高地竹與毛竹主要物理力學性能的比較研究

高黎 王正 藺燾 李旸

(中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所 北京 100091)

高地竹與毛竹主要物理力學性能的比較研究

高黎 王正 藺燾 李旸

(中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所 北京 100091)

非洲高地竹（Arundinaria alpina）是埃塞俄比亞的重要竹種資源之一，但其性能以及增值利用的研究非常少。本研究測定了高地竹的主要物理力學性能，并以毛竹為對照物進行分析。結果發(fā)現：高地竹尖削度小，竹壁厚，基本密度低，干縮率較大；弦向抗彎彈性模量比毛竹高，但順紋抗壓強度、弦向抗彎強度以及順紋抗剪強度相對毛竹材較低。高地竹在原竹建筑利用和竹質人造板加工利用方面都具有可行性。

高地竹；毛竹；物理性質；力學性質

非洲高地竹(Arundinaria alpina，又名Yushania alpine)是非洲原生的一種重要的大型散生竹種資源，主要生長在海拔2200～3500m的高原地區(qū)，竹高2～19m，竹徑5～12.5cm，節(jié)間長12～65cm[1,2]。目前在埃塞俄比亞國內生長面積近13萬hm2[1]，主要用做園藝、家具、手工藝品和竹籬用材料。但由于當地人對原料的性能和深加工工藝缺乏認識，竹材資源無法用于竹質人造板、造漿等高附加值產業(yè)中。

本研究由CFC項目“竹人造板預制房在亞非的開發(fā)和商品化”提供非洲高地竹原料，通過對竹材基本物理力學性能進行研究，并與我國常用的毛竹進行對比，旨在進行高地竹的原竹建筑利用和作為人造板原料的可行性分析，為促進當地竹材資源的高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

非洲高地竹（Arundinaria alpina）在埃塞俄比亞采集，竹齡3-4年，齊地砍伐，自下向上取約2.5m長的竹段2段，編號標記；毛竹（Phyllostachys pubescens）采樣在浙江省新昌縣鏡屏鄉(xiāng)，竹齡3-4年，處理方法同高地竹。試材基本性狀見表1，高地竹胸徑較毛竹小，尖削度更小。

1.2 試件制作及方法

表1 試驗用高地竹與毛竹特點

按照機械行業(yè)標準JB/T 199-2007《建筑用竹材物理力學性能測試方法》要求制作各性能試件，規(guī)格如下：密度試件為20mm(縱向)×15mm(弦向)×t mm(壁厚)；干縮率試件為20mm×15mm×t mm；順紋抗壓強度試件為15mm×15mm×t mm；弦向抗彎模量和強度試件為220mm×15mm×t mm；順紋抗剪強度試件尺寸參照JB/T 199-2007中要求加工。

干縮率測試的試件在室溫冷水中浸泡至恒重后進行測試；力學性能試件放入20℃±2℃，相對濕度65%±5%的恒溫恒濕箱中至質量基本穩(wěn)定（含水率約12%）后進行測試；測試方法參照標準JB/T 199-2007。

2 結果與分析

竹材的基本物理力學性能對其加工性以及最終產品性能有著重要的影響。高地竹與毛竹的性能對比從整體數據觀察，高地竹從底部向上，竹壁厚降低，基本密度提高，干縮率降低，所測力學性能基本呈上升的趨勢，和毛竹以及其他竹材的特性相同[3-8]。

2.1 壁厚與基本密度

一般來講，密度越高，竹材的力學性能越好。竹材的密度同時對其人造板加工利用有著重要作用，影響著竹篾加工性能、施膠量以及熱壓成型過程中的所需的時間、溫度和壓力。竹材在徑向方向密度從竹青至竹黃逐步降低[3-5]。圖1顯示，高地竹平均壁厚比毛竹厚2.74mm，基本密度為0.554g/cm3，低于毛竹，可推斷高地竹材比毛竹有良好的加工性。

2.2 全干干縮率

從濕材到水分平衡過程中，竹材弦向、徑向和縱向均會發(fā)生不同程度的收縮，尤其是弦向收縮會導致竹筒的開裂，竹筒側向抗劈強度大幅降低。干縮率是原竹建筑利用時重要的考察指標，同時它對竹質人造板的尺寸穩(wěn)定性也有一定的影響。高地竹徑向干縮率平均為11.90%，弦向干縮率平均為8.20%，比毛竹材對應的5.90%和4.57%高101.7%和79.2%（圖2），也比黃竹、龍竹、麻竹等大型叢生竹的干縮率高[7-9]。由此可推斷原竹利用時高地竹較易干裂，制備的竹質人造板材相對毛竹易變形。

2.3 順紋抗壓強度

竹材承受壓力是最廣泛的用途之一，因此抗壓強度是重要的力學特征之一。從圖3中數據可知，高地竹的抗壓強度為63.87MPa，比毛竹抗壓性能略低，比竹齡相當的紅殼竹50.5MPa[6]、麻竹29.38MPa[7]強度高，和松木(40～65MPa)和麻櫟(50～70MPa) 等高強度木材相當[10，11]。這些數據顯示，如果采用高地竹材替代木材做建筑支撐柱等承重材料，在材料性能方面是可以滿足要求的。

2.4 弦向抗彎性能

竹質人造板充分利用了竹材順向高強度、高韌性的特性，原料加工利用的方法主要包括制成弦向或徑向竹篾，或壓潰形成順向竹束再進行成型。圖4中高地竹的弦向抗彎模量為13.38GPa，比毛竹10.85GPa高23.3%，而抗彎強度102.20MPa，比毛竹180.88MPa低43.5%，說明高地竹剛度高而韌性略低，由其制備的層積板剛度可比毛竹高。高地竹的抗彎彈性模量和強度高于常用木質建筑材料樹種，如馬尾松分別為9～11GPa和70～90MPa[12]。

2.5 順紋抗剪強度

抗剪強度對原竹建筑尤其是建筑節(jié)點強度有較大的影響。高地竹的順紋抗剪強度為9.61 MPa，比毛竹18.17MPa低47.1%(圖5)，和椴木、烏桕及側柏等建筑用木材抗剪性能相當[10-12]。

3 小結

以毛竹作為參照物，非洲高地竹的密度較低，弦向抗彎模量較高，而弦向抗彎強度、順紋抗壓強度和順紋抗剪強度低于毛竹，測試的力學性能與常用建筑用木材相當，但該材料干縮率較大。綜合其胸徑、竹壁厚與尖削度特性，高地竹是一種優(yōu)秀的可用作建筑材料或進行深加工制備竹質人造板的高性能材料。

1 Berhanu Adenew, Jochen Statz. Bamboo market study in Ethiopia: Prepared for the United Nations Industrial Development Organization Acting as executing agency for the Common Fund for Commodities[R].UNIDO, 2007.

2 Ibrahim, K. M., Kabuye, C. H. S. An illustrated manual of Kenya grasses. Rome: FAO, 1988.

3 李霞鎮(zhèn).毛竹材力學及破壞特性研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院[碩士論文]，2009.

4 王朝暉.竹材材性變異規(guī)律與加工利用研究[D].中國林業(yè)科學研究院[博士論文]，2001.

5 嵇偉兵，姚文斌，馬靈飛.龍竹和綠竹竹材壁厚方向的梯度力學性能[J].浙江林學院學報，2007，24(2):125-129.

6 俞友明，楊云芳，方偉，等．紅殼竹人工林竹材物理力學性質的研究[J]．竹子研究匯刊，2001，20(4):42-46．

7 林金國，何水東，林順德，等．麻竹材基本密度與力學性質變異規(guī)律的研究[J]．竹子研究匯刊，1999，18(1):58-62.

8 張宏健，杜凡，張福興．云南4種材用叢生竹的主要物理力學性質[J]．西南林學院學報，1998，18(3):189-193.

9 王正，郭文靜.叢生竹物理力學性能及其對制造竹建筑材料的影響[J].世界竹藤通訊，2003，1(1):25-28.

10 楊家駒.中國主要樹種木材物理力學數據換算表[J].中國木材，2001，(3)：37-41.

11 楊帆，楊家駒.中國主要闊葉樹材的物理力學性質表[J]. 中國木材，2001，(6)：28-29.

12 成俊卿．木材學[M]．北京：中國林業(yè)出版社，1985.

A Comparative Study of Main Physical and Mechanical Properties ofArundinaria alpineandPhyllostachys pubescens

Gao Li, Wang Zheng, Lin Tao, Li Yang
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091)

African highland bamboo (Arundinaria alpine) is one of the most important bamboo species in Ethiopia, but little studies has been done on its properties and value-added utilization. In this study, some main physical-mechanical properties ofA.alpinewere tested and analyzed. Compared with Moso bamboo(Phyllostachys pubescens). The results showed thatA.alpinehad the small taper, higher wall thickness, lower basic density and higher shrinkage, and the tangential modulus of elasticity in static bending were higher than that of Moso bamboo while compressive strength parallel to grain, tangential bending strength and shearing strength parallel to grain were lower. It is concluded thatA.alpineis feasible to be used in construction and bamboo-based panel processing.

Arundinaria alpine,Phyllostachys pubescens, physical properties, mechanical properties

“十一五”國家科技支撐計劃專題（2008BADA9B0203），院所基金（CAFINT2010C02）。

高黎(1979-)，女，博士，助理研究員。主要研究方向為木基復合材料。