苦綠竹、椽竹、橄欖竹物理力學(xué)性質(zhì)及其在人造板上的應(yīng)用分析

劉曉輝 鄭蓉 廖鵬輝 陳東宏

(1 福建省林業(yè)科學(xué)研究院 福建福州 350012 2 福建省南靖縣新富林場(chǎng) 福建南靖 363600)

苦綠竹、椽竹、橄欖竹物理力學(xué)性質(zhì)及其在人造板上的應(yīng)用分析

劉曉輝1鄭蓉1廖鵬輝1陳東宏2

(1 福建省林業(yè)科學(xué)研究院 福建福州 350012 2 福建省南靖縣新富林場(chǎng) 福建南靖 363600)

測(cè)定了2-5年生的苦綠竹、椽竹、橄欖竹的物理力學(xué)性質(zhì)和外形尺寸，并對(duì)其在人造板上的應(yīng)用進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明：與毛竹相比，綠竹各項(xiàng)力學(xué)性能均較低；椽竹和橄欖竹，除了順紋抗剪偏小外，橫紋抗彎、順紋抗拉、順紋抗壓與毛竹相當(dāng)。3個(gè)竹種的壁厚和直徑較小，均不適合于普通竹地板生產(chǎn)；苦綠竹和橄欖竹可用于制作竹材膠合板、碎料板等人造板產(chǎn)品，椽竹因直徑較小，只適用于碎料板生產(chǎn)。

苦綠竹；椽竹；橄欖竹；物理力學(xué)性質(zhì)；人造板

中國長期以來竹資源利用模式單一，竹材人造板的加工幾乎完全依賴毛竹，隨著竹產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，竹原料供需矛盾日趨突出，毛竹原料價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高，極大削弱了竹材加工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而椽竹、橄欖竹、苦綠竹屬福建鄉(xiāng)土竹種，在福建省分布廣泛，具有生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，生長快，產(chǎn)量高等特點(diǎn)，如果能將其作為竹材人造板加工業(yè)的原料來源，可有效緩解我國竹產(chǎn)業(yè)的原料供需矛盾。為此本文對(duì)上述竹種的力學(xué)性能和幾何尺寸進(jìn)行初步研究分析，以為新的竹材資源的開發(fā)和利用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)竹材材料

a) 苦綠竹（Dendrocalamopsis basihirsuta(McClure) Keng f. et W. T. Lin），綠竹屬，樣品采自福建省福州市南嶼鎮(zhèn)。地處北緯2 5°4 7′～2 6°3 7′，東經(jīng)118°51′～119°25′，亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫15.9～19.9 ℃，年降水量1258.9～2152.6 mm，土壤為紅壤土。

b) 椽竹（Bambusa textilisvar. tasca M c C l u r e），樣品采自福建省邵武市近郊, 地處東經(jīng)117°02′～117°52′，北緯26°55′～27°57′之間，年平均氣溫17.7℃，絕對(duì)最低溫－7.9℃, 年降水量在1500～1800 mm之間, 土壤為紅壤土。

c) 橄欖竹(Indosasa giganteaWen)，樣品采自福建省邵武市近郊，地理位置、氣候條件、土壤等自然條件與椽竹相同。

(2)主要試驗(yàn)設(shè)備

a) 電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，RGT-30，深圳市瑞格爾儀器有限公司。

b) 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9070A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

c) 電子精密天平，PL203/01，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試材的采集方法

根據(jù)各參試竹種分布情況，選擇具有代表性的地理位置、土壤條件竹子產(chǎn)區(qū)作為試材的采集區(qū)，在采集區(qū)中對(duì)不少于100株的相同竹齡的竹子進(jìn)行竹高與直徑的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)平均胸徑選擇10～15根竹子作為試材。

作為試材的竹子伐倒后，測(cè)量胸徑、枝下高及竹高。離地約1.5 m的整竹節(jié)處，向上取2.0 m長的一段，在竹節(jié)處截?cái)嘧鳛榱W(xué)性能測(cè)試用材，表1為各竹種在野外采樣時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 竹材野外采集統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2.2 試材的保管方法

采集后的竹材放置于陰涼通風(fēng)處進(jìn)行自然干燥，干燥過程采用適宜的堆垛方式，當(dāng)竹材含水率達(dá)到12%～15%時(shí)停止干燥，從中選擇沒有變色、開裂、腐朽和蟲蛀的試材進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)定。

1.2.3 檢驗(yàn)方法

竹材的物理力學(xué)性能依照GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試樣的制作和測(cè)試，測(cè)定項(xiàng)目包括密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理力學(xué)性質(zhì)

2.1.1 密度

竹材密度是竹材物理性質(zhì)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映了單位體積竹材所含絕干物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)，對(duì)竹材的力學(xué)性能、造紙制漿得率等工業(yè)用材指標(biāo)有重要影響。因此，竹材基本密度是竹材培育及確定合理的竹材采伐年齡的重要依據(jù)，根據(jù)參試竹種的密度測(cè)試結(jié)果可以繪制竹齡與基本密度的關(guān)系圖（圖1），其中毛竹的密度與竹齡關(guān)系參考《木材工業(yè)實(shí)用大全》[1]。

圖1 竹材基本密度與竹齡的關(guān)系

從圖1可看出椽竹和橄欖竹在5年內(nèi)的最大密度接近或超過毛竹，而苦綠竹的密度相對(duì)較小，只有毛竹的2/3左右。從2-5年生竹材密度增長情況看，苦綠竹、椽竹的密度隨著年齡的增加而較緩慢增長，橄欖竹密度在2-5年內(nèi)隨著年齡的增大，有較明顯的增長，4年后增長有趨向于平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)。

2.1.2 抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度為竹材受靜力載荷作用時(shí)所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力。竹材目前大量地用于水泥模板和車廂底板等，一般在受壓荷載環(huán)境下使用，因此竹材的抗彎強(qiáng)度是其最重要的力學(xué)性質(zhì)，參試竹種的測(cè)試結(jié)果見表2。

根據(jù)《木材工業(yè)實(shí)用大全》[1]，毛竹抗彎強(qiáng)度為148.9MPa，從表2數(shù)據(jù)中可以看出，椽竹和橄欖竹的抗彎強(qiáng)度與毛竹接近，苦綠竹抗彎強(qiáng)度相比于毛竹最大強(qiáng)度則低了30%左右；椽竹生長3年、橄欖竹生長4年后，抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到毛竹的水平。

表2 不同年齡的竹材抗彎強(qiáng)度

表4 不同年齡的竹材順紋抗壓強(qiáng)度

2.1.3 竹材的順紋抗拉強(qiáng)度

竹材抗拉強(qiáng)度愈大，則以此為原料制成的竹板抗拉性愈強(qiáng)。一般來說，抗拉強(qiáng)度與竹材密度及竹纖維強(qiáng)度有較密切的關(guān)系，竹材密度、纖維強(qiáng)度越大，則抗拉能力也就越強(qiáng)。

由表3中可知，椽竹的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到261.9MPa，比毛竹順紋抗拉強(qiáng)度值190.9MPa[1]高37%左右，苦綠竹雖然密度較低，但抗拉強(qiáng)度與密度較高的毛竹、橄欖竹接近，說明苦綠竹竹纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度。

2.1.4 順紋抗壓強(qiáng)度

竹材常作為支撐件，承受壓力荷載，所以抗壓強(qiáng)度是竹材力學(xué)性質(zhì)中最重要的特征之一。

從表4上看，椽竹、橄欖竹最大抗壓強(qiáng)度分別為66.0 MPa和70.3 MPa，毛竹抗壓強(qiáng)度為65.1MPa[1]，數(shù)值接近，苦綠竹最小，但相對(duì)于抗彎強(qiáng)度，從數(shù)值上看與毛竹相差并不很明顯，5年生的苦綠竹比毛竹強(qiáng)度只低15%左右。

2.1.5 順紋抗剪強(qiáng)度

表5 不同年齡的竹材順紋抗剪強(qiáng)度

表3 不同年齡的竹材順紋抗拉強(qiáng)度

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，某些梁的設(shè)計(jì)對(duì)材料的抗剪強(qiáng)度有要求，因?yàn)椴牧显诔惺軓澢d荷，特別是在材料連接部位，可能會(huì)因順抗剪切而被破壞。因此，需測(cè)定竹材的順紋抗剪性能。

毛竹的順紋抗剪強(qiáng)度為18.3MPa[1]，從表5上看，參試的竹種順紋抗剪強(qiáng)度與毛竹相比，數(shù)值明顯偏低，其中苦綠竹抗剪強(qiáng)度比毛竹低了近60%，即使是其它性能與毛竹接近的椽竹和橄欖竹，抗剪強(qiáng)度也下降40%左右。

2.2 外形尺寸

根據(jù)對(duì)竹原料的利用方式，竹材人造板產(chǎn)品可以分為膠合板類、重組材類以及碎料板類。其中碎料板和重組材對(duì)原料要求較低，小徑竹、竹梢、竹下腳料皆可使用，而膠合板類，如竹席膠合板、竹簾膠合板、竹片膠合板、普通竹地板等，其對(duì)所用的竹子的徑級(jí)有一定要求，因此可以根據(jù)的竹子的外形尺寸初步確定其可能的應(yīng)用范圍。

2.2.1 直徑

普通竹地板的加工，對(duì)竹材有一定的壁厚和胸徑要求,如以毛竹作為原料制作普通竹地板，一般要求毛竹竹齡為4年以上，長度在7～9m，胸徑大于10cm，壁厚一般達(dá)到7mm以上[5]。根據(jù)上述條件，由表1可知，參試竹種平均胸徑均小于10cm，且各竹種壁厚較小，壁厚達(dá)到7mm以上的竹段較少，利用率較低，因此這幾種竹材均不適合于制作普通竹地板。

竹編膠合板生產(chǎn)中，竹蔑的加工一般要求竹稈的梢徑≥50 mm[2]，因此我們可根據(jù)竹材梢徑來判斷所試竹種是否滿足加工要求，以及可利用竹稈的長度。

試驗(yàn)中選取有代表性的樣竹，沿著竹高方向每隔1m，測(cè)定竹材的長徑和短徑，然后取平均值作為相應(yīng)高度的直徑，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可繪制出竹子直徑與竹高關(guān)系的平滑曲線圖，如圖2所示。

根據(jù)圖2就可以確定梢徑為50mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的竹稈長度。根據(jù)上述方法可得出不同年齡的各竹種可利用的竹稈長度，結(jié)果見表6。

圖2 苦綠竹高與直徑關(guān)系圖

表6 梢徑等于50mm時(shí)的竹稈長度（/m）

從表6上看，各竹種中苦綠竹的可利用長度最大，最大可利用長度為6.1m以上；其次為橄欖竹為5.6m左右，占整個(gè)竹高50%左右，而椽2-3年生的整根竹的直徑都不超過50mm，5年生的可用長度為1.2m。竹膠合板類產(chǎn)品一般應(yīng)用于建筑模板、集裝箱底板上，這類產(chǎn)品常見長度大約為2.44m，寬度1.22m，加上裁邊損耗，則要求可利用的竹稈最大長度要在2.5～2.6m以上，最小長度1.3～1.4m以上，根據(jù)表6可知，橄欖竹和苦綠竹滿足竹膠合板加工對(duì)竹稈的梢徑要求，椽竹則不適宜。

2.2.2 壁厚

竹材的壁厚也決定竹材利用方式，利用竹蔑生產(chǎn)的竹膠合板可以分為竹簾膠合板和竹編膠合板（或竹席膠合板），目前竹編膠合板生產(chǎn)所用的徑向竹篾寬度一般在10mm以上，竹簾膠合板則對(duì)竹篾寬度沒有特別的要求，生產(chǎn)中一般將寬度在5mm以上的徑向竹篾織成單蔑簾，寬度在5mm以下的徑向竹篾織成束篾簾[6]。因此本文對(duì)各竹種的壁厚與竹材高度關(guān)系進(jìn)行研究，以考察滿足相應(yīng)的壁厚要求條件下，可用竹稈的長度。

試驗(yàn)中選取有代表性的樣竹，沿著竹高方向每隔0.5m將竹子鋸斷，測(cè)定鋸斷點(diǎn)的竹壁厚度，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)可以繪制出竹高與竹壁厚的關(guān)系圖，如果不考慮去除竹青、竹黃，可以根據(jù)關(guān)系圖得出壁厚大于5mm和10mm時(shí)竹稈的長度，結(jié)果見表7。

根據(jù)表7可知，當(dāng)壁厚＞10mm時(shí)，3個(gè)竹種中，5年生的苦綠竹可用竹稈長度最大，為1.3m，但是滿足不了竹膠板最大2.5～2.6m的要求，因此3個(gè)竹種都不適宜生產(chǎn)竹編膠合板，只能考慮生產(chǎn)竹簾膠合板，從表7上看，椽竹和橄欖竹壁厚大于5mm的竹稈長度占整個(gè)竹高最大只有50%左右，苦綠竹則有80%左右，3種竹材中苦綠竹可利用率最高。

表7 最小壁厚為5mm和10mm時(shí)的竹稈長度

3 小結(jié)與建議

(1)椽竹和橄欖竹，除了順紋抗剪強(qiáng)度偏小外，順紋抗彎強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度與毛竹相當(dāng)，力學(xué)強(qiáng)度均較大。但椽竹由于直徑偏小，不利于竹膠合板的加工，只能考慮將其用于纖維板、刨花板等碎料板的加工。因此參試竹種中，只有橄欖竹較適宜替代毛竹用來制作水泥模板、車廂底板等結(jié)構(gòu)用材，相對(duì)于毛竹，橄欖竹壁厚較小，在生產(chǎn)中可采用先浸泡軟化，再徑向縱剖，輥壓輾平后，編織成束篾簾后制作竹簾膠合板。

(2)參試竹種由于胸徑和壁厚較小，不合適制作普通竹地板，但可以研究將其用于生產(chǎn)竹重組材，然后利用竹重組材制造竹材地板。

(3)3個(gè)竹種中，苦綠竹的胸徑和壁厚最大，比較有利于加工利用，可用于竹材膠合板、碎料板的加工利用，但由于密度較小，除了抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度外，其它力學(xué)性能與毛竹相比有較明顯的下降，而目前竹質(zhì)人造板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)大都以性能優(yōu)良的毛竹材料為基礎(chǔ)制定的，要求較高，若要以苦綠竹為原料生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品，還需要在生產(chǎn)工藝上進(jìn)一步研究。

1 王愷.木材工業(yè)實(shí)用大全－木材卷[M].北京:中國林業(yè)出版社,2003：276-279.

2 孫正軍.竹材的采集與加工方法[J].世界竹藤通訊，2005，3(3)：23-24.

3 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 15780-1995. 竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

4 本書編委會(huì).竹地板[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006,30.

5 肖易.竹地板生產(chǎn)技術(shù).中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)[J].2007,34.

6 杜春貴，汪仁斌，趙仁杰.徑向竹簾復(fù)合板的研究—制板工藝[J].林業(yè)科技，2002，27(2):37-40.

Application on Physical and Mechanical Properties for Wood-based Panels ofDendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textilisandAcidosasa gigantean

Liu Xiaohui1, Zheng Rong1, Miao Penghui1, Chen Donghong2
(1 Fujian Academy of Forestry, Fuzhou, Fujian, China 350012 2 Xinfu Forestry Farm of Nanjing County, Nanjing, Fujian 363600)

Physical and mechanical properties and dimensions were determined for two-five-year-oldDendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textilisandAcidosasa giganteanand the analysis of the application of these properties to wood-based panels were made. The results showed that physico-mechanical properties ofDendrocalamopsis basihirsutawere all lower compared with the moso bamboo,B.textilisandA.giganteanwere similar with moso bamboo in bending strength,tensile strength and compression strength parallel to grain except that vertical shear strength is smaller. The wall thickness and diameter of three kinds of bamboo are too small to be unsuitable for common bamboo fl ooring producing. The culm ofD. basihirsutaandA. giganteancan be used for plybamboo and bamboo particleboard production, andB. textilisonly be used for bamboo particleboard production because of smaller diameter.

Dendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textiles,Acidosasa gigantean, physico-mechanical property, wood-based panels

劉曉輝（1972-）福建安溪縣人，福建省林業(yè)科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要從事木材加工與工藝學(xué)研究工作。