改性橡胶木力学性能试验研究

孙永良

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)

0 概述

木材作为一种世界上最为古老的建筑材料之一不仅在古代建筑中有着极多的应用，在现代绿色建筑的概念下也越来越受到建筑行业的关注。其以轻质高强、制作简单、可塑性强和良好的保温隔热性能等诸多优点受到众多工程师的喜爱。但相关法律及原木产量的限制等因素也制约着木结构建筑的发展，橡胶木有望作为一种新型结构用材。

海南橡胶木最初由于色泽淡雅、纹理美观、加工性能良好但易于腐朽及被虫害等诸多特点多用于室内家具[1]。然而随着木结构建筑的不断推广，对于木材的需求量日益增加，将橡胶木进行改性处理运用于建筑行业获得了越来越多的关注。早在20世纪70年代由华南热带作物科学研究所开发出以硼砂、硼酸和五氯酚钠配置的药剂处理橡胶木，在防腐、防虫、防白蚁等方面具有显著的成效[2]。关于橡胶木防霉、防蓝变等性能，刘秀英等[3]配制了不同的药剂进行了详尽的研究；马召亮等[4]对橡胶木的胶合性能进行了研究。随着橡胶木综合加工利用课题的不断推行，橡胶木高温热处理[5]、橡胶木浸渍改性[6]等成为了新的研究方向。

尽管目前关于橡胶木的研究已较为广泛，然而针对橡胶木在建筑工程中的实际运用的研究还较为缺乏，关于橡胶木在实际工程设计中常用到的各项材料性能指标的研究较少。基于上述原因，本文对改性橡胶木开展顺纹抗压、横纹抗压、顺纹抗拉、顺纹抗剪、清材抗弯等材性试验及足尺木梁抗弯破坏试验，为改性橡胶木在工程中的应用提供一定参考。

1 材性试验

本次试验中所使用的改性橡胶木原材料为海南橡胶木，其制备过程主要分为5个步骤：选取原木并锯切至板材、烘干、选材、改性处理及烘干固化。经由上述改性处理后木材的平均密度为638kg/m3,平均含水率为5.8%。本节内容包含顺纹抗压、顺纹抗拉、顺纹抗剪等三项试验。

1.1 顺纹抗压试验

根据《木材顺纹抗压强度试验方法》(GB/T1935—2009)[7]，改性橡胶木顺纹抗压试验共30个试件，尺寸均为20mm×20mm×60mm。将试件两端放置在试验机加载台上，并保证试件竖直安装在试验机上(图1)。

图1 顺纹抗压试验

由试验记录的数据可得，改性橡胶木顺纹抗压极限强度的平均值为65MPa，弹性模量平均值为12 175MPa，对应的变异系数分别为13.6%和29.5%。

试验所得典型试件的荷载-位移曲线如图2所示。试验开始后压力逐步增大，刚度提高直至进入线弹性阶段。试件在到达抗压极限强度后存在“平台”阶段，表明该试件在顺纹抗压试验中具有一定的延性。试验中试件的破坏模式分别为试件中部形成楔形劈裂后延展至整个试件(图3(a))；试件端部压溃而发生搓动(图3(b))；沿着木材纹路，在试件中形成一条贯通试件的纵向裂缝(图3(c))。

图2 顺纹抗压荷载-位移曲线

图3 顺纹抗压破坏模式

1.2 顺纹抗拉试验

改性橡胶木顺纹抗拉试验共30个试件，根据《木材顺纹抗拉强度试验方法》(GB/T 1938—2009)[8]加工成标准试件(图4)。试件竖直地安装于试验机上(图5)。

图4 顺纹抗拉试件

图5 顺纹抗拉试验

改性橡胶木顺纹抗拉试件的荷载-位移曲线(图6(a))具有明显的双线性性质，且试件的破坏均为脆性破坏。该试验的破坏模式分为两种：荷载达到极限承载力时在试件的中部出现一条垂直于试件的裂纹并被拉断(图6(b))，达到极限承载力时试件中部出现斜裂缝并被拉断(图6(c))。

图6 顺纹抗拉试验结果

1.3 顺纹抗剪试验

根据《木材顺纹抗剪强度试验方法》(GB/T 1937—2009)[9]，改性橡胶木顺纹抗剪强度试验共制作30个试件(图7)。将试件安装于万能试验机上(图8)进行顺纹抗剪试验。

图7 顺纹抗剪试件

图8 顺纹抗剪试验

改性橡胶木顺纹抗剪强度比例极限及弹性模量的计算方法同顺纹抗压试验。试验测得改性橡胶木顺纹抗剪极限承载力和弹性模量平均值分别为10.1MPa和351MPa，对应的变异系数分别为16.7%和11.7%。

顺纹抗剪试验所得荷载-位移曲线见图9(a)，可以看出，在试验开始阶段，荷载与位移成直线关系，体现出试件具有良好且稳定的线性性能。在荷载到达试件的极限承载力时试件突然发生断裂，曲线呈现出断崖式下降。破坏模式均为试件沿着木材纹路发生滑动，并最终劈裂成两块较小的部件(图9(b),(c))。需注意此位移为万能试验机的装置位移，并非为实际剪切面的位移。

图9 顺纹抗剪试验结果

2 抗弯试验

2.1 清材抗弯试验

清材抗弯试验分为抗弯强度试验和抗弯弹性模量试验(图10、图11)。根据《木材抗弯强度试验方法》(GB/T 1936.1—2009)[10]共制作了30个试件，改性橡胶木清材抗弯强度试验采用跨中单点位移加载。依据《木材抗弯弹性模量测定方法》(GB/T 1936.2—2009)[11]，对前述30个试件做了抗弯弹性模量的测试，采用荷载控制的循环加载模式。抗弯弹性模量试验完成后再进行强度测试，并加载至试件破坏。

图10 抗弯强度试验

图11 抗弯弹性模量试验

通过改性橡胶木抗弯弹性模量试验得到，试件弹性模量平均值为20 098MPa，对应变异系数为11.6%。通过抗弯强度试验得到，试件抗弯极限强度平均值为82.1MPa，对应变异系数为13.0%。

在改性橡胶木清材抗弯试验中，试件的典型破坏模式共有两种。随着施加荷载的提高抗弯试件变形持续变大(图12(a))，当荷载值到达试件的极限承载力时部分试件发生断面底部突然断裂且断裂面呈锯齿状(图12(b))，另有部分试件发生断面底部两侧断裂斜向贯通的情况(图12(c))。由荷载-位移曲线(图12(a))可知，改性橡胶木在承受弯矩作用时具有稳定的线性性能并在达到峰值点后突然断裂，破坏类别属于脆性破坏。

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图12 抗弯强度试验结果

2.2 足尺梁抗弯试验

为了进一步考虑改性橡胶木在工程实际中的情况，更好地研究由改性橡胶木制成的构件在实际工程中的力学性能，在清材抗弯试验的基础上进行了足尺梁抗弯试验。基于上述各类材性试验所得结果，对8根由改性橡胶木制成的木梁进行足尺抗弯性能试验，梁截面尺寸为150mm×150mm，为层板胶合木。单层层板厚度为30mm，共5层，组坯方式为同等组合。根据《木结构试验方法》(GB/T 50329—2012)[12]，采用两点单调加载方式且加载模式为位移控制法(图13)。

图13 改性橡胶木梁足尺抗弯试验

试验测得各个试件弹性模量及极限抗弯强度，见表1。由表1可知，改性橡胶木木梁足尺抗弯试验弹性模量平均值为7 282MPa，变异系数为20.3%；抗弯极限强度平均值为29.6MPa，变异系数为13.2%。

在改性橡胶木木梁足尺抗弯试验中，木梁的破坏形式呈现出两种类型。在试验荷载达到木梁的极限承载力时，木梁底部的跨中部位指接处发生断裂然后整根木梁断裂(图14(a))；在木梁底部存在木节，使得该点在试验时处于应力集中状态而率先发生破坏，而后截面削弱导致整根木梁断裂(图14(b))。在试验开始初期所施加的荷载较小，所有木梁均表现出极好的线弹性性能，跨中挠度荷载-位移曲线呈一条笔直的线段。在试验荷载达到木梁的极限承载力时，木梁中部纯弯段发生破坏。梁的破坏为脆性破坏。

各改性木梁抗弯试验结果/MPa 表1

图14 木梁抗弯破坏图

清材材性试验与足尺木梁抗弯试验所得抗弯模量及抗弯极限强度见表2。由表2可以看出，清材材性试验所得到的抗弯极限强度及弹性模量均远大于足尺木梁抗弯试验。出现此现象的原因主要有：1)木梁是由多层木板胶接且同层接头处使用指接技术拼接而成，由于指接技术及工艺的相对不成熟造成此处的性能削弱；2)清材小试件中并无木节或其他明显初始缺陷的存在，在试验中避免或减少了因初始缺陷而导致的破坏情况。

抗弯性能试验值对比/MPa 表2

将改性橡胶木作为结构用材需要进一步开展以下工作：1)改进指接技术及工艺，加强指接的强度；2)建立合理的材料分级标准，减少木材中缺陷的影响；3)对每一种分级标准进行足量试验以获得具有足够可靠性保证的各级强度值。

3 力学性能比较

将改性橡胶木材性试验所得到的结果与市面上常见的木/竹材力学性能试验值进行对比(表3)。由表3可以看出，对于抗弯弹性模量，改性橡胶木对比于其余三种木/竹材均具有较为明显的优势，其数值接近于落叶松[13]及胶合竹[14]弹性模量的两倍。在抗压以及抗拉性能方面，改性橡胶木与常规木/竹材具有相当的力学性能。改性橡胶木的顺纹抗剪强度也略高于速生杨[15]。

改性橡胶木与常见木/竹材力学性能试验值对比/MPa 表3

4 可靠度分析

承载力设计值由试验所得的材料强度通过可靠度分析后除以适当的抗力分项系数而得，需按照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)[16](简称建筑可靠性标准)和《木结构设计标准》(GB 50005—2017)[17](简称木结构标准)中确定材料强度设计值的方法来计算。

木结构标准中各类承载力的可靠指标如表4所示，其值亦满足建筑可靠性标准中的相关规定，同时木结构标准表明影响木结构抗力的主要因素见表5。而木构件抗力分项系数可取KP，KA，KQ1，KQ2，KQ3，KQ4(各符号含义见表5)，故改性橡胶木经过可靠度分析后的各项承载力设计值取值见表6。

木结构标准中各类承载力的可靠指标 表4

木结构标准中木构件抗力统计参数 表5

改性橡胶木承载力设计值/MPa 表6

表6中设计值指标均通过清材试验获得，如用于指接拼接而成的大尺寸构件，需保证指接节点具有足够的可靠性，且改性橡胶木的各项承载力数值会随着具体改性工艺的变化而变化。

5 结论

本文通过对改性橡胶木进行材性试验及足尺木梁抗弯试验，依据相关标准及规范计算得到各类材性试验强度及弹性模量和足尺构件的抗弯强度及弹性模量，得到如下结论：

(1)改性橡胶木具有较强的顺纹受压强度、顺纹受拉强度、顺纹受剪强度和良好的弹性模量，可与常见的木/竹材的性能相媲美。

(2)试验显示改性橡胶木也具有明显的脆性破坏特性，当其应用于实际结构中时应该充分考虑其特性。

(3)为了推动改性橡胶木在实际结构工程中的应用，需建立合理的材料分级标准，并通过试验获得具有足够可靠性保证的各级强度值。

(4)因不同的改性工艺会对橡胶木造成不同的影响，本文的研究结论只适用于本文所述试验所采用的改性橡胶木材料。