竹重组材在空气干燥、老化及饱和处理下的准静态与动态压缩行为研究：应变率效应与能量吸收机制

本研究针对竹重组材(Bamboo scrimber)在结构应用中面临的动态冲击载荷和湿热环境影响问题，通过系统开展准静态(应变率6.7×10?4 s?1)和分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试(应变率~700 s?1)，揭示了不同处理条件(空气干燥/老化/饱和)和加载方向(纵向/横向)对材料力学性能的影响规律。研究发现动态增强因子(DIF)可用Cowper-Symonds模型精确描述，老化处理显著降低DIF值(最高达41.2%)，而饱和处理则增强横向冲击下的DIF。该研究为竹重组材结构的抗冲击设计提供了重要理论依据。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，竹重组材(Bamboo scrimber)作为一种环保型生物质复合材料，因其优异的强度重量比和短生长周期特性，在建筑结构领域展现出巨大潜力。然而实际工程应用中，这类材料不仅需要承受常规静载荷，还可能遭遇车辆撞击、地震、落石等动态冲击事件。更棘手的是，在湿热环境下的长期使用会导致材料老化、吸水饱和等问题，这些因素如何影响其动态力学性能至今缺乏系统研究。传统圆竹存在力学性能不均匀、中空截面承载力不稳定等固有缺陷，而经过重组工艺处理的竹材虽然克服了这些缺点，但其在复杂工况下的动态响应机制仍不明确。

湖南大学土木工程学院振动与冲击技术研究中心的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的重要研究中，创新性地采用准静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验相结合的方法，系统考察了竹重组材在空气干燥、加速老化和水分饱和三种处理状态下，沿纵向(纤维方向)和横向的压缩力学行为。研究团队设计了两类试样：30 mm×30 mm×50 mm长方体用于准静态测试(应变率6.7×10^?4 s^?1)，直径26 mm、厚15 mm圆柱体用于SHPB动态测试(应变率~700 s^?1)。通过标准化老化处理(沸煮试验法)和饱和处理(浸泡至含水率>19.9%)制备对比样本，结合环境扫描电镜(ESEM)观察界面损伤，建立了完整的实验数据库。

研究首先揭示了不同条件下的失效模式特征：纵向加载时主要呈现Y型裂纹和斜向剪切裂纹，而横向加载则表现为纤维束分离的压实破坏。老化处理导致竹纤维与树脂界面明显脱粘，电镜观察显示界面处出现大量微裂纹。在力学性能方面，纵向试样的弹性模量(11.57 GPa)显著高于横向(4.03 GPa)，饱和处理使弹性模量降低33.9-44.3%，老化处理则导致强度下降23.3-32.2%。

动态测试数据表明，应变率对材料强度具有显著增强效应。通过引入动态增强因子(DIF)分析发现：空气干燥试样的DIF_u(极限强度增强因子)在纵向达到2.3，横向为2.06；老化处理使DIF值明显降低，而饱和处理则使横向DIF提升至2.82。研究创新性地采用Cowper-Symonds模型成功拟合了DIF与应变率的非线性关系，拟合优度R²最高达0.99。能量吸收分析显示，虽然动态载荷下的体积吸收能(VEA)高于准静态条件，但达到极限强度时的特定吸收能(VEA_u)却因极限应变降低而未有明显提升。

在机制讨论部分，研究提出了微观惯性效应主导的增强理论。特别值得注意的是，在低速冲击下(10-20 m/s)，无论加载方向如何，竹重组材的DIF_u都趋近于2.3，这与传统木质材料的冲击波理论预测存在显著差异。研究认为，这种异常现象可能与竹重组材较高的树脂含量(约15%)和独特的纤维束结构有关。饱和试样在横向冲击下的特殊响应则归因于水分在瞬态载荷下的"类固体"行为。

该研究的工程价值在于首次建立了竹重组材在多因素影响下的动态本构模型，为抗震、抗爆结构设计提供了关键参数。提出的Cowper-Symonds模型参数可直接用于有限元分析，而关于老化处理降低DIF的发现则为材料的耐久性评估提供了新依据。未来研究可进一步探索更高应变率(>1000 s^?1)下的冲击响应，以及温湿耦合环境对动态性能的影响规律。这些成果不仅推动了竹结构在极端载荷条件下的安全应用，也为其他生物质复合材料的研究提供了方法论参考。