由极限破坏载荷决定，在弹性区域以后，弧度越大的样品会失稳而导致在达到最大载荷前就发生失稳破坏 (图6)。图7中高度为90 mm样品测试结果偏小，原因在于取样方式导致高度为90 mm的样品的竹黄部分所占比例较高，样品密度较低，材料内部用于承载压力的维管束的相对比量较低，导致其力学性能较低。

3 结论

不同尺寸竹材的顺纹压缩模量与竹壁厚度、样品高度、弧度呈正相关关系，顺纹抗压强度与竹壁厚度、样品高度、弧度呈负相关关系。样品尺寸和弧度在弹性区间内会增强材料的力学性能 (顺纹压缩模量)；在塑性阶段，样品的弧形结构导致样品提前失稳对顺纹抗压强度有削弱作用。