王军芳 ，卢超丰 ，田尔布 ，王洪艳

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明，365004；2.竹资源开发利用福建省高校重点实验室，福建 三明，365004；3.三明医学科技职业学院 福建 三明，365000）

全球气候变暖、环境日益恶化，促使建筑材料也逐渐向绿色低碳生态环保、可循环可持续方向发展。传统建筑材料能耗高，生产过程中会产生大量的废水、废气和废渣，对环境污染严重，不符合绿色建筑的发展理念。竹材作为一种天然丰富的可再生资源，来源广泛，成材周期短，成本及加工耗能较低，力学性能好，具备良好的比刚度和比强度等优势。若在一定范围内利用其顺纹抗拉性能好的优势替代土建工程中的部分钢筋作为混凝土结构的增强材料[1-4]，既能有效发挥竹材的作用，降低传统结构材料带来的环境污染，缓解当前木材紧缺危机，减少森林砍伐和控制温室气体的排放，又能为农民增收，为社会带来良好经济效益。到目前为止，虽然国内外学者对竹材力学性能进行过大量研究[5-10]，但因依据标准不同,竹材种源不同等，均会使得测试结果并不具备通用性。本文利用闽中山区多毛竹的地域特色，对福建三明毛竹代表性区域的竹材进行顺纹抗拉试验。结合已有文献，对毛竹顺纹拉伸受力性能进行对比分析，给出三明毛竹的顺纹抗拉强度试验取值，为三明毛竹在竹结构建筑中的进一步应用提供可靠的理论依据。

1 试验状况

1.1 试件设计

（1）试材的采集及样竹选择

依据JG/T 19—2007《建筑用竹物理力学性能试验方法》[11]，结合闽中多毛竹的地域优势，试验用毛竹就地取材。 毛竹试材采集地选址为 E116°22′-118°39′，N25°29′-27°07′的三明 （全年平均气温17～26℃，年平均降水量约1 688 mm，12月平均气温17℃ ，7月平均气温36℃，绝对最高气温40℃ ，最低气温-3℃ ，全年无霜期299 d），它是福建毛竹最具有代表性产地之一。采集的样竹数为100株，竹龄在4～5 a间。其中随机抽取10株胸径（从伐根至1.3 m处的直径）100 mm以上成熟无缺陷的样株。每株标准竹正常生长，无病害虫。

（2）试件的加工

为了保证各种试件取自竹杆上相对一致的位置，每一段试材自基部至上部截锯的试件应遵循一定顺序：标准竹伐倒前，在胸高部位以上标明北向记号；标准竹伐倒后，记录胸径、竹高，每株从胸径以上部位截取长度约为2.8 m含11个竹节的试材；试材截取后，立即将编号写在试材中段的竹面上；将每5根试材用塑料布包扎成一捆，以防干裂。

试材锯解及试材截取方法：①截取试样毛坯。截取试样毛坯时，应根据竹材密度沿竹株高度由根部到梢部和沿环形截面由北向南逐渐增大的生长特征，使各项性能试样的平均密度达到一致。②试材沿竹株高度的分配。采集的试材运至试验场后，首先据去试材端部，余下两端带竹节并延伸20 mm的8段竹筒，沿竹株有根部到梢部按Ⅰ～Ⅷ的顺序编号（见图1）。③截取Ⅰ和Ⅷ两段竹筒用于测试不含竹节的顺纹抗拉强度ft和顺纹抗拉弹性模量Et，图2(a)示出试样毛坯的长度和宽度尺寸。当竹筒在竹节之间的长度不能满足试样长度的要求时，试样两端夹持部分可含有竹节。④截取Ⅱ、Ⅲ和Ⅶ、Ⅵ两段竹筒用于测试含有竹节的顺纹抗拉强度粗集料/kg及含水率ω，图2b)示出制作这些试样毛坯的试条宽度尺寸沿长度分布的尺寸。⑤第Ⅳ、Ⅴ两节竹筒留作必要的补充试验。（3）试样毛坯沿环形截面的截取方法

图1 竹试件所处部位的顺序编号（单位:mm）

图2 各项性能试样毛坯的截取方法（单位:mm）

从一对具有沿竹株高度平均密度的竹筒中，沿环形截面以竹筒直径对称轴成双截取。试样毛坯的宽度不应少于20 mm，以保证足够的干缩和加工余量。图3示出顺纹抗拉强度毛坯截取方法的示意图，本次试验中，无竹节试件和有竹节试件各取12个。

测试试件抗拉强度时，由于竹材含水率对其影响较大，按JG/T 199—2007要求，将加工完成后的试样，置于温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%的恒温恒湿环境下保存两周后进行测定。

1.2 试样的制备、试验仪器、试验过程及测试项目

（1）试件的制备：试条及试件制作要求和检查及试件含水率调整分别按JG/T 199—2007的规定调整；试件纹理应与中心线平行，竹青面的切线方向应垂直于试样有效部分 （指中部60 mm）的侧面。试件有效部分与两端夹持部分之间的过渡弧表面应平滑，并与试件中心线对称；当竹筒长度小于试件长度时，夹持部分可含竹节。本试验采用中部有效部分不包含竹节和包含竹节两类试件，分别沿顺纹方向以均匀速度施加拉力至破坏，以确定竹材顺纹抗压强度，标准试件如图4所示。

（2）仪器设备及试验过程：本试验选用中国济南天辰试验机制造有限公司生产的WDW-20G微机控制电子万能试验机对竹试件进行了顺纹抗拉强度及弹性模量的测定，试验机采用球面活动接头，以保证试件中心受拉，防止纵向扭曲。计算截面选用矩形截面，取试件有效部分的中央及两端共3处的平均值（宽度和厚度精确到0.1 mm）；试验时将试件两端夹紧在钳口中，使试件窄面与钳口接触。两端靠近弧形部分露出20 mm左右，竖直地安装在试验机上；按每分钟200 MPa的均匀速度加荷直至试件破坏（精确至1 N）；舍弃拉断处不在有效部分的试件；试件拉断后，立即在试件断口两侧各截取一段试样，按标准规定测定试件含水率。

（3）测试项目：破坏横断面的面积（mm2）；破坏荷载（N），顺纹抗拉强度（MPa），含水率（%）。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏过程分析

本试验是用微机控制电子万能试验机进行竹材的顺纹抗拉强度试验，试件端部采用手动方式调节，用试验机钳口夹持试件端部径面。由于试件端部较厚，在不影响试件抗拉的前提下，对试件端部的夹持部分进行了削薄处理，以达到试件与钳口牢固夹持的效果。

试验的荷载-变形曲线主要通过观察微机控制电子万能试验机所自带的荷载-变形曲线获取试验结果。图5是试样截取，图6加工好的部分试样，将制作好的试件称重后立即置于温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%的恒温恒湿环境下保存两周后，进行顺纹抗拉试验。图7为含水率调整后的部分试件的拉伸试验。图8～9分别是部分试件在顺纹抗拉试验过程中所测得的应力-应变曲线图和力-变形曲线图。

图5 部分截取试件

图6 部分标准拉伸试件

图7 部分试件的拉伸试验

图8 试件顺纹拉伸应力-应变曲线图

图9 试件顺纹拉伸力-变形曲线图

从图8～9可以看出，在顺纹拉伸试验过程中，试件从开始受力到破坏，主要经历三个阶段。在加载初期，在加载至试件临界破坏阶段，试件开始出现微小裂缝，变形继续增加但增幅变缓。在裂缝呈现的一瞬间，荷载会有一定程度的回落，随后就又继续保持增长，增长速度近似与裂缝产生前一致。

试件的加载过程可分为四个阶段：第I阶段为线弹性工作阶段。刚开始加载时，由于拉力较小，标段内竹纤维应变也小，大部分试件的荷载与变形呈现线性增长，应力-应变或力-变形基本成正比关系，此阶段可认为材料是线弹性的。第II阶段为裂缝开展阶段。随着荷载的增加，试件开始出现微小裂缝，进入临界破坏阶段。在此阶段内，截面的应力基本保持不变，但变形继续增加但增幅变缓，该阶段持续时间较短。第III阶段为强化阶段。经过短暂的荷载回落阶段，材料又恢复了持续变形的能力，该阶段内，应力增大的同时，材料的变形继续保持增长，增长速度近似与裂缝产生前一致，至承载达到最高点。第IV阶段为拉裂破坏阶段。承载力增至极值后，试件突然被拉断裂开，试件破坏，破坏位置主要出现在试件标段中央附近。

综上所述，在整个顺纹拉伸的试验过程中，材料经历了线弹性工作、裂缝开展、强化及破坏4个受力阶段。从整个受力过程可以看出，毛竹材具有一定的延性性能，但不够明显。材料的最终破坏仍归为脆性破坏。

2.2 试件测试结果及处理分析

本试验主要是测定福建三明代表性地区的毛竹顺纹抗拉强度。按JG/T 199—2007要求，对拉伸试验时竹材含水率的测试方法进行说明，对顺纹抗拉强度试验的准确指数及最少试件数量进行验证，以确定试验结果的准确可靠性。同时进一步研究试件有无竹节和不同含水率对毛竹材顺纹抗拉强度的影响。

2.2.1 竹材含水率的测试方法

竹材含水率是指试验时试件中所含水分的质量与全干试样质量的百分比，表示试样中水分的含量。竹材含水率不同会直接影响竹材顺纹抗拉强度值。表1和表2中所采用的竹材含水率测试过程如下：

（1）按 JG/T 199—2007 要求，将加工完成后的试件，置于温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%的恒温恒湿环境下保存两周后，进行竹材顺纹抗拉强度的试验测定。试件拉断后，立即除净附在试件上的杂物，并将试样立即称量，精确至0.001 g；之后，放置在烘箱内保持温度（103±2）℃，烘烤8h，取出试样进行试称，以后每隔2 h试称一次，当前后两次称量之差不大于0.002 g时，即认为达到全干。从烘箱中取出试样，置于装有干燥剂的玻璃干燥器内，待试样冷却至室温后称量（精确至0.001 g），所得质量为全干时试样的质量。

（2）试件含水率（精确至 0.01 g）

式中：ω为含水率,%；m1为试样试验状态时的质量,g；m0为试样全干状态时的质量,g。

2.2.2 不同含水率的毛竹材的顺纹抗拉强度计算公式

（1）试样含水率为ω的顺纹抗拉强度（精确至0.01 MPa）

式中：ft，ω为含水率为 ω 时的顺纹抗拉强度（MPa）,Pmax为破坏荷载（N），t为试件厚度（mm），b 为试件宽度（mm）。

（2）试样含水率为12%时的顺纹抗拉强度（精确至0.01 MPa）

式中：ft，12为含水率为 12%时的竹材顺纹抗拉强度,MPa；Kft，ω为竹材顺纹抗拉强度的含水率修正系数；ω为试样含水率，%；试样含水率在5%～20%范围内，按式（4）计算有效。

2.2.3 顺纹抗拉强度值的测试

按JG/T 199—2007要求，对调整含水率后的试件进行竹材顺纹抗拉强度的试验测定。无竹节试件和有竹节试件分别对受荷面积、破坏荷载、拉伸试验时的试件含水率、含水率修正系数及顺纹抗拉强度等内容进行测试和计算，结果如表1～2所示。

表1 无竹节毛竹材的顺纹抗拉强度试验结果

表2 有竹节毛竹材的顺纹抗拉强度试验结果

由表1和表2可知，拉伸试验时，有、无竹节时的试件含水率均在5%-20%范围内，毛竹材顺纹抗拉强度的含水率修正系数按公式（4）计算结果有效，按公式（3）将试验时不同含水率的毛竹材顺纹抗拉强度值转换成含水率为12%时的顺纹抗拉强度值，结果是可靠的。有竹节和无竹节的顺纹拉伸破坏荷载的平均值分别为3 198和3 804 N，对应的调整后含水率为12%的顺纹抗拉强度平均值分别为156.63和185.54 MPa，有竹节毛竹的顺纹抗拉强度值低于无竹节毛竹的顺纹抗拉强度值。

2.2.4 测定数据的统计处理

由于毛竹材为非理想的均质材料，试验结果会受不同条件的影响制约，所以本试验将对表格1和表格2中的毛竹材顺纹抗拉强度试验数据按JG/T 199—2007进行统计处理。

进行顺纹抗拉强度试验时，由于标准JG/T 199—2007中未给出试验准确指数及最小试样数，为获得较为准确的试验结果，确定试验所需试件的最小数量成为试验的关键部分。本次试验试件数选取方法：结合已有文献的研究基础，先取总试件数24个，其中无竹节12个，有竹节12个，再按照标准JG/T 199—2007给出的公式进行试验准确指数和试验所需最少试件数量的计算，以验证所取试件数是否满足标准计算规定，实验数据的描述统计和方差分析结果列于表3。将毛竹材顺纹抗拉强度变异系数的平均值与GB/T15780-1995[12]标准进行比较，如表4所示。

表3 毛竹材顺纹抗拉强度试验数据的统计计算结果

表4 毛竹材顺纹抗拉强度变异系数的平均值对比

从表格3计算结果可知，无竹节试件和有竹节试件的试验准确指数分别为4.09%和6.22%，其结果分别在5%左右，数值相对较小，验证所需的试件最小数均小于所取试件数量；另外对比表格4数据，本试验的毛竹材顺纹抗拉强度变异系数的平均值均小于GB/T15780-1995和JG/T199-2007规定取值，说明本次试验结果是相对准确有效的，这为以后福建山区毛竹材的力学性能进一步分析提供可靠的参考。

2.3 不同含水率的毛竹材顺纹抗拉强度的变化趋势

因为竹材含水率对其力学性质有较大影响，按照JG/T 199—2007的要求，将加工完成后的试样，置于温度(20±2)℃、相对湿度(65±5)%的恒温恒湿箱中保存两周后进行测定。图10为无竹节试件和有竹节试件在顺纹拉伸试验时，将不同含水率的抗拉强度值均转化为含水率为12%时的抗拉强度值的变化趋势图。分析图势可知，做拉伸试验时若含水率小于12%，顺纹抗拉强度值ft,12随着含水率的增长基本呈现递增的趋势；含水率大于12%时，顺纹抗拉强度值ft,12随着含水率的增长基本呈现递减的趋势，含水率在12%左右时，顺纹抗拉强度值ft,12达到峰值。

2.4 有、无竹节对毛竹材顺纹抗拉强度的影响

本试验的试件分为有竹节试件和无竹节试件两类，以考察竹节对竹材顺纹抗拉强度的影响。大部分无竹节试件的破坏过程是：竹材径向内侧的竹纤维先被拉断，随即试件断裂，原因可能是沿径向竹材截面纤维受力不均所导致，而小部分试件被直接拉断。对有竹节试件，断裂部位基本上位于受拉纤维的薄弱竹节处。部分试件拉断情况如图11所示。观察破坏后的试件,发现部分纤维束管在通过竹节处时不连续,有竹节试件的破坏均始于节部两侧,中部偶有纵向劈裂,且断口较为平齐；而无竹节试件的破坏均沿纵向劈裂,呈典型的韧性断裂。

图11 竹节试样的顺纹拉伸断裂情况

本试验测得的有竹节和无竹节试件的顺纹抗拉强度平均值，按上述公式（4）调整为含水率为12%的顺纹抗拉强度值时，其值分别为156.63和185.54 MPa。同等条件下，含竹节试件的顺纹抗拉强度相对于无竹节试件的顺纹抗拉强度下降了近16%。

将本试验的竹材顺纹抗拉强度的试验结果与邵卓平[13]、曾其蕴[14]、刘旭[15]、郝继平[16]、单波[17]等多位学者的研究成果进行对比，发现不同文献所测的有、无竹节的顺纹抗拉强度平均值虽不同，然而竹节对顺纹抗拉强度的影响趋势却是一致的，无竹节试件的抗拉强度与有竹节试件的抗拉强度之比分别为 1∶0.67、1∶0.81、1∶0.83、1∶0.92、 1∶0.72 和1∶0.84，有竹节试件相对于无竹节试件的顺纹抗拉强度均为降低，降低幅度的范围：最小为8%，最大可达到33%，具体降低幅度见表5和图12所示。引起这种差异的主要原因可能是试件采集时间、采集地、竹龄、试件选取部位和制作过程等的不同引起的，由此可见，竹节降低了毛竹材的顺纹抗拉强度。

表5 不同文献中含水率为12%的竹材顺纹抗拉强度的试验结果与本实验结果的对比

3 结论

通过对福建三明毛竹进行顺纹拉伸试验的测试,得到有竹节和无竹节的毛竹材顺纹抗拉强度值。通过比较，发现含水率均转化为12%的情况下，竹节对试件的顺纹抗拉强度有着不同程度降低的影响,降低幅度最少为8%，最大可达到33%。本文试验还研究了含水率对顺纹抗拉强度的影响，含水率为12%左右时顺纹抗拉强度值达到最优；通过不同文献的对比，发现不同地域的毛竹，即使测试标准和竹龄相同，竹材的顺纹抗拉强度仍存在差异，其中福建三明地区的毛竹材顺纹抗拉强度值，在含水率转化为12%时，有竹节的和无竹节的分别为156.63和185.54 MPa，该结果可为福建三明毛竹在竹建筑中的应用奠定初步的力学理论基础。作为结构用材时，毛竹材将会受到多种因素的制约影响，如混凝土碱性环境对竹材抗拉性能的影响等。为了加快推广三明毛竹在竹装配式建筑或竹筋混凝土结构中的应用，需要对三明毛竹在不同环境中的抗拉、抗压、抗弯、抗劈裂等力学性能以及对竹材用于混凝土环境中的防腐性能和耐久性能等进一步深入研究，以提高毛竹材力学性能的可靠指标，为三明毛竹在建筑结构中的推广应用提供可靠的理论依据。