文摘

竹子被认为是一个新兴的建筑材料有前途的应用预测由于可靠的自然属性和有利的结构特点。然而,缺乏系统的力学特性研究竹物种从一个微观结构。因此,本文研究的主要机械性能竹标本(麻阿斯皮尔)进一步微观结构分析竹失败。竹标本的直接抗拉强度约为226.45 MPa,虽然最后分裂拉伸模量是2.88 MPa。微观结构描述失败的拉伸试样表明纤维脱胶是主要在拉伸条件下失效机理。另一方面,分裂和端轴承故障被发现在压缩试验标本。此外,nanoindentation测试进行不同的细胞结构表达的硬度和杨氏模量。纤维细胞壁的弹性模量是薄壁细胞壁的三倍,然而,硬度值具有可比性。这证实了以前macromechanical测试标本的失败是由于裂纹扩展的薄壁组织细胞,而不是细胞壁。基于本文中讨论的实验研究,得出的结论可以传达积极的信息关于竹子的能力作为主要可持续的替代传统的建筑材料。

1。介绍

不利的增加,全球变暖,地球温度的上升部分生产造成的建筑组成,占47%的碳排放量(1]。至关重要的消耗森林的先决条件的建设工程材料nonwooden成分来满足庞大的需求作为进一步的障碍减少碳排放(2]。可持续性的精神交织在一起产生了一种紧迫感,建筑工程逐步走向利用可持续的资源通过原材料直接应用建设,减少浪费和污染造成的传统建筑组成的生产(3,4]。一个新兴研究趋势,已经引起了相当大的注意是竹子的使用作为一个可持续的替代传统的建筑材料(5]。本研究名声可以最终归结于竹的抗拉强度高,轻,灵活性,和吸引人的美学和最重要的是快速增长的机制,自动分类作为一种理想的可再生(6]。竹的资源在所有物种和类型是非常普遍和丰富的全球广泛的全球种植园的理由。不过,存在主要在远东,65%的物种存在,茁壮成长。这给亚洲国家特有的机会进一步发展建筑业通过可持续使用的竹子丰富(7]。销一个建设性地比较反对竹子和强调竹可持续的优势,可以充分利用木材作为比较对应的建筑结构由于其类似的利用率的目的。首先,竹子的生长阶段物种明显短于木材;通常,竹物种内可能收获4到6年8]。预计竹子可以产生高达50米3每公顷/年,而木材可以产生2.3到10米3/年(9]。竹种的机械性能被认为是相当于木材和远优于软材拉伸、弯曲、压缩的优点。不过,竹种有利可图的消耗更少的能量比传统建筑材料如水泥、钢材、混凝土(10- - - - - -12]。因此,竹物种中获得相当大的关注基础设施建设和许多其他应用程序由于有利的生物组成、环境适应性在某些应用程序中,最重要的是环保的特点(13- - - - - -15]。

竹子是一种自然资源和重要的机械性能。这个利润丰厚的属性可能是因为“纤维素”,竹子的主要组成部分。研究还发现,竹子在屈曲表现不错由于关节的最大能量吸收。因此,竹子在地震带的失败率很低(16,17]。湿度的影响对竹标本的机械特性研究在宏观和细胞阶段(18,19]。研究表明,湿度可能会导致更大的延性水平(20.而抗压强度和纵向剪切广泛减少(21]。

然而,竹子种类有几个技术难题,如几何和力学沿着纵向剖面不一致(22,23]。竹子是面临自然抵抗恶化在不到24个月(24),通常大约4年衰减如果应用室外未经任何治疗25,26]。此外,竹物种倾向于显示侧向粮食分裂由于不平衡收缩在天然调味料(27]。

一个一体化的研究,抗压结合的结构特征和微观结构调查竹标本已经几乎没有尝试。因此,解决现有的缺点在现代竹结构工程的研究中,一个有效的和全面的基础试验研究竹标本的结构特性和微观结构失效机理可能有利可图的调查提出了一个更好的理解和一般概述物种竹纤维的性能,最终导致进一步扩张的未来研究领域建设和材料的可持续性。

2。材料和方法

2.1。样本的选择

麻阿斯皮尔是竹子种类调查。这是一个极其艰难的生长植物产于东南亚拐杖一样高长直部分达到65到100英尺高度和直径3到8英寸。

这也是通常称为betung或巨大的竹子。这是一个巨大的,人口聚集的热带和亚热带植物。竹茎是由木材和用于构建大规模的结构如桥梁和房屋在局部地区。层压木板、家具、乐器、筷子,家居用品,工艺品都是由竹子。年轻芽是甜的和可食用的和经常吃蔬菜和用于本地(28]。

2.2。样品制备

竹茎切成合适的大小之前测试部分,根据表中提到的测试1。

表1
维度的标本为每个测试做好了准备。
2.3。测试

多边指定的测试方法进行了竹标本坚持这项研究的目标。机械或物理特征的标本进行评估,深入探究微观结构对这些评估的角色进行了适当地评估竹标本作为可持续建筑的适宜性的选择。这种一体化的包容性的机械和微观结构测试和分析将成为未来竹子研究基础和研究在建筑领域。

2.3.1。微观结构研究

试样的微观结构分析是通过简单的利用手持移动显微镜和更复杂的场发射扫描电子显微镜(FESEM)。手持显微镜由5 m像素图像传感器和一个高质量的显微镜头3英寸薄膜晶体管(TFT)面板。的最大放大倍率显微镜是500 x。它是用来评估竹物种在微观层面上的断裂。

进一步的地形调查是通过对其进行分析。竹子是运营可视化地形表面细节在纳米级别的电子场发射源,加速他们的高电场梯度。因此,对其成像采用为了研究纤维排列方向和关键故障模式的竹种。同时,能量色散x射线能谱(EDX)执行研究竹物种的组成元素。

2.3.2。直接拉伸试验

直接拉伸试验进行了使用日本岛津公司UH-50A拉力试验机,它能够发挥270 kN的最大负载能力。测试是按照ASTM d143 - 94 (29日]。测试操作控制位移踱步10毫米/分钟的速度。标本的直接抗拉强度计算的直接应用 在哪里F是失败的拉伸载荷(kN), 是竹标本的宽度(毫米),然后呢t是竹标本片的厚度(mm)。

2.3.3。压缩试验

压缩试验是3000年使用ADR-Auto V2.0执行压缩机3000 kN的最大负载能力。测试是按照BS EN 1239030.]。

空心圆柱竹标本抗压测试平行晶界沿纵向方向,控制加载速度的近3.0 kN / s直到标本失败。

2.3.4。弹性模量测试

通过压缩弹性模量比可以达到使用英斯特朗- 600万能试验机进行测试。依照ASTM C469-10实验被处决(31日]在修改速度率。修改后的测试处理下位移控制节奏的0.5毫米/分钟。实际的弹性模量的值是通过有条不紊地绘制应力-应变图计算关系。

2.3.5。分裂拉伸试验

分裂拉伸试验样本的计算按照ASTM C496 / C496M-11 [32]在修改速度率。英斯特朗- 600万能机是利用位移控制试验装置。踱步率修正和固定到0.1毫米/分钟直到标本的失败。标本的最大负载,可以经受住了被捕,和抗拉强度均通过分裂 在哪里F是压缩加载失败,D1是竹子外径的标本,l是样品的长度。

2.3.6。抗弯强度测试

标本的抗弯强度测试是一种破坏性试验,并确定实现目标材料的灵活性。测试按照ASTM C78-10 [33]。样品的长度是500毫米,测试加载速率为0.067 kN / s。支持加载点的跨度是100毫米。试样的抗弯强度评估使用 在哪里F断裂点的负载,l支持之间的长度,D1是外径,D2的内径是竹子标本。

2.3.7。Nanoindentation测试

Nanoindentation创建计算力学特性在非常小的尺寸;然而,它的应用程序高度异构的材料提供了新的了解基本粒子的形态,由于压痕分析方法基于微观力学力学特性相关的微观结构和组件属性(34]。负载和压痕深度不断记录在nanoindentation测试加载卸载。基于最被广泛接受的方法提出了奥利弗和法尔35),硬度和弹性模量可以从纯弹性卸载段load-depth跟踪。nanoindenter是用来评估样品的纳米机械特性(Hysitron TI 750 l Ubi™)。获得他们的平均nanohardness价值观,load-controlled nanoindentation实验进行的每个IMC层横截面样本。最大载荷是2000年µN, 200使用的加载速率µN / s。

方程(4)可以想象如何降低弹性模量Er可以从理论上计算。方程(5)和(6)可以用于计算教育部和硬度的材料: 在哪里E我和 弹性模量和泊松比的提示,分别。E我是1141 GPa钻石技巧,而 是0.07。E和 是样品的弹性模量和泊松比,分别。尽管目前还没有实验数据 细胞壁的竹子或木纤维,使用值为0.22的泊松比玉竹纤维基于研究et al。36],利用一系列可能的平均比较研究调查的材料,也有类似的属性竹子。

3所示。结果与讨论

3.1。成分分析(EDX测试)

能量色散x射线能谱(EDX)进行了确定竹子组成组件的标本。发现标本由碳作为主要成分从weightage总数的45.9%到77.4%,紧随其后的是氧气(O)组件从weightage总数的22.52%到49.6%。此外,氮(N)元素也重要组成weightage总数的比例从3.0%降至13.2%。图1展品代表EDX光谱显示组成组件的竹子标本。


图1
EDX频谱的竹子标本。
3.2。直接抗拉强度

竹标本的突出特征之一,作为一种结构材料是著名的直接抗拉强度,与常规材料相比在传统结构即。、混凝土和钢铁。对于混凝土,其抗拉强度是只有十分之一的抗压强度,在1.5 MPa。然而,对竹子的情况下,抗拉强度是记录为226.45 MPa,可以相对与钢结构的抗拉强度(250 MPa)如上所述在ASTM 36 [37]。竹子的直接拉伸断裂测试标本显示在图2。可以清楚地看到,沿着竹带飞机发生故障,沿纵向方向和纤维的脱胶和骨折竹书是描绘在图2。然而,有好几个强壮和长纤维所记录下的抗拉强度。在另一个类似的报告,Paraskeva et al。38)达到212.85 MPa竹试样的抗拉强度测试。


图2
光学显微镜图像失败的直接拉伸测试标本。
3.3。分裂的抗拉强度

混凝土,作为一种传统的建筑材料,被认为是一种各向同性均匀的结构材料。这意味着直接抗拉强度是一个分裂的抗拉强度的指标。另一方面,竹子,而恰恰相反,nonisotropic同质材料。因此,定向拉伸强度之间的纵向和横向方向可能有所不同。

竹分裂载荷作用下的裂纹扩展可以寻求通过应力-应变曲线。从竹试样的应力-应变曲线(图3),三个典型滴已经观察到的曲线。第一个下降曲线代表了裂纹开始。随后,第二下降表明微裂隙的合并,最后下降意味着最终合并的纵向裂缝,导致最终失败的标本和指示的最大分裂抗拉强度。竹子的分裂抗拉强度标本被发现是0.055 MPa通过精心设计的可视化图形如图3。分裂的抗拉强度明显低于直接试样的抗拉强度。实质性偏差的两个方向拉伸强度可以发现对竹纤维排列的标本。竹纤维自然运行在纵向方向。在前面的直接抗拉强度测试,单个纤维被打破。另一方面,在纤维分裂抗拉强度测试,从纤维矩阵分裂,光学显微镜的图像(图所示4)。最后将拉伸模量达到2.88 MPa,远远低于约3.96的绩点的直接拉伸模量。


图3
分裂拉应力与应变曲线。

图4
失败的劈裂抗拉试样的光学显微镜图像。
3.4。拉伸破坏机理

张力下标本失败可能是由于裂纹扩展在整个截面更狭隘的弹性强度的纤维,竹的张力失效模式需要进行两种模式在同一个平面失败机制,即。,沿着纵向和横向方向。

沿纵向方向纤维脱胶的提议机制和断裂竹书是描绘在图5。这是明白这是薄壁组织细胞之间的弱界面粘结允许裂纹的传播。当裂缝遇到了冗长的强烈的纤维束,然后传播分化近90°沿着纤维如图5。纤维是很强的拉力下,裂缝不太可能把它切交叉地。是罕见的纤维破坏,除非极高的能量了。竹子FESEM显微照片的标本失败的张力(图下6),进一步证实纤维脱胶或拉拔力更有可能发生,特别是在内部弱区由于低密度的纤维。


图5
示意图显示提出的裂纹扩展路径的竹子拉伸试验。

图6
竹纤维拉拔力下的行为对其检查。
3.5。抗压强度

竹标本的最大抗压强度在房间房间湿度条件为44.3 MPa根据实验压缩应力-应变曲线如图7。压应力的增加几乎呈线性,直到它达到了标本的最大极限抗压应力,后逐渐下降,表明了标本的压缩失败。可以说,它是与一个标准的结构混凝土材料的抗压强度。的压缩失效模式标本展示在图8。压缩的微观失效模式揭示了煤粉表面附近的纤维分离。进一步的调查显示,两种类型的失效模式发生在压缩试验的标本,即。、分裂和轴承失败告终。分裂失败出现由于独特的裂缝开始分裂了标本的茎。这种现象可能是由于水分含量低,在室温下11.1%。通常样品的水分含量决定压缩失败的类型。高含水率,标本显示端轴承的故障。另一方面,含水率较低的标本显示,纤维分裂失败(39]。


图7
标本的抗压应力-应变曲线。

图8
最终合成的图像压缩的压缩试验和微观样本。
3.6。压缩试验失效机理

竹标本的压缩破坏基本识别单个平面破坏机理,是标本的煤粉沿纵向方向。这种机制是由压缩试验的标本的分裂行为,展示图8。此外,它也表明,飞机破坏机理开始沿着竹纤维脱胶或沿着如图薄壁组织细胞9(一个)和9 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
在压缩试验(a)纤维脱胶。(b)平面断裂在薄壁细胞在压缩试验。

通过对其微观纵向截面的竹标本,特别是看到,标本是一些像海绵一样的结构如高亮区域在图所示10 ()。像海绵一样的薄壁组织细胞结构工程地形显示较弱的地方,根据以前的测试,可以贴上noncontributor薄壁组织细胞标本的强度。然而,Schott (40]表明,这些细胞可能作为某种形式的减震器,有助于对弯曲刚度。轴向压缩时澄清,持久的标本,纤维是强劲,足以抵抗压力的帮助下海绵组织细胞变形。因此,纵向较弱的飞机可能发展,导致竹茎分裂。张力不太可能参与纤维的拉拔力行为以及整个截面裂缝。自从在细胞或纤维之间的界面结合较弱,较低的能量是需要舒解造成标本的失败。小孔的海绵细胞由从0.8到2.0不等μ作为显示在图10 (b)。这可能进一步减少表面粘结面积,增加失败的缓解平面机构,导致介质强度试样的压缩的背景下,这表明纤维脱胶或平面断裂机制通常发生由于压缩失败的标本。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
(一)在竹海绵状结构。(b)近的海绵状结构竹子。
3.7。弹性模量

材料的弹性模量恰恰代表了刚度。在这种情况下,推导了弹性模量的值的压缩应力-应变曲线(图9),约7.98的绩点。这是略高于植被类型下毛竹标本的GPa(7.80),但低于Bambusa pervariabilis标本(GPa) 9.3041]。比较讨论了竹标本与混凝土的弹性模量,我们认为前者是弹性模量偏低的混凝土的平均弹性模量超过20 GPa (41]。

3.8。抗弯强度

最终达到竹标本的抗弯强度为9.42 MPa,作为标本达到的最大弯曲实验记录负载2.72 kN。在这个实验中使用的方法是修改基于混凝土棱柱弯曲试验,试样长度是不够的弯曲试验。因此,分裂观察故障模式由于标本分成两部分,如图11整个测试时间(a)。观察表明,裂缝开始在一侧的上下两半,沿同一方向传播的纤维。FESEM田幸雄失败的弯曲标本进一步合理的纤维脱胶的事实发生裂纹扩展的方向(图11(b))。


图11
(一)光学显微镜图像和(b)对其失败的弯曲试样的显微照片。
3.9。弯曲测试失效机理

从显微结构的调查,发现弯曲试验的标本的失败主要是由于在纤维分裂行为,因为疲软的纤维在纤维矩阵有一个胶效果。

纤维断裂的真正原因并不是失败的标本,而是标本的长度不够充足的在修改后的弯曲测试中,这可能不是由临界弯曲引起的。因此,试样的抗弯强度明显低于抗拉强度。

然而,它被发现,当其他纤维的纤维被撕掉,最外层的纤维是无法忍受极端的压力,导致纤维断裂,如图11。纤维是由许多层的单层排列的微纤维在不同的纤维取向的调查样本。这polylamellate结构中不存在的纤维和管胞细胞壁正常的木头。

3.10。Nanoindentation

钻石nanoindenter技巧是利用扫描和定位一个竹纤维细胞壁在这项研究中,然后是硬度计压头尖端放置在细胞壁原位进行nanoindentation测试。竹纤维的横截面,文中对纳米压痕技术的测试一系列测试不同压痕载荷。图12显示了目的nanoindentation纤维细胞壁的位置和AFM图像的after-indentation效应在微观层面上。文中对纳米压痕技术的测试硬度和弹性模量报道这里有几个nanograins测试的平均值。没有裂缝的缩进,这表明nanograin形成的标本保税。它可以推断出竹纤维细胞壁是韧性材料。细胞壁的nanoindentation硬度和弹性模量是0.35±0.08绩点和16.08±2.00绩点,分别。这些结果相当符合那些由其他研究人员报道(36]。


图12
纤维细胞壁从(a)微观层面,(b) AFM前缩进,缩进后(c) AFM。

Nanoindentation研究也进行薄壁细胞壁的竹子样品如图13。硬度和弹性模量的值的竹纤维细胞壁和薄壁细胞壁列在下表中2。纤维细胞壁的弹性模量是薄壁细胞壁的三倍,然而,硬度值具有可比性。竹纤维作为增援matrix-parenchyma细胞。竹纤维的贡献主要是竹茎的刚度(韧性),根据规则组合的复合材料。nanoindentation的结果与先前的压缩试验失效机理部分中讨论的结果3.6,也证实了裂纹扩展普遍地发生在薄壁组织细胞,而不是细胞壁。


图13
薄壁细胞墙从(a)微观层面,(b) AFM前缩进,缩进后(c) AFM。
表2
文中对纳米压痕技术的测试硬度和弹性模量结果测试。

4所示。结论

本研究的目的是检查的结构和微观结构特征麻阿斯皮尔竹子。本次调查的结果,重要的小说结构和微观结构特征的发现竹子样本如下:(我)麻阿斯皮尔竹子可以是一个良好的建筑材料,因为它具有良好的结构性能如拉力强度为226.45 MPa和抗压强度为44.3 MPa。竹子被报道的直接抗拉强度与低碳钢。(2)压缩和紧张下的弹性模量是7.98的绩点和3.96的绩点,分别。(3)在拉伸试验,麻阿斯皮尔竹显示飞机的失败作为拉伸断裂机制由于强烈的纤维和薄壁组织细胞导致了断裂韧性。(iv)竹子非常高的抗拉强度所需的能源消耗是在同一个平面失败机制的两种模式,即。,沿着纵向和横向方向。(v)竹子的抗压强度为44.3 MPa,关联到一个中级到高级的抗压强度与传统的建筑材料,能源消耗是只需要一个失败的模式,即。,沿纵向方向。(vi)竹子的关键故障路径是沿着界面的薄壁组织细胞或纤维在抗压强度测试。(七)竹纤维与nanograin结构延性。细胞壁的nanoindentation硬度和弹性模量是0.35±0.08绩点和16.08±2.0绩点,分别。

数据可用性

数据可以根据要求通过相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由院长以来Sattam。本。阿卜杜阿齐兹王子大学科研研究项目下16794/01/2020数量和马来亚大学教师科研资助项目gpf008a下(GPF) 2019 - 2019(开发的绿色空间效率和低成本的结构来自可再生材料)。