毛竹竹材物理力學(xué)性能研究

李光榮 辜忠春 李軍章

摘 要： 為了解不同竹齡毛竹生材含水率、線性干縮率、氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度等物理性能，對其加工應(yīng)用的影響，筆者以2-7年生毛竹為材料進行研究，結(jié)果表明：竹材的生材含水率、氣干干縮率（弦向、徑向、縱向）和全干縮率（弦向、徑向、縱向）隨著竹齡的增加呈減小的趨勢；從基部到梢部竹材的生材含水率、線性干縮率均減?。恢癫木€性干縮率弦向>徑向>縱向。竹材氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度均隨著竹齡的增加呈增大的趨勢，尤其是3年生竹材的這些物理力學(xué)性能與2年生差異顯著，但3年后生竹材差異不大；從基部到梢部竹材的氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度逐漸增加。綜合考慮毛竹的物理力學(xué)性能和竹林的經(jīng)濟效益，適合采伐的是3年后生竹材，鋸截之后的竹材也應(yīng)根據(jù)部位不同進行區(qū)分，以便于加工應(yīng)用過程中合理利用，提高產(chǎn)品的理化性能和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 毛竹；物理力學(xué)性能；干縮率；加工應(yīng)用

中圖分類號：S795.7；TS664.03 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-3020（2014）05-0044-06

竹材是一種重要的森林資源，隨著竹材加工技術(shù)的發(fā)展，竹材在建筑行業(yè)的利用越來越廣泛，以竹代木成為解決目前木材資源匱乏的最佳途徑。[1]竹材材質(zhì)好，力學(xué)性能高，有關(guān)其加工利用的研究相當(dāng)廣泛。作為一種天然纖維質(zhì)材料，其性能隨著竹齡的增加產(chǎn)生相應(yīng)的變化，甚至是老化。竹材的材質(zhì)老化會伴隨著微觀構(gòu)造上的變化[2]，同時也會表現(xiàn)為竹材基本性能及力學(xué)性能上的變化[3]。毛竹（Phyllostachys pubescens）屬禾本科（Gramineae）、竹亞科（Bambusoideae）、剛竹屬（Phyllostachys），又名楠竹、茅竹、貓頭竹、孟字竹等。毛竹分布于秦嶺、漢水流域至長江流域以南和臺灣省，是我國分布面積最大，用途最廣，經(jīng)濟效益最佳，生態(tài)適應(yīng)性較強的竹種，也是我國最主要的材用竹種。[4]

目前，國內(nèi)外對不同竹種竹材的物理力學(xué)性質(zhì)研究較多，主要側(cè)重于研究密度、干縮性等方面。本文通過對其物理力學(xué)性能進行測試，探討了不同竹齡、竹稈部位竹材物理力學(xué)性能的差異，為毛竹實際應(yīng)用于復(fù)合材料增強性和竹束鋪裝、編簾提供科學(xué)依據(jù)，有利于不同部位竹材得到充分合理利用，達到效益最大化的目的。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗采集和加工

毛竹于2013年1月底，采集于湖北省咸寧市咸安區(qū)賀勝林場。試材選擇相同立地條件下的5個不同竹齡（2、3、4、5、6、7年生），其中2、7年生各2株，3、4、5、6年生各3株。竹子生長正常，無病蟲害。每株樣竹從竹篼往上取材，每段約2.0 m，按1（基部）、2、3、4（梢部）四個高度截斷成竹段， 編號后運回實驗室。

試樣運回實驗室后，立即制作生材含水率試件，測試竹材生材含水率，剩余部分經(jīng)3個月后氣干至質(zhì)量達到穩(wěn)定后，按照國家標(biāo)準依次截取氣干密度、干縮性、抗彎強度（MOR）、抗彎彈性模量（MOE）、順紋抗壓強度試樣[5]。

1.2 試驗方法

具體試驗方法參照國家標(biāo)準測試方法GB/T15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》[5]進行。

1.3 試驗設(shè)備

微機控制電子萬能力學(xué)試驗機，型號：WDW-50，精度：10N

干燥箱，型號：101-0A，精度：±1 ℃

電子天平，型號：SL602N，精度：0.01 g

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL和SPSS（Statistical Program for Social Sciences，SPSS）軟件進行分析處理。

本文中所述氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度均為換算含水率為12%時的數(shù)據(jù)，不同竹齡毛竹的主要物理力學(xué)性能如表1。從表1可以看出：隨著毛竹竹齡的增加，毛竹抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、氣干密度呈增大趨勢，但其性能3年后生竹材基本趨于穩(wěn)定；生材含水率、線性干縮率隨著竹齡的增加而減小，其性能3年后生竹材基本趨于穩(wěn)定；與毛竹弦向和徑向干縮率相比，其縱向干縮率最小，說明毛竹在干燥過程中，縱向變異最小，弦向干縮率最大，全干干縮率大于氣干干縮率，憑肉眼觀察竹材從濕材到氣干過程中，竹肉的干縮率大于竹青干縮率，竹青干縮率大于竹黃。

2.1 生材含水率差異

不同竹齡不同部位竹材生材含水率如表2所示，竹材生材含水率隨著竹齡的增加有減小的趨勢，但是3年后生竹材生材含水率基本趨于穩(wěn)定，2年生竹材平均含水率可以達到73.2%，基本趨于穩(wěn)定的含水率為50%左右；竹材不同部位的生材含水率也有所差異，從基部到梢部，竹材生材含水率隨之減小。竹材加工中，在干燥以前，可以將鮮竹材放至氣干，使不同竹齡、不同部位竹材基本一致，可以節(jié)約干燥過程中的資源和時間。

2.2 氣干密度差異

竹材密度是竹材性質(zhì)的一項重要指標(biāo)，在很大程度上影響竹材的力學(xué)性能。研究竹材密度隨竹齡變異是確定竹材合理采伐年齡的重要依據(jù)。同時，竹材密度也決定其表面加工質(zhì)量[6]。一般不同竹齡、竹稈不同部位及其立地條件都會引起竹材密度變化。

從圖1可以看出：竹材氣干密度隨竹齡增大而逐步增加，尤其3年生竹材氣干密度比2年生竹材氣干密度增加幅度比較大。竹材氣干密度隨竹齡增加產(chǎn)生變異的主要原因是竹材細胞壁及內(nèi)容物隨年齡增長而逐漸充實和變化[7]。而3年后生竹材氣干密度基本趨于穩(wěn)定。

此外，如圖1所示，同一竹齡竹材不同高度位置的密度有差異，從基部到梢部，氣干密度逐漸增大。引起竹材氣干密度縱向變化的主要原因是自竹稈基部到梢部竹壁單位橫截面積內(nèi)維管束分布個數(shù)逐漸增加，使得維管束分布密度逐漸增加，從而整體上是竹稈基部比梢部的密度小[8]。

通過SPSS軟件對不同竹齡不同部位試樣所測氣干密度進行方差分析，結(jié)果如表3所示，可知竹齡和竹材不同部位對竹材的氣干密度影響高度顯著，竹齡與竹材不同部位之間的交互影響也高度顯著。而由表1所示的氣干密度duncan檢驗進一步顯示，2年生竹材與3-7年生竹材氣干密度差異顯著，3-7年生竹材氣干密度沒有顯著差異。密度作為影響竹材力學(xué)性能的重要指標(biāo)，在實際的加工過程中應(yīng)該注意竹齡采伐時間，盡量采伐3年后生竹材，并且根據(jù)竹材不同部位，交叉組坯，減小產(chǎn)品密度偏差，提高產(chǎn)品力學(xué)性能的穩(wěn)定性。

2.3 干縮率性質(zhì)差異

竹材線性干縮率的評價指標(biāo)主要有全干縮率、氣干干縮率。如圖2-7所示，隨著竹齡的增加，竹材全干縮率（徑向、弦向、縱向）和氣干干縮率（徑向、弦向、縱向）均呈減小的趨勢，但3年后竹齡的竹材氣干干縮率和全干縮率基本趨于穩(wěn)定，主要是由于隨著竹齡的增加，竹材纖維素含量隨之減少，到3年生時，竹材纖維素含量基本已趨于穩(wěn)定[9]，竹材的密度和干縮率也基本趨于穩(wěn)定。如圖2-7所示，竹材不同部位線性干縮率不同，從基部到梢部徑向、弦向、縱向干縮率呈減小的趨勢，對于同一株竹材，從基部到梢部，竹材纖維素含量逐漸減少，這是影響竹材不同部位線性干縮率不同的主要原因。全干縮率、氣干干縮率與氣干密度變化趨勢相反。

不同竹齡、不同部位對干縮性影響方差分析如表4所示，竹齡對線性干縮率影響高度顯著，竹材不同部位對其線性干縮率的影響高度顯著。

2.4 力學(xué)性能差異

竹材力學(xué)性能是竹材加工利用的重要依據(jù)之一，根據(jù)竹材力學(xué)性能的不同可以確定竹材的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，對竹材的培育、確定合理的砍伐時間具有現(xiàn)實意義。

如圖8、圖9所示，隨著竹齡的增加抗彎強度和抗彎彈性模量呈逐漸增加的趨勢，3年后生竹材的抗彎強度和彈性模量基本趨于穩(wěn)定。不同部位的抗彎強度和抗彎彈性模量隨著竹齡的增加有增大的趨勢，但不明顯；從基部到梢部，抗彎強度和抗彎彈性模量逐漸增加，原因在于，竹壁單位橫截面積內(nèi)維管束分布個數(shù)逐漸增加。

由表5可以看出，不同竹齡和竹材的不同部位對竹材抗彎強度和抗彎彈性模量影響高度顯著；竹齡與不同部位交互作用對竹材抗彎強度影響顯著，對抗彎彈性模量有影響。

由表1所示，2年生順紋抗壓強度較其他年份低，均值為52.3 MPa，3年后生竹材順紋抗壓強度均值基本在60 MPa左右，相對比較穩(wěn)定。如圖10所示，2年生竹材順紋抗壓強度較其他年份低，從基部到梢部竹材順紋抗壓強度呈逐漸增加的趨勢。由表6不同竹齡不同部位順紋抗壓強度方差分析顯示，竹齡和竹材的不同部位對竹材順紋抗壓強度的影響高度顯著，他們交互作用對其影響也高度顯著。

3年后生竹材力學(xué)性能已基本趨于穩(wěn)定，可以用于木材加工用，隨著竹齡的增加，竹材力學(xué)性能沒有顯著提高，因此，考慮竹材林的經(jīng)濟效益和用材竹力學(xué)性能，合適砍伐的竹材是3年生竹材。

3 結(jié)論

不同竹齡毛竹氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度均隨著竹齡的增加呈增大的趨勢，尤其是3年生竹材的該4種物理力學(xué)性能與2年生差異顯著，但與3年后生竹材差異不是很大；竹稈徑向從基部到梢部竹材的氣干密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度逐漸增加。

竹材的生材含水率、氣干干縮率弦向、徑向、縱向和全干縮率弦向、徑向、縱向隨著竹齡的增加呈減小的趨勢；從基部到梢部竹材的生材含水率、氣干干縮率和全干縮率均減??；竹材線性干縮率弦向>徑向>縱向。

竹材力學(xué)性能是竹材加工利用的重要依據(jù)之一，根據(jù)竹材力學(xué)性能的不同可以確定竹材的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，對竹材的培育、確定合理的砍伐時間具有現(xiàn)實意義。綜合考慮毛竹的物理力學(xué)性能和竹林的經(jīng)濟效益，適合采伐的是3年后生竹材，采伐之后的竹材也應(yīng)該根據(jù)部位不同進行區(qū)分，以便于加工應(yīng)用過程中，針對不同竹齡、不同的部位使用在不同的地方；考慮到竹材不同竹齡、不同部位生材含水率的不同，在竹材進行干燥以前，應(yīng)將竹材放至氣干狀態(tài)，縮短竹材干燥周期，減少干燥過程中資源的使用。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯：鄭京津）