硬頭黃竹竹材物理力學性質(zhì)研究

何 川 劉 渝

(北京林業(yè)大學材料科學與工程學院 北 京 100083)

硬頭黃竹(Bambusa rigida)是一種生長快、適應(yīng)性強、產(chǎn)量高、繁殖方法多種多樣、材質(zhì)優(yōu)良、經(jīng)濟價值高的中型叢生竹種[1]。在我國廣東、廣西、四川、福建、江西等省的山腳、路旁及河邊大量分布，竹稈高6～12 m，直徑2～6 cm，節(jié)間長30～50 cm，歷來是造紙一級制漿原料和優(yōu)良農(nóng)用建筑材料。竹材的物理力學性質(zhì)不僅可以作為竹林定向培育的評價參數(shù)，而且還對竹材加工利用方式的選擇和處理工藝的制定有著重要的意義。目前，硬頭黃竹的研究主要集中在竹林培育[2-3]、生物生態(tài)學特性[4]、制漿造紙[5]、板材加工利用[6-7]等方面，有關(guān)硬頭黃竹材物理力學性質(zhì)的研究還未見報道。本文研究了四川硬頭黃竹竹材的主要物理力學性質(zhì)，為其合理加工提供理論依據(jù)。

1 試材的制取

1.1 試材的采集

試材采自四川省，在硬頭黃竹林中采竹齡3年的竹材10株，要求所采樣株生長正常，無病蟲害，胸徑差異不大，樣株齊地砍倒后，按其高度鋸成3等份，編號運回實驗室，待氣干后供試驗用。

1.2 試材加工及試驗方法

1.2.1 試件的截取部位

為了保證各種試件取自竹稈上相對一致的位置，將每節(jié)竹筒段對稱剖成4段竹條，并在竹條兩端注明上、下，待含水率調(diào)整完成后，分別在相應(yīng)竹條上按從上往下的順序依次鋸取密度、干縮性、順紋抗壓強度、順紋抗彎強度試件。

1.2.2 試件規(guī)格

試件端面應(yīng)相互平行，并與側(cè)面垂直。測定密度的試件規(guī)格為5 mm×25 mm×t mm (t為竹壁厚)。測定干縮系數(shù)的試件規(guī)格為5 mm×20 mm×t mm。順紋抗壓強度的試件規(guī)格為5 mm×20 mm×t mm。測定弦向抗彎強度的試件規(guī)格為5 mm×160 mm×t mm[21]。

1.2.3 試驗方法

參照竹材物理力學試驗方法[8]、竹材物理力學性質(zhì)的有關(guān)研究進行試驗[9-12]，順紋抗壓強度和弦向抗彎強度在木材萬能力學試驗機上測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬頭黃竹竹稈不同部位對物理力學性質(zhì)的影響

硬頭黃竹竹稈同一竹齡不同部位竹材的物理力學性質(zhì)測定結(jié)果見表1。由表1可以看出，硬頭黃竹竹壁厚度隨竹稈部位上移呈下降趨勢，這與謝九龍等對慈竹的研究結(jié)果類似[10]。竹材的干縮性是影響竹制品質(zhì)量的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，硬頭黃竹竹材徑向、弦向全干縮率隨竹稈部位上移而減小，均為徑向全干縮率大于弦向全干縮率；同黃竹[13]、角竹[14]、甜竹[15]材性類似，但這與毛竹[16]、大木竹[17]材性相反。竹材徑向、弦向干縮率在不同竹種間大小差異的原因可能與維管束類型及其在竹壁徑弦向的分布規(guī)律、細胞壁微纖絲角等竹材構(gòu)造在各竹種間的變異有關(guān)。

研究竹稈部位與竹材物理力學性質(zhì)的關(guān)系，對了解竹稈各部位材質(zhì)、實現(xiàn)竹材全稈利用、提高竹材的利用效率有著重要的意義。為進一步分析硬頭黃竹材物理力學性質(zhì)隨竹稈部位的變異規(guī)律，對主要物理力學性質(zhì)與竹稈部位進行方差分析[18]，竹稈不同部位竹材物理力學性質(zhì)方差分析見表2。從表2可以看出，竹材的密度（氣干密度、全干密度、基本密度）以及弦向抗壓強度未達到顯著水平，同一竹齡竹材部位未對密度和弦向抗壓強度造成影響。竹材的厚度、全干縮率（徑向、弦向全干縮率、體積全干縮率）以及順紋抗彎強度達到了顯著水平，竹材部位對竹壁厚度、徑向全干縮率、弦向全干縮率、體積全干縮率和抗彎強度的影響顯著。所以，在選用對竹壁厚度和抗彎強度要求較高的竹材時，應(yīng)著重考慮竹材部位的影響。

2.2 硬頭黃竹竹材物理力學性質(zhì)的變化趨勢

硬頭黃竹竹稈不同部位竹材的物理力學性質(zhì)變化趨勢見表3。由表3可知，同一竹稈不同部位竹材的物理力學性質(zhì)是不同的。自竹稈基部至頂部，竹材體積全干縮率、弦向全干縮率、徑向全干縮率、竹壁厚度逐漸減小，氣干密度、全干密度、基本密度、順紋抗壓強度、抗彎強度逐漸提高。此結(jié)果與其他人對紅殼、雷竹等竹材的研究結(jié)果相類似[19-21]。其主要原因為同一竹稈自基部至頂部，維管束橫斷面積逐漸縮小，維管束密度增大，導管孔徑變細，自由水含量減少，密度增大，從而使力學性質(zhì)相應(yīng)提高。

表1 硬頭黃竹竹稈同一竹齡不同部位竹材的物理力學性質(zhì)

表 2 竹稈不同部位竹材物理力學性質(zhì)方差分析Table 2 Variance analysis of physico-mechanical properties of Bambusa rigida keng at different parts

表 3 硬頭黃竹竹稈不同部位竹材的物理力學性質(zhì)Table 3 The physico-mechanical properties of Bambusa rigida keng in various parts of the culm

表4 硬頭黃竹材主要物理力學性質(zhì)間的相關(guān)性Table 4 The correlation coefficient among physico-mechanical properties of Bambusa rigida keng

2.3 硬頭黃竹竹材各物理性質(zhì)間的相關(guān)性分析

對各物理力學性質(zhì)間進行相關(guān)性分析可為竹材的材質(zhì)預(yù)測提供依據(jù)。硬頭黃竹各物理指標間的相關(guān)關(guān)系見表4。由表4可看出，抗彎強度與其他性質(zhì)間的相關(guān)性未達顯著水平，但相關(guān)系數(shù)均大于0.7。硬頭黃竹竹材的氣干密度和全干密度、基本密度及順紋抗壓強度的相關(guān)性較好。

3 小 結(jié)

（1）硬頭黃竹自竹稈基部至頂部，各項性質(zhì)有一定的趨勢性，竹材體積干縮率、弦向干縮率、徑向干縮率、竹壁厚度逐漸減小，氣干密度、全干密度、基本密度、順紋抗壓強度、抗彎強度逐漸提高。

（2）竹稈部位間，竹材的厚度、全干縮率以及抗彎強度達到了顯著水平，竹材部位對竹壁厚度、全干縮率、和抗彎強度的影響顯著。

（3）硬頭黃竹竹材的氣干密度、全干密度、基本密度以及順紋抗壓強度相互之間的相關(guān)性較好。

[1]夏載深，李秋楓.硬頭黃竹生長規(guī)律觀察研究[J].重慶林業(yè)科技，1991(2)：12-18.

[2]黃超鋼，等.毛竹種子秋播育苗技術(shù)[J].世界竹藤通訊，2011，9(2)：27-29.

[3]李樨，等.溫室條件下巨龍竹和馬來甜龍竹的早期生長表現(xiàn)[J].世界竹藤通訊，2011，9(4)：23-25.

[4]張培新 等.黃稈烏哺雞竹生物學特性觀測研究[J].世界竹藤通訊，2011，9(4)：10-13.

[5]譚宏超.制漿造紙用竹料—慈竹[J].湖南林業(yè)，2006(2)：17.

[6]洪彬，等.不同混雜比下竹木復合纖維板的彈性模量[J].世界竹藤通訊，2009，7(6)：9-11.

[7]劉曉輝，等.苦綠竹、椽竹、橄欖竹物理力學性質(zhì)及其在人造板上的應(yīng)用分析[J].世界竹藤通訊，2010，8(3)：6-10.

[8]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T15780-1995，竹材物理力學性質(zhì)試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1996.

[9]俞友明，等.苦竹竹材物理力學性質(zhì)的研究[J].西南林學院學報，2005，25(3)：64-67.

[10]謝九龍，等.慈竹材物理力學性質(zhì)研究[J].竹子研究匯刊，2011，30(4)：30-34.

[11]林金國，等.石竹材材質(zhì)變異規(guī)律的研究[J].竹子研究匯刊，2002，21(1)：65-68.

[12]俞友明，等.雷竹竹材物理力學性質(zhì)變異規(guī)律的研究[J].竹子研究匯刊，2004，23(2)：50-54.

[13]張宏健，等.云南四種材用叢生竹的主要物理力學性質(zhì)[J].西南林學院學報，1998，18(3)：189-193.

[14]蔡紉秋，等.角竹竹材物理力學性質(zhì)的研究[J]竹子研究匯刊，1987，6(3)：62-73.

[15]關(guān)明杰，等.甜竹的干縮性及其纖維飽和點[J].南京林業(yè)大學學報，2003，27(1)：33-36.

[16]崔敏等.不同竹齡毛竹材物理性質(zhì)的差異分析[J].福建林學院學報，2010，30(4)：338-343.

[17]蘇文會，等.大木竹竹材物理性質(zhì)的研究[J].南京林業(yè)大學學報，2007，31(2)：42-46.

[18]《現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學手冊》編委會.概率統(tǒng)計與隨機過程[M].北京：清華大學出版社，2000.

[19]楊云芳，等.紅殼竹竹材物理力學性質(zhì)研究[J].浙江林學院學報，1998，15(2)：158-163.

[20]俞友明，等.紅殼竹人工林竹材物理力學性質(zhì)的研究[J].竹子研究匯刊，2001，20(4)：4246.

[21]於瓊花，等.雷竹人工林竹材物理力學性質(zhì)[J].浙江林學院學報，2004，21(2)：130-133.