不同竹龄的赤水楠竹力学性能试验分析

黄培东 郭丽娟 陈俊生 梁中勇 刘 勇

（1遵义职业技术学院，贵州 遵义 563000；2贵州交通勘察设计院有限公司，贵州 贵阳 560000）

0 引言

在国家“双碳”目标及节能降耗的大背景下，建筑行业应当积极探索可持续发展的建设之路。目前，建筑工程所使用的材料如水泥、钢材、混凝土等都会不同程度地破坏环境，特别是钢材，不仅在开采阶段会破坏生态环境，在提炼阶段也会产生大量有害废气残渣，给环境造成不可逆转的影响。因此，探索和发掘新型工程材料势在必行。

竹材是世界上生长速度最快的植物之一，将其作为工程材料古来有之，但在改革开放之后追求建筑强度和建筑高度的情况下，很少将其作为工程材料，但其强度高、自重轻、经济环保的特点可能使其在今后“重生态轻建设”的大环境下会再次成为重要建筑材料。

目前已有大量学者开始重视竹材在工程中的应用研究，毛筱霏[1]立足于竹材在古建筑修复中的应用，分析了西北地区夯筑遗址加固中楠竹锚杆的应力分布规律；肖岩等[2]着眼于竹结构的研究，分析了现代竹结构的特点并进行了展望；邹立华等[3]创造型地探索了竹筋混凝土构件的力学性能，重点分析了不同配筋率下竹筋混凝土受弯构件的力学规律。

本文以赤水河沿岸盛产的楠竹作为研究对象，重点通过试验分析不同竹龄（3~9 年）赤水楠竹的横顺纹受压、顺纹受拉、横纹受弯特性，意在总结赤水楠竹力学特性随生长年限的变化规律，为后期竹材的应用提供选材参考。

1 试验方案

1.1 竹材选取

本文主要考虑竹材在工程中的几种受力形式，重点分析不同竹龄的赤水楠竹在横顺纹抗压试验、顺纹抗拉试验、横纹抗弯试验下的力学性能及其变化规律。试验前，到赤水河沿岸选取长势正常无病害、胸径（伐根至1.3m处直径）大于100mm的3~9年竹龄楠竹各10株，每珠截取胸径以上2.8m 含11个竹节的试材，用塑料薄膜包裹后运至实验室后，在自然条件下进行风干。风干后首先去除两端留带竹节并延伸20mm 的8段竹筒，按Ⅰ至Ⅷ的顺序，从根部到端部依次编号[4]，如图1所示。

图1 竹筒编号

图1 中，Ⅰ、Ⅷ两节竹筒用于测试顺纹抗拉强度，Ⅱ、Ⅶ两节竹筒用于测试抗弯强度，Ⅲ、Ⅵ用于测试顺纹抗压强度和横纹抗压强度。

1.2 试件处理

竹材自然风干后按照《建筑用竹材物理力学性能试验方法》要求将其加工成对应试验所需尺寸，然后再用烘干机将所有试件进行脱水并进行称重，最后再将称完重的风干试件放在自然环境中存放，让其回到自然风干状态，再称重进行相应试验并记录各试件含水率，含水率按公式（1）进行计算，精确到0.1。

式中：ω——含水率，%；

m1——试件试验状态时的质量，g；

m0——试件全干状态时的质量，g。

1.3 计算方法

对各试件进行试验以后，对试验结果进行计算，试件尺寸及计算方法如表1所示。

表1 试件尺寸及计算方法

1.4 误差处理

试验过程中难免存在误差或偶然情况，因此需对试验结果进行变异性验算，如果变异系数满足表2 要求则试验数据具有可靠性，否则试验无效。

表2 各试验对应变异系数最大允许值

在计算变异系数时首先需要根据公式（2）求出试验结果平均值：

n——试样的数量。

按照公式（3）和公式（4）计算试验数据标准差及平均值标准差：

式中：S——标准差；

Si——平均值标准差。

最后根据公式5求出变异系数V。

2 试验结果修正及分析

2.1 竹龄对横纹抗压强度的影响

2.1.1 试验结果修正方法

根据试验要求，需要计算竹材自然风干状态下即含水率为12%时的横纹抗压强度，但在实际试验过程中不可能保证每个试件的含水率都刚好为12%，而含水率对竹材抗压强度影响较大。因此，需要对试验结果进行修正。横纹抗压强度按公式（6）和公式（7）进行修正，结果精确至0.1N/mm2。试样含水率在5%~30%之间，按该公式计算有效。

式中：fc,90，12——含水率为12%时的横纹抗压比例极限应力，N/mm2；

kfc,90,w——竹材弦向横纹比例极限应力含水率修正系数；

W——试样含水率,%。

2.1.2 试验结果及分析

试验时所有试件含水率均在12%左右，只存在细微差别，满足横纹抗压强度修正系数关于含水率处于5%~30%之间的条件，同时，变异系数最大为9 年竹龄楠竹的16，小于规定的20，试验数据有效可靠。为更加直观分析横纹抗压强度随竹龄变化规律，将表3 绘制成图2所示曲线。

表3 3~9年竹龄楠竹含水率为12%时横纹抗压试验结果统计

图2 横纹抗压强度随竹龄变化曲线

结合表3和图2可以看出：赤水楠竹横纹抗压强度随竹龄变化较为明显，在竹龄未达到5 年前，横纹抗压强度随竹龄的增加而增大，且3~4 年阶段增长较快，4~5 年阶段增长较为缓慢；竹龄超过5 年后，横纹抗压强度随竹龄的增加而减小，特别是竹龄超过7 年后，横纹抗压强度减小趋势尤为明显，超过8 年竹龄的楠竹其横纹抗压强度已经减小到不足15MPa 的水平，说明超过8 年的楠竹已经严重脆化，工程上应该杜绝使用超过8 年的赤水楠竹；在赤水楠竹的整个生长过程中，5年左右竹龄的竹材其横纹抗压强度最大，当工程上使用竹材需受横向压力时，应当优先考虑使用5 年左右竹龄的竹材。

2.2 竹龄对顺纹抗压强度的影响

2.2.1 试验结果修正方法

同横纹抗压强度一样，顺纹抗压抗压强度试验也需要计算自然风干状态下即含水率为12%时的抗压强度，需要对试验结果进行修正。顺纹抗压强度按公式（8）和公式（9）进行修正，结果精确至0.1N/mm2。试样含水率在5%~30%之间，按该公式有效。

式中：fc,12——含水率为12%时的顺纹抗压比例极限应力，N/mm2；

kfc,w——竹材弦向顺纹比例极限应力含水率修正系数；

W——试样含水率，%。

2.2.2 试验结果及分析

3~9 年竹龄赤水楠竹含水率为12%时的顺纹抗压强度如4表所示。

将赤水楠竹含水率为12%时的顺纹抗压强度绘制成随竹龄变化的曲线如图3所示。

图3 顺纹抗压强度随竹龄变化曲线

结合表4和图3可以看出，赤水楠竹在竹龄未达到5 年前，其顺纹抗压强度呈明显增长趋势，当竹龄超过5 年后，其顺纹抗压强度又呈明显下降趋势，竹龄为5年的赤水楠竹其顺纹抗压强度明显优于其他竹龄段.因此，当工程上需要使用赤水楠竹作为顺纹抗压材料时，应优先考虑使用5 年竹龄的赤水楠竹。除此之外，结合图2 和图3 可以看出，相同竹龄段的赤水楠竹，当都处于自然风干状态（含水率为12%）时，顺纹抗压强度较横纹抗压强度高。

表4 3~9年竹龄楠竹含水率为12%时顺纹抗压试验结果统计

2.3 竹龄对顺纹抗拉强度的影响

2.3.1 试验结果修正方法

由于试样的含水率存在细微差异，因此，与抗压试验相同，需将试验结果进行修正。把所有试件抗拉强度均转化成含水率为12%时的强度，当含水率在5%~20%之间时按公式（10）和公式（11）进行修正，精确至0.1N/mm2。

式中：ft,12——含水率为12%时的顺纹抗拉强度，N/mm2；

kft,w——竹材顺纹抗拉强度含水率修正系数；

W——含水率，%。

2.3.2 试验结果及分析

3~9 年竹龄赤水楠竹含水率为12%时的顺纹抗拉强度如5所示。

根据表5 和图4 可以看出：当竹龄低于5 年时，虽然顺纹抗拉强度随竹龄的增长存在增大的趋势，但增幅并不大，赤水楠竹的顺纹抗拉强度基本处于较高水平；当竹龄超过5 年后，赤水楠竹的顺纹抗拉强度开始明显下降；当竹龄超过8 年时，顺纹抗拉强度已经降低到5 年时的50%左右，其原因可能是竹材随着竹龄增长后逐渐脆化的结果。

表5 3~9年竹龄楠竹含水率为12%时顺纹抗拉试验结果统计

图4 顺纹抗拉强度随竹龄变化曲线

除此之外，结合图2~4 不难看出，赤水楠竹抗拉强度明显比同等条件下的抗压强度要大，因此，工程上应尽可能使赤水楠竹作为受拉构件而不是受压构件。

2.4 竹龄对抗弯强度的影响

工程上竹材作为受弯构件比较普遍，如竹材脚手板等，研究竹材受弯力学性能具有实用意义。

2.4.1 试验结果修正方法

由于试样的含水率存在细微差异，因此，与其他试验相同，需对试验结果进行修正。把所有试件抗拉强度均转化成含水率为12%时的强度，当含水率在5%~20%之间时按公式（12）和公式（13）进行修正，精确至0.1N/mm2。

式中：kfm,w——竹材顺纹抗弯强度含水率修正系数。

2.4.2 试验结果及分析

将试验数据按照要求整理之后编制成表6，由表6可知：3~9 年楠竹抗弯强度试验的变异系数在8~13 之间，符合小于15的要求。

表6 3~9年竹龄楠竹含水率为12%时的横纹抗弯试验结果统计

为了直观分析赤水楠竹横纹抗弯强度随竹龄的变化规律，将表6数据绘制成如图5所示的赤水楠竹横纹抗弯强度随竹龄变化曲线。

图5 赤水楠竹横纹抗弯强度随竹龄变化曲线

结合表6 和图5 可以看出，3~9 竹龄段的赤水楠竹其横纹抗压强度变化幅度不大，除9 年以外，其他均在140~180MPa 间，特别是4~7 年的赤水楠竹，不仅强度变化幅度不大，且强度较高，都在160MPa以上。因此，当在工程上考虑应用赤水楠竹作为受弯构件时，应该优先考虑4~7竹龄段的赤水楠竹。

3 结束语

本文通过对3~9 年生赤水楠竹进行横纹和顺纹抗压强度试验、顺纹抗拉强度试验、横纹抗弯强度试验得出如下结论：

（1）同等条件下，赤水楠竹顺纹抗压强度明显强于横纹抗压强度。

（2）无论是赤水楠竹的顺纹抗压强度还是横纹抗压强度，随着竹龄的增长均有先增大后减小的变化趋势，且5 年生赤水楠竹的横顺纹抗压强度都较其他竹龄段高。

（3）3~9 年赤水楠竹顺纹抗拉强度整体较高，均超过了100MPa，且随着竹龄的增长有先缓慢增大后快速下降的趋势，其中5 年生赤水楠竹顺纹抗拉强度最大，达到了241.62MPa。

（4）赤水楠竹横纹抗弯强度随竹龄的变化幅度不大，但仍表现出先增大后减小的趋势，特别是4~7 年阶段，强度均超过了160MPa，但各竹龄间差异较小。