竹节对竹材抗压力学性能影响的试验研究

林福地，陈颖辉，2，戴志峰，欧明喜，2

（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明650500；2.云南省土木工程防灾重点实验室，云南昆明650500）

钢筋在工程建筑行业中被大量运用，作为建筑骨架结构，有着抗渗、抗冻、抗腐蚀、抗碳化性等优点，很大程度上带动了经济的发展，但针对我国绿色生态建筑材料的提倡，也有着造价高、工业制造污染大及不利于资源再生利用等缺点。基于此，提出绿色环保材料——竹材的开发利用，相对于钢筋，竹材有着生长速度快、低自重、周期短及强度高且稳定等优点［1］。

目前，针对竹材部位的测试、竹材混凝土组合结构的研究、竹材连接方式的不同，国内学者已做了大量研究。邓友生［2］等通过比较国内外不同毛竹构件及竹质结构的试验方法，研究了毛竹管不同部位、空竹管与混凝土竹管对其抗压承载力的影响规律，并分析了变形破坏特点。王希俊［3］等通过探究竹材的斜接工艺，对比分析了斜接竹材与竹材的力学性能。王雪花、宋莎莎［4］等采用现在的技术手段和构造方式，将竹材用于现代建筑的墙体，以满足现代社会的经济性和适应性。陈溪，许清风［5］等对工程竹的研究现状进行分析，提出了提高其力学性能和生产工艺的技术途径。

同时，国外学者也做了大量以竹材为原料来增加复合结构性能的研究，Anu Gupta［6］通过对竹材中提取的竹纤维进行表征，并结合聚丙烯基复合材料，以增强材料的整体稳定性。Matthew Penelluma［7］等通过模拟竹纤维的微观结构来增强竹板复合材料，改变建筑的建造方式来提高竹材复合板在结构中的应用。T.Tana，b［8］等人利用纳米压痕技术结合有限元数值模拟，运用杨氏模量的实际变化来模拟竹材在断裂韧性试验中的变形和断裂。针对于竹材试验，在我国已有的试验规范中，往往以竹环壁为研究对象，而忽略了竹节的影响，造成实际数据不够精准，基于此，本文主要通过对比无竹节及带竹节的抗压弹性模量、顺纹抗压强度、横纹抗压强度的测试，并结合对比计算数据分析出竹节对竹材的影响，为实际工程提供科学有效的依据。

1 方法和材料

1.1 试验标准及设备

竹材主要以横纹和顺纹进行抗压试验。依据《建筑用竹材物理力学性能试验方法》JG/T199-2007［11］对竹材的抗压弹性模量进行测定。依据国际标准《竹子物理与机械性能的测定》ISO 22157-1-2004［9］，ISO 22157-2-2004［10］对竹材的顺纹和横纹抗压性能进行研究。

试验器材采用型号为UTM-系列微机控制电子万能试验机（5～20 t）、小型切割机、游标卡尺、磨光砂纸、扫描仪及天平等。

1.2 试验方法

试验仪器采用UTM-系列微机控制电子万能试验机，以50 N/S的速率进行加载，竹材外径及壁厚采用游标卡尺测得，气干密度根据扫描仪扫描出的计算面积进行换算。

1.3 试验材料

试件共3组，每组3个试样，按照无竹节、单竹节及双竹节分为A、B、C3组，采集地位于湖北黄石湖北理工学院，种类为毛竹，竹龄为3 a，含水量控制在30%～50%之间，采集时间为2019年3月13日～2019年4月1日，具体参数如表1所示，表中参数为每组3个试样的平均值。

表1 竹材基本参数Tab.1 Bamboo parameters

2 结论与分析

2.1 竹材抗压弹性模量测定

试验竹材弹性模量试件一共制定3组，每组3个试样，按照无竹节、单竹节及双竹节进行测定。为避免试验过程中竹筒壁局部出现应力集中的现象，将试样制作成竹条，制作过程如下：利用刀具将竹材剖开制成筋条，并将厚度适当削薄，用砂轮将其砂光，以此制作成tmm×20 mm×7 mm（长×宽×厚）的试样。试验机械采用UTM-系列微机控制电子万能试验机，并将加载速率调制30 N/S，测得的弹性模量取其平均值，试验装置及试验数据如下图1和表2所示。

图1 竹材弹性模量测定Fig.1 Measurement of elastic modulus of bamboo

表2 毛竹抗压弹性模量试验参数Tab.2 Parameters for the test of bamboo compressive modulus of elasticity

2.2 竹节对竹材横纹抗压力学性能的影响

参考 Amada Shigeyasu［14］、Derek Mitch［15］、L.A.TORRES［16］的试验方法，进行竹材横纹抗压试验。图 2给出了竹材无竹节、单竹节及双竹节在横纹抗压下的荷载-位移关系曲线，表3对试验结果进行了编排，由图可知竹材带竹节较无竹节的抗压强度有显著的提高，从表3可知提升幅度有1.30及2.333倍，破坏位移量相对有所减小，表明在横纹方向上竹节对竹材的力学性能有较大影响。利用spearman分析竹节与抗压强度的相关性，并基于竹节对竹材抗压强度无显著性影响的原假设，通过显著性检验可知竹材有无竹节对横纹抗压强度有显著性影响。竹节部位处于密实形态，竹材横纹受压时能较好地缓冲力的作用，从整体上大幅度增强了竹材的极限承载力。

2.3 竹节对竹材顺纹抗压力学性能的影响

依据国际标准《竹子物理与机械性能的测定》ISO 22157-1-2004［9］，ISO 22157-2-2004［10］中第 9节对竹材进行抗压试验，试件尺寸为250 mm×20 mm×7 mm（长×宽×厚）。试验开始一段时间内，竹材并未发生明显变化，但随着荷载的徒步增大，竹材开始出现裂纹，向外鼓曲并呈现片状开裂，破坏形式如下图3（b）所示。

图3（a）给出了竹材基于不同竹节作用下的荷载-位移曲线对比，从图中可知竹节对增强竹材顺纹抗压强度有一定影响，从表4分析可知：相比于无竹节，单竹节及双竹节在抗压强度上有1.08及1.12倍的增强，但提升幅度不够明显。利用spearman分析竹节与抗压强度的相关性，并基于竹节对竹材抗压强度无显著性影响的原假设，通过显著性检验，竹节对竹材顺纹抗压强度的影响在90%的置信区间上存在显著相关。竹材属于空心材料，在顺纹压力作用下，竹筒壁局部会出现应力集中的现象，应力急剧增加促使竹节的缓冲作用不够显著［12］，同时竹节处局部出现鼓曲且向外膨胀的现象，在试验之前就形成了初弯曲，一定程度上削减了竹材的抗压承载性能［13］。试验数据还表明顺纹抗压极限承载力明显优于横纹。

表3 竹材横纹抗压试验结果Tab.3 Results of bamboo transverse compression test

图2 竹节横纹抗压对比曲线及现场试验Fig.2 Comparison curves of transverse compression of bamboo with various nodes

表4 竹材顺纹抗压试验结果Tab.4 Test results of bamboo parallel grain compression

图3 竹材顺纹抗压对比曲线及现场试验Fig.3 Test of bamboo parallel grain compression

3 结论

通过试验数据结合理论计算方法讨论竹节对竹材横纹及顺纹抗压承载力性能影响的研究，为竹材在实际工程中的运用提供合理依据，试验总结如下所示：（1）通过对9组竹材的测定，发现含水率与抗压弹性模量微成反比，即含水率越高，抗压弹性模量越小，按照无竹节及带竹节试验得出抗压弹性模量均值分别为12.66 GPa、13.673 GPa、14.087 GPa。（2）对于横纹抗压，竹节对竹材承载力性能有影响显著，随着竹节数量的增加，竹材的抗压承载力呈现增加的趋势，带竹节较无竹节在强度上有1.30及2.33倍的提升。（3）竹材顺纹抗压强度按照无竹节、单竹节及双竹节分别为35.91 MPa、38.786 MPa及42.72 MPa，较竹材横纹抗压有较大增加，幅度为23.62、16.255及9.2倍。竹节对竹材顺纹抗压承载力的提升效果不够明显，主要是受压下竹筒壁局部出现应力集中的现象，同时竹节局部出现鼓曲且向外膨胀，在一定程度上消减了竹材的承压性能。（4）通过显著性检验可知竹材有无竹节对横纹抗压强度有显著性影响，竹节对竹材顺纹抗压强度的影响在90%的置信区间上存在显著相关。

竹节对竹材抗压承载性能的影响目前研究相对较少，能够提供的理论依据及试验方案尚不完善，为实际工程应用的指导作用不全面，相关的规范及标准有待提高，竹材作为新型材料，在生活中广泛运用，但与其他材料的混合应用仍很匮乏，工程中的应用仍需研究探讨。