CN102490231A - 适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法，包括如下工艺步骤：一、将砍伐的成年竹材预处理；二、图像处理；三、制作竹材标准试件；四、应用复合材料混合定律，建立原竹材细观力学模型；五、确定

f_t、f_m的具体数值；六、依据维管束体积比对竹材进行分级；七、设计材料组份与层铺几何；八、确定浸胶方式与材料成型压力；九、组坯、浸胶、热压成型；十、产品检验：十一、确定高强竹质工程材料型材参数测定方法。本发明的优点：可达到竹质工程材料生产的可控性、可设计性；能生产出满足建筑结构目标力学性能的具有一定规格的高强竹质工程结构材料；发展绿色、可再生建筑工程材料，缓减环境、资源压力。

Description

适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法，属于建筑结构、建筑材料技术领域。

背景技术

我国每年开工建设的房屋总建筑面积为近20亿m²，消耗水泥近14亿吨、钢材近6亿吨。大规模的建设消耗了大量的资源和能源，给环境、生态造成的破坏是不可估量的。因此，利用可再生的绿色建筑材料代替高污染、高能耗、不可再生的矿物质建筑材料，是当今世界亟待解决的重要课题。

竹材是一种可再生、可降解的天然生物质材料，一般3-5年就可以成材，其比强度、比刚度均高于钢材，而生产1m³竹材所消耗的能量仅为生产1m³钢材的0.1％。因此，竹材是一种理想的绿色高强材料，作为建筑结构材料有着其他材料不可替代的优势。以竹材作为建筑结构材料，避免或减少使用粘土砖、水泥混凝土等高污染、高能耗的不可再生矿物质建筑材料，符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中确定的绿色建筑和农林生物质资源综合利用等重点领域及优先主题，符合国家可持续发展的战略需求。

传统的竹建筑主要以原竹材料作为基本构件，将其捆绑成杆系结构体系以抵御外部作用。由于原竹材料壁薄中空、直径较小、尖削度大、结构不均匀，其几何尺寸、力学性能有很大的变异性，故原竹构件不能满足现代建筑结构对材料的物理力学性能及构件尺寸的要求。已有将竹材经工业化过程加工成一定规格的竹材集成材与重组材的报道，这类竹制品已广泛应用于家具、地板、建筑模板、包装等领域，也有将这类材料用于建筑结构的报道。但由于这种材料在加工过程中，没有对材料组分、层铺几何、界面性质进行设计与控制，导致材料的力学性质有很大的随机性与离散性，因而不能满足现代竹结构对材料物理力学性能的要求。故根据现代过程结构的对材料需求，制备满足目标力学性能的高强竹质结构材料，是竹结构获得普遍应用的前提。

发明内容

本发明提出的是一种适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法，根据工程结构对材料物理力学性能的目标需求，首先依据原竹材的微观结构对其进行分级，通过材料的组份与层铺几何设计、组份界面性质控制等技术，获得满足目标物理力学性能、具有一定规格与预期目标性能的高强竹质工程材料。

本发明的技术解决方案，适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、将砍伐的成年竹材通过机械去青、去黄，经蒸汽烘箱恒温干燥处理，使其含水率在10％左右；

二、随机在每一批原料堆里抽取不少于3％，总数不少于60根的竹材制作试块15mm×15mm×4mm，将试块放入装有适量水的烧杯中，置于DK-S24型电热恒温水浴锅中，以100℃的温度连续蒸煮24小时进行软化处理，然后晾干，用滑步式切片机进行制作切片，采用电子显微镜拍摄试块显微图像，通过图像处理技术进行细观构造研究，得到原竹材维管束体积比r^f与空间分布；

三、按照维管束的空间分布，根据《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T199-2007)的相关规定，制作总数不少于60个的竹材标准试件，测定其宏观力学性能，建立原竹材纵向弹性模量、纵向抗拉强度与r^f之间的定量关系；大量的试验证明，原竹材的纵向弹模、纵向抗拉强度与其维管束体积比之间的关系可表达为：

E₁₁＝ar^f+b               (1)

f_t＝cr^f+d                (2)

式中，E₁₁为原竹材宏观纵向弹模。f_t为原竹材的宏观纵向抗拉强度，a、b、c、d分布为由试验确定的参数，同时，竹材的泊松比可又下式确定

$v=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{{\mathrm{\ϵ}}_{11}}---\left(3\right)$

式中，v为泊松比，ε₁₁、ε₁₂分别为竹材的纵向、横向应变，由试验测定；

四、应用复合材料混合定律，建立原竹材细观力学模型，即将竹材中由厚壁细胞构成的维管束视为增强体，薄壁细胞构成的其他组织视为基体，从而得到其纵向弹性模量、纵向抗拉强度与维管束体积比之间的关系为：

$E_{11}=(E_{11}^f-E_{11}^m)r^f+E_{11}^m---\left(4\right)$

f_t＝(f_f-f_m)r^f+f_m        (5)

式中

分别为维管束和基体的弹性模量f_f、f_m分别为维管束和基体的抗拉强度；

五、由式(1)、(2)、(4)、和(5)，确定

f_f、f_m的具体数值；维管束与基体其他方向的力学参数、竹材其他宏观力学参数可按表1所给的关系确定，

表1各力学参数之间的关系

六、根据步骤1-5的结果，依据维管束体积比对竹材进行分级；

七、依据高强竹质工程材料的目标性能参数，设计材料组份与层铺几何；

八、选择耐久性不少于50年的胶黏剂，确定浸胶方式与材料成型压力，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个；

九、依据前述设计与试验结果，进行组坯、浸胶、热压成型；

十、产品检验：在批量产品中随机抽取3％且不得少于15根的成型竹质工程材料型材，进行标准试件的抗压、抗拉、抗弯试验，测定材料的弹性模量、拉压强度、泊松比等力学参数，上述测定参数不低于目标参数的3％、不大于目标参数的10％，即为合格；

十一、高强竹质工程材料型材参数测定方法：

1)抗拉试件采用标准试件，测定抗拉弹性模量时，加载速度为7N/s，在0-5kN之间反复加卸载6次，同时记录应力、应变值，采用下式计算弹模：

$E_{11}=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\·A}---\left(6\right)$

式中，ΔF为试件的荷载增量，Δε₁₁为试件有效截面处纵向应变增量，A为试件的横截面积，取后4次循环的平均值作为弹性模量值；抗拉强度测定时采用与抗拉模量相同的试件，以30N/s单调加载至破坏，抗拉强度按下式计算：

$f_t=\frac{F_{\max }}{A}---\left(7\right)$

式中，F_max为抗拉极限荷载；

2)所述的抗压标准试件采尺寸为：高×宽×长＝15mm×15mm×45mm，测试方法：在0-30kN之间反复加卸载6次，加载速率为2kN/min，同时记录荷载与应变，抗压弹模可按式(6)计算，只不过这里的ΔF为压力增量，Δε₁₁为试件中间截面处纵向应变增量，A为试件中间横截面积，取后4次试验结构平均值作为纵向弹模；强度试验采用与上述相同的试件及加载装置，加载时，先以2kN/min的速率力控制单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏，强度计算公式同式(7)；

(3)抗弯试验，采用四点弯曲试验，弯曲加载时，梁的跨高比取1/12-1/10，加载时先以2kN的速率单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏。同时记录荷载、跨中截面上、中、下部的应变，梁的静曲强度按式(8)计算

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3F_{\max }{L}_1}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(8\right)$

取极限荷载30％以下部分的试验数据计算按式(9)计算纵向弹模：

$E_{11}=\frac{{\mathrm{FL}}_1}{2f{\mathrm{bh}}^3}(3L^3-4L_1^3)---\left(9\right)$

式中，σ_max为梁静曲强度，F_max为极限荷载，f为跨中挠度。

本发明的优点：可达到竹质工程材料生产的可控性、可设计性；能生产出满足建筑结构目标力学性能的具有一定规格的高强竹质工程结构材料；发展绿色、可再生建筑工程材料，缓减环境、资源压力。

附图说明

附图1是抗拉试件(单位mm)示意图。

附图2是弯曲加载装置示意图。

具体实施方式

高强竹质结构材料的制备方法，

1.将砍伐的成年竹材通过机械去青、去黄，经蒸汽烘箱恒温干燥处理，使其含水率在10％左右。

2.随机在每一批原料堆里抽取不少于3％，总数不少于60根的竹材制作试块15mm×15mm×4mm，将试块放入装有适量水的烧杯中，置于DK-S24型电热恒温水浴锅中，以100℃的温度连续蒸煮24小时进行软化处理，然后晾干，用滑步式切片机进行制作切片。采用电子显微镜拍摄试块显微图像，通过图像处理技术进行细观构造研究，得到原竹材维管束体积比r^f与空间分布。

3.按照维管束的空间分布，根据《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T199-2007)的相关规定，制作总数不少于60个的竹材标准试件，测定其宏观力学性能，建立原竹材纵向弹性模量、纵向抗拉强度与r^f之间的定量关系。大量的试验证明，原竹材的纵向弹模、纵向抗拉强度与其维管束体积比之间的关系可表达为：

E₁₁＝ar^f+b                     (1)

f_t＝cr^f+d                  (2)

式中，E₁₁为原竹材宏观纵向弹模。f_t为原竹材的宏观纵向抗拉强度，a、b、c、d分布为由试验确定的参数。同时，竹材的泊松比可又下式确定

$v=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{{\mathrm{\ϵ}}_{11}}---\left(3\right)$

式中，v为泊松比，ε₁₁、ε₁₂分别为竹材的纵向、横向应变，由试验测定。

4.应用复合材料混合定律，建立原竹材细观力学模型，即将竹材中由厚壁细胞构成的维管束视为增强体，薄壁细胞构成的其他组织视为基体，从而得到其纵向弹性模量、纵向抗拉强度与维管束体积比之间的关系为：

$E_{11}=(E_{11}^f-E_{11}^m)r^f+E_{11}^m---\left(4\right)$

f_t＝(f_f-f_m)r^f+f_m          (5)

式中

分别为维管束和基体的弹性模量f_f、f_m分别为维管束和基体的抗拉强度。

5.由式(1)、(2)、(4)、和(5)，确定

f_f、f_m的具体数值。

维管束与基体其他方向的力学参数、竹材其他宏观力学参数可按表1所给的关系确定。

表1各力学参数之间的关系

6.根据步骤1-5的结果，依据维管束体积比对竹材进行分级。

7.依据高强竹质工程材料的目标性能参数，设计材料组份与层铺几何。

8.选择耐久性不少于50年的胶黏剂，确定浸胶方式与材料成型压力，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个。

9.依据前述设计与试验结果，进行组坯、浸胶、热压成型。

10.产品检验：在批量产品中随机抽取3％且不得少于15根的成型竹质工程材料型材，进行标准试件的抗压、抗拉、抗弯试验，测定材料的弹性模量、拉压强度、泊松比等力学参数，上述测定参数不低于目标参数的3％、不大于目标参数的10％，即为合格。

11.高强竹质工程材料型材参数测定方法：

(1)抗拉试件采用图1所示的标准试件，测定抗拉弹性模量时，加载速度为7N/s，在0-5kN之间反复加卸载6次，同时记录应力、应变值，采用下式计算弹模：

$E_{11}=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\·A}---\left(6\right)$

式中，ΔF为试件的荷载增量，Δε₁₁为试件有效截面处纵向应变增量，A为试件的横截面积。取后4次循环的平均值作为弹性模量值；抗拉强度测定时采用与抗拉模量相同的试件，以30N/s单调加载至破坏，抗拉强度按下式计算：

$f_t=\frac{F_{\max }}{A}---\left(7\right)$

式中，F_max为抗拉极限荷载。

(2)抗压标准试件采尺寸为：高×宽×长＝15mm×15mm×45mm，测试方法：在0-30kN之间反复加卸载6次，加载速率为2kN/min，同时记录荷载与应变，抗压弹模可按(6)式计算，只不过这里的ΔF为压力增量，Δε₁₁为试件中间截面处纵向应变增量，A为试件中间横截面积。取后4次试验结构平均值作为纵向弹模。强度试验采用与上述相同的试件及加载装置，加载时，先以2kN/min的速率力控制单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏。强度计算公式同式(7)。

(3)抗弯试验。采用四点弯曲试验，试验装置见图2。弯曲加载时，梁的跨高比取1/12-1/10，加载时先以2kN的速率单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏。同时记录荷载、跨中截面上、中、下部的应变，梁的静曲强度按式(8)计算

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3F_{\max }{L}_1}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(8\right)$

取极限荷载30％以下部分的试验数据计算按式(9)计算纵向弹模：

$E_{11}=\frac{{\mathrm{FL}}_1}{2f{\mathrm{bh}}^3}(3L^3-4L_1^3)---\left(9\right)$

式中，σ_max为梁静曲强度，F_max为极限荷载，f为跨中挠度，其余符号见图2。

Claims (1)

1.适用建筑、桥梁工程结构的高强竹质结构材料的制备方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、将砍伐的成年竹材通过机械去青、去黄，经蒸汽烘箱恒温干燥处理，使其含水率在10％左右；

二、随机在每一批原料堆里抽取不少于3％，总数不少于60根的竹材制作试块15mm×15mm×4mm，将试块放入装有适量水的烧杯中，置于DK-S24型电热恒温水浴锅中，以100℃的温度连续蒸煮24小时进行软化处理，然后晾干，用滑步式切片机进行制作切片，采用电子显微镜拍摄试块显微图像，通过图像处理技术进行细观构造研究，得到原竹材维管束体积比r^f与空间分布；

三、按照维管束的空间分布，根据《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T199-2007)的相关规定，制作总数不少于60个的竹材标准试件，测定其宏观力学性能，建立原竹材纵向弹性模量、纵向抗拉强度与r^f之间的定量关系；大量的试验证明，原竹材的纵向弹模、纵向抗拉强度与其维管束体积比之间的关系可表达为：

E₁₁＝ar^f+b           (1)

f_t＝cr^f+d            (2)

式中，E₁₁为原竹材宏观纵向弹模，f_t为原竹材的宏观纵向抗拉强度，a、b、c、d分布为由试验确定的参数。同时，竹材的泊松比可又下式确定

$v=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{12}}{{\mathrm{\ϵ}}_{11}}---\left(3\right)$

式中，v为泊松比，ε₁₁、ε₁₂分别为竹材的纵向、横向应变，由试验测定；

四、应用复合材料混合定律，建立原竹材细观力学模型，即将竹材中由厚壁细胞构成的维管束视为增强体，薄壁细胞构成的其他组织视为基体，从而得到其纵向弹性模量、纵向抗拉强度与维管束体积比之间的关系为：

$E_{11}=(E_{11}^f-E_{11}^m)r^f+E_{11}^m---\left(4\right)$

f_t＝(f_f-f_m)r^f+f_m                  (5)

式中

分别为维管束和基体的弹性模量f_f、f_m分别为维管束和基体的抗拉强度。

五、由式(1)、(2)、(4)、和(5)，确定

f_f、f_m的具体数值；维管束与基体其他方向的力学参数、竹材其他宏观力学参数可按表1所给的关系确定，

表1各力学参数之间的关系

六、根据步骤1-5的结果，依据维管束体积比对竹材进行分级；

七、依据高强竹质工程材料的目标性能参数，设计材料组份与层铺几何；

八、选择耐久性不少于50年的胶黏剂，确定浸胶方式与材料成型压力，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个；

九、依据前述设计与试验结果，进行组坯、浸胶、热压成型；

十、产品检验：在批量产品中随机抽取3％且不得少于15根的成型竹质工程材料型材，进行标准试件的抗压、抗拉、抗弯试验，测定材料的弹性模量、拉压强度、泊松比等力学参数，上述测定参数不低于目标参数的3％、不大于目标参数的10％，即为合格；

十一、高强竹质工程材料型材参数测定方法：

1)抗拉试件采用标准试件，测定抗拉弹性模量时，加载速度为7N/s，在0-5kN之间反复加卸载6次，同时记录应力、应变值，采用下式计算弹模：

$E_{11}=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\·A}---\left(6\right)$

式中，ΔF为试件的荷载增量，Δε₁₁为试件有效截面处纵向应变增量，A为试件的横截面积。取后4次循环的平均值作为弹性模量值；抗拉强度测定时采用与抗拉模量相同的试件，以30N/s单调加载至破坏，抗拉强度按下式计算：

$f_t=\frac{F_{\max }}{A}---\left(7\right)$

式中，F_max为抗拉极限荷载；

2)所述的抗压标准试件采尺寸为：高×宽×长＝15mm×15mm×45mm，测试方法：在0-30kN之间反复加卸载6次，加载速率为2kN/min，同时记录荷载与应变，抗压弹模可按式(6)计算，只不过这里的ΔF为压力增量，Δε₁₁为试件中间截面处纵向应变增量，A为试件中间横截面积，取后4次试验结构平均值作为纵向弹模；强度试验采用与上述相同的试件及加载装置，加载时，先以2kN/min的速率力控制单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏，强度计算公式同式(7)；

(3)抗弯试验，采用四点弯曲试验，弯曲加载时，梁的跨高比取1/12-1/10，加载时先以2kN的速率单调加载，临近破坏时，以1mm/min的速率位移控制单调加载至破坏。同时记录荷载、跨中截面上、中、下部的应变，梁的静曲强度按式(8)计算

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3F_{\max }{L}_1}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(8\right)$

取极限荷载30％以下部分的试验数据计算按式(9)计算纵向弹模：

$E_{11}=\frac{{\mathrm{FL}}_1}{2f{\mathrm{bh}}^3}(3L^3-4L_1^3)---\left(9\right)$

式中，σ_max为梁静曲强度，F_max为极限荷载，f为跨中挠度。

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