重组竹物理力学性质基础研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 13次 | 上传用户:yuming_wu
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重组竹是将竹材疏解成通长、相互交联并保持纤维原有排列方式的疏松网状纤维束,经干燥、施胶、组坯成型后热压而成的板状或其他形式的材料。重组竹强度高且原材料来源丰富,在建筑结构中有较好的推广应用前景。虽然高强度重组竹已经在示范建筑中得到应用,但是由于其材料性能、力学性质影响因素以及特征值、设计值未知,因此在建筑中的推广受到限制,研究重组竹强度性质,对于重组竹材结构利用,以及在木结构中的推广具有重要的现实意义。本论文采用工厂生产、竹纤维束经过碳化处理的成品重组竹,对其气干密度、全干密度、抗拉强度(UTS)、抗拉弹模、顺纹压缩强度(UCS)、横纹局部压缩强度、抗弯强度(MOR)、抗弯弹模(MOE)和剪切强度(SS)性质进行研究,探讨重组竹力学性质的影响因素,确定其力学性质特征值的取样方法和计算方法。具体结论如下:1.采用非参数法选取各力学性质的49个百分位值,通过线性模型和非线性模型(幂函数、指数函数)的拟合,建立了重组竹不同力学性质间关系式,得到关系模型拟合优度,并对模型精度进行检验。2.重组竹力学性质影响因素分析研究:(1)含水率对重组竹力学强度影响较大。力学强度随含水率的增加而降低,降幅明显,呈直线下降,对弹性模量影响不大。(2)重组竹密度与力学性质间关系拟合较好,幂函数与一元线性函数拟合精度均较高,推荐使用一元线性函数对密度和力学性质间关系进行拟合。光学显微镜图片显示胶黏剂含量是影响重组竹密度的重要因素,竹材细胞壁撕裂程度影响胶黏剂渗入量。(3)纹理角度影响重组竹力学性质。重组竹力学强度随纹理角度的增加而降低,斜纹理承压试样破坏模式分0°-10°顺纹褶皱破坏,20°-50°剪切破坏,60°-90°横纹受压破坏。斜纹理力学性质预测模型中,GB 50005预测值高于实测值,Norris公式低于预测值,Hankinson公式预测值与实测值接近,不推荐使用GB 50005对重组竹力学强度进行预测。最大应力理论解释了破坏模式的划分,0°-10°破坏由材料纵向压缩强度决定,20°-50°由剪切强度决定,60°-90°由横纹压缩强度决定。(4)密度和纹理角度的耦合能够提高重组竹斜纹理承压强度预测精度。二维模型预测值精度远高于一维模型精度,试样密度接近平均密度时,相对误差减小。(5)重组竹力学性质受温度影响较大。随温度的升高,力学性质呈现先上升后下降的趋势。经过高温处理的重组竹颜色逐渐加深,且细胞壁裂纹增加。高温处理重组竹断裂方式能够判断重组竹力学强度大小,当压缩试样纤维整齐断裂时,处理温度为170℃,力学性质达到最大值。傅里叶红外光谱显示170℃为胶黏剂热分解临界状态,固化程度最高,此时力学性质最大。(6)重组竹取样和测试方案对力学性质有显著影响。将物理力学试样在每张板材上循环设计取样,保证各性质试样在板材每个部位均有分布。重组竹板材中间区域和边沿区域物理力学性质间具有显著性差异,中间区域内部和边沿区域内部差异性不显著。3.重组竹物理力学性质特征值确定方法研究。正态分布不能拟合重组竹物理力学性质分布情况,对数分布和威布尔分布能够较好拟合重组竹物理力学性质数据分布。气干密度、全干密度特征值分别为1.004g/cm3、0.974 g/cm3,拉伸强度和拉伸弹模特征值为119.69MPa、24.46GPa,顺纹抗压强度、横纹局部抗压强度特征值为85.65MPa、23.41MPa、 39.90MPa,弯曲强度、弯曲弹模特征值为151.57MPa、23.4GPa,剪切强度特征值为37.33MPa。4.重组竹物理力学性质误差随样本容量的增加而降低,后趋于稳定。样本容量一定时,抽样误差随置信度的增高而增大。通过计算得到75%置信度下5%误差范围内,气干密度、拉伸强度、横纹局部压缩强度、弯曲强度、剪切强度样本容量均为7,顺纹压缩强度为11。兼顾误差稳定性,重组竹样本容量建议至少取50。
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