重组竹物理力学性质基础研究

摘要

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，GB50005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GB50005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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 重组竹研究现状

1．2．2 特征值研究现状

1．2．3 尺寸效应

1．2．4 密度对木质材料的影响

1．2．5 含水率对木质材料的影响

1．2．6 荷载持续时间对木质材料的影响

1．2．7 其他影响因素

1．2．8 力学性质间关系

1．3 研究目标和主要内容

1．3．1 研究的目的和意义

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 技术路线

1．4 资助项目

第二章 重组竹力学性质间关系

2．1 引言

2．2 试验材料

2．3 取样方法

2．4 分析方法

2．5 结果与讨论

2．5．1 抗弯强度与抗弯弹模

2．5．2 抗弯强度与抗拉强度

2．5．3 拉伸与压缩

2．5．4 拉伸与剪切

2．5．5 压缩与弯曲

2．5．6 顾纹压缩强度与剪切强度

2．5．7 剪切与弯曲

2．5．8 抗弯弹模与其他力学性质孔关系

2．6 小结

第三章 重组竹力学性质影响因素

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 含水率和密度对重组竹力学性质的影响

3．2．2 纹理角度对重组竹力学强度的影响

3．2．3 密度与纹理角度耦合作用

3．2．4 温度对重组竹性质的影响

3．2．5 重组竹取样区域的影响

3．3 结果与讨论

3．3．1 含水率和密度对重组竹力学性质的影响

3．3．2 纹理角度对重组竹力学强度的影响

3．3．3 密度与纹理角度耦合作用

3．3．4 温度对重组竹性质的影响

3．3．5 重组竹取样区域影响

3．4 小结

第四章 重组竹物理力学性质特征值

4．1 引言

4．2 样本容量

4．2．1 参数法

4．2．2 非参数法

4．3 分析方法

4．3．1 粗差判断

4．3．2 参数统计

4．3．3 非参数统计

4．3．4 单样本K-S检验

4．4 结果与讨论

4．4．1 密度测试结果

4．4．2 抗拉性质测试结果

4．4．3 压缩性质测试结果

4．4．4 弯曲性质测试结果

4．4．5 剪切性质测试结果

4．4．6 不同样本容量特征值比较

4．5 小结

第五章 抽样误差

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 抽样方法

5．2．3 误差曲线拟合

5．3 结果与讨论

5．3．1 误差累积概率

5．3．2 样本容量对误差的影响

5．4 小结0

第六章 结论与讨论

6．1 结论

6．1．1 重组竹性质间关系

6．1．2 影响因素

6．1．3 重组竹物理力学性质特征值

6．1．4 抽样误差

6．2 讨论

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢