原態(tài)毛竹環(huán)狀收縮應(yīng)變表征及機(jī)理研究?

閆 薇 張 彬 傅萬(wàn)四 周建波

我國(guó)竹林面積、產(chǎn)量和蓄積量均居世界之最，現(xiàn)有竹子40多屬約500余種，占世界竹類植物屬和種的50%[1]。竹材在我國(guó)的應(yīng)用可追溯到約公元前4400—3300年的大溪文化，房屋多為紅燒土、大量竹材和木材制成[2]。20世紀(jì)80年代初，我國(guó)竹材加工產(chǎn)業(yè)開始起步[3]，近年來(lái)，竹產(chǎn)業(yè)呈蓬勃發(fā)展之勢(shì)，除了常用的竹層積材、重組竹、竹膠合板之外，原態(tài)竹材因其中空、具節(jié)的特點(diǎn)以及天然的密度梯度和優(yōu)良的力學(xué)特性在國(guó)內(nèi)外的研究和利用備受關(guān)注。作為生物質(zhì)材料，含水率對(duì)原態(tài)竹材的力學(xué)性能有明顯影響，隨著含水率的增加，圓竹表現(xiàn)出脆性行為到韌性行為的過渡[4]；竹筒壁厚從水分蒸發(fā)開始就發(fā)生了收縮，竹材內(nèi)自由水蒸發(fā)的同時(shí)細(xì)胞壁內(nèi)的結(jié)合水也在蒸發(fā)[5-6]。4年生毛竹圓竹的力學(xué)性能優(yōu)于6年生圓竹，且從竹材基部到頂部呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)[7]。圓竹的應(yīng)用主要是作為建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)材料，其基本力學(xué)指標(biāo)滿足作為結(jié)構(gòu)材料使用的條件，可通過金屬連接件的設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)圓竹構(gòu)件加工的標(biāo)準(zhǔn)化和施工的預(yù)制化[8]。此外，國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所開展的竹材原態(tài)利用項(xiàng)目在蜂窩仿生的基礎(chǔ)上將圓竹銑削成六方單元，再指接接長(zhǎng)、側(cè)面施膠重組用作梁或柱[9-11]，擴(kuò)展了竹材的原態(tài)利用。

然而，竹材的原態(tài)利用不可避免地要面對(duì)干燥和開裂問題。干燥是竹材原態(tài)利用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工序，竹材在纖維飽和點(diǎn)之上隨水分蒸發(fā)就會(huì)產(chǎn)生收縮[12]，且外層的干縮程度大于內(nèi)層[13]。有研究表明低溫干燥有利于減少原態(tài)竹材的開裂缺陷[14-16]，不超過40 ℃的溫和狀態(tài)下，竹筒材的干燥過程比較溫和，不會(huì)產(chǎn)生明顯的缺陷[14]。直徑范圍為90～110 mm的原態(tài)竹材經(jīng)蒸煮處理后，在溫度50～58 ℃、濕度75%～85%、風(fēng)速1.5 m/s的條件下干燥效果良好[15-16]。然而也有文章指出采用高溫（溫度從60 ℃升至120 ℃）干燥原態(tài)竹材則不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[12]。此外，壁厚對(duì)竹筒的開裂也有影響，有研究指出竹壁越厚越不容易開裂[6]，但也有研究表明壁厚越大開裂程度越大[13]。在干縮或使用過程中，竹筒極易產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向由竹青向竹黃擴(kuò)展的裂縫，導(dǎo)致竹筒破壞而不能使用，因此圓竹防裂研究亦頗受關(guān)注，其處理方法可歸納為干燥處理、壓注液體增容處理、涂刷桐油、筒身加箍等[6,13,17-18]。綜上所述可知，對(duì)圓竹的研究基本集中于其物理力學(xué)性能、干燥、防裂相關(guān)的研究，而原態(tài)竹材環(huán)狀收縮應(yīng)變及機(jī)理的研究基本為空白狀態(tài)。不論產(chǎn)區(qū)、竹種、竹齡或竹筒部位，干縮是原態(tài)竹材的共性特征，根據(jù)竹材自身結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)原態(tài)竹材本體的研究是解決問題的根本和關(guān)鍵，故該研究以原態(tài)竹材為研究對(duì)象，對(duì)其失水收縮應(yīng)變及行為機(jī)理進(jìn)行研究和表征，該基礎(chǔ)研究有利于原態(tài)竹材干燥缺陷的控制和竹筒防裂方法的改善，為開展竹材原態(tài)利用的研究提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

毛竹（Phyllostachys pubescens）采自湖南益陽(yáng)竹區(qū)，4年生。據(jù)課題組前期研究成果，適合竹材原態(tài)利用的圓竹直徑在90～110 mm之間[15-16]，自地面往上20 cm處采伐。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 22157-1—2004《竹子.物理和機(jī)械性能的測(cè)定.第一部分：要求》將竹子加工成長(zhǎng)度(L)和直徑(D)相等（104.29±6.97）mm的竹筒試樣（不含竹節(jié)），如圖1所示，竹壁厚度(t)為（9.88±1.23） mm，試樣氣干含水率為(12.53±0.28)%。將所有試樣放入常溫水中浸泡2 d以達(dá)到試驗(yàn)所需含水率。

圖1 試樣制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of test sample preparation

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070，湖南力辰儀器科技有限公司；數(shù)顯游標(biāo)卡尺：精度0.01 mm，世達(dá)工具（上海）有限公司；電子天平：精度0.01 g，型號(hào)YP-30002，湖南力辰儀器科技有限公司；數(shù)字散斑相關(guān)方法圖像采集設(shè)備及分析系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 2257-1—2004，考慮到竹筒的對(duì)稱性，如圖2所示，在竹筒橫切面上竹青環(huán)和竹黃環(huán)分別標(biāo)記8個(gè)對(duì)稱的點(diǎn)用以測(cè)量竹筒試樣的整體變形數(shù)據(jù)。點(diǎn)間距的變化量依據(jù)公式Δd=d初-d末來(lái)計(jì)算，若Δd為正值，則表明點(diǎn)間距變小，呈收縮；若Δd為負(fù)值，則表明點(diǎn)間距變大，有擴(kuò)張之勢(shì)。試樣長(zhǎng)度的變化量計(jì)算方法與點(diǎn)間距的變化量計(jì)算方法相同。

試驗(yàn)采取40 ℃的環(huán)境，水分蒸發(fā)過程比較溫和，利于觀察分析原態(tài)竹材的收縮行為。將浸泡2 d的竹筒試樣分別稱重和測(cè)量尺寸后放入溫度為40 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中，每個(gè)試樣的變形數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的時(shí)間點(diǎn)由密到疏（間隔為1、2、3、8、10 h），每個(gè)試樣采集8組點(diǎn)間距數(shù)據(jù)、2組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和1組試樣質(zhì)量數(shù)據(jù)，每次共采集點(diǎn)間距數(shù)據(jù)48組、長(zhǎng)度數(shù)據(jù)12組、質(zhì)量數(shù)據(jù)6組。經(jīng)歷44 h完成13次測(cè)量記錄工作后，將試樣放入（103±2）℃環(huán)境中直至絕干以獲得各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的各試樣含水率。

圖2 數(shù)據(jù)測(cè)量Fig.2 Data measurement

數(shù)字散斑相關(guān)方法（Digital speckle correlation method，DSCM）是發(fā)展于20世紀(jì)80年代的一種光學(xué)非接觸測(cè)量方法，具有白光光源、光路簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、不需要隔振等諸多優(yōu)點(diǎn)[19]，用于該研究以捕捉竹筒的環(huán)狀收縮散斑圖像并分析收縮應(yīng)變。試驗(yàn)平臺(tái)由國(guó)際竹藤中心實(shí)驗(yàn)室提供。

散斑制作：對(duì)氣干竹筒端面噴灑黑色漆霧，在橫截面形成均勻的黑色點(diǎn)狀散斑，備用。

將帶有散斑的試樣通過DSCM圖像采集設(shè)備進(jìn)行拍攝采集圖像，作為源圖像，并標(biāo)記拍攝部位。然后將試樣放入（100±2）℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)加速水分的蒸發(fā)，實(shí)時(shí)觀察，待竹筒出現(xiàn)細(xì)微裂縫時(shí)，緩慢冷卻后采集標(biāo)記部位的端面散斑圖像作為目標(biāo)圖像，經(jīng)由DSCM軟件通過源圖像和目標(biāo)圖像進(jìn)行干縮應(yīng)變場(chǎng)分析，X方向和Y方向的計(jì)算步長(zhǎng)均為2，如圖3所示。

圖3 圖像采集設(shè)備（左）及數(shù)字散斑相關(guān)方法圖像分析軟件（右）Fig.3 Devices of image capture (left) and DSCM soft (right)

2 結(jié)果與討論

2.1 原態(tài)竹材收縮行為分析

在40 ℃環(huán)境下，竹筒收縮緩和，各部位變形較均勻。竹筒含水率變化趨勢(shì)如圖4所示，隨時(shí)間的增加，含水率不斷下降，下降速率由快至緩，尤其是在含水率低于氣干含水率12.53%時(shí)，含水率的變化極緩，曲線呈現(xiàn)出ExpAssoc指數(shù)函數(shù)（R2=0.999 07）下降趨勢(shì)。由圖中數(shù)據(jù)還可以分析得出，試樣含水率的離散性逐漸減小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各試樣的含水率趨同明顯。

圖4 含水率變化趨勢(shì)Fig.4 Moisture content change trend

測(cè)量結(jié)束時(shí)試樣的竹青對(duì)稱點(diǎn)、竹黃對(duì)稱點(diǎn)和長(zhǎng)度的變化量如圖5所示。竹青對(duì)稱點(diǎn)的點(diǎn)間距平均收縮量最大，而竹黃部位的平均收縮量較小。大部分點(diǎn)間距變化量為正值，表明竹筒整體呈現(xiàn)環(huán)形收縮，然而局部點(diǎn)間距變化量為負(fù)值，且該部位竹青和竹黃的點(diǎn)間距變化行為一致，說(shuō)明在40 ℃環(huán)境下放置44 h之后部分竹材橫截面部位的點(diǎn)間距變大了，這意味著此處發(fā)生了竹筒的橢圓狀長(zhǎng)軸變形，是收縮應(yīng)力與擴(kuò)張變形應(yīng)力的交匯之處，往往易產(chǎn)生裂紋甚至開裂。長(zhǎng)度的變化量最小，數(shù)據(jù)離散性亦小，說(shuō)明各部位的長(zhǎng)度收縮程度較為一致。

圖5 竹青、竹黃點(diǎn)間距和試樣長(zhǎng)度變化量Fig.5 Change value of dot spacing on bamboo green, bamboo yellow and length

表1為竹青點(diǎn)間距、竹黃點(diǎn)間距和長(zhǎng)度變化量之間的差異顯著性分析結(jié)果。竹青對(duì)稱點(diǎn)的點(diǎn)間距平均變化量為2.64 mm，竹黃的點(diǎn)間距平均變化量為1.91 mm，兩者之間的差異不顯著（P＞0.05），由于竹青的收縮量大于竹黃的收縮量，所以在竹筒整體干縮的同時(shí)表現(xiàn)為竹壁厚度的減小。而長(zhǎng)度平均變化量為0.24 mm，相比竹青變化甚微，差異顯著（P＜0.05）。

表1 竹青、竹黃點(diǎn)間距與長(zhǎng)度變化量的差異顯著性分析Tab.1 Signif i cant difference analysis of dot spacing on bamboo green, bamboo yellow and length

2.2 原態(tài)竹材環(huán)狀應(yīng)變分析

2.2.1 細(xì)微裂縫處的應(yīng)變

有研究采用非接觸式顯微測(cè)試儀對(duì)不同溫度條件下木材表面點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離的變化進(jìn)行測(cè)量，并用此應(yīng)變速率來(lái)表征木材干燥過程中應(yīng)力的狀態(tài)[20]，該方法原理類似于DSCM。圖6所示為竹筒橫切面干縮后散斑圖像及應(yīng)變的分析結(jié)果。

圖中Y方向應(yīng)變值范圍為-0.045 331 4～0.023 813 7，其中負(fù)值表示與Y軸正方向相反，坐標(biāo)軸（x,327）處是Y方向正負(fù)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)竹筒橫切面散斑圖中細(xì)微裂縫部位。在Y軸小于327的區(qū)域，應(yīng)變值為負(fù)，表明在裂紋處上方，竹材收縮是沿Y軸負(fù)方向；而在Y坐標(biāo)大于327的區(qū)域，應(yīng)變值為正，表明在裂紋處下方，竹材的收縮是沿Y軸正方向。x值較小區(qū)域?qū)?yīng)竹青部分，應(yīng)變值較大，表明竹青Y方向收縮程度較大。

圖中X方向的應(yīng)變值范圍為-0.146 774～0.132 051，在x值較小的區(qū)域內(nèi)，呈現(xiàn)的是與X軸正向相同的收縮，而在(x,327)裂縫附近，收縮應(yīng)變發(fā)生了明顯的變化，X軸正向急劇收縮之后轉(zhuǎn)為沿X軸負(fù)向的收縮。由圖中還可以看出，在x值較小的區(qū)域內(nèi)收縮應(yīng)變較大，而此區(qū)域?qū)?yīng)竹青或靠近竹青的部位，由此可知，靠近竹青部分的X方向應(yīng)變大于竹黃部分。

圖6 裂縫周邊的應(yīng)變場(chǎng)Fig.6 Strain analysis on crack fi eld

2.2.2 非裂縫處的徑向應(yīng)變

將竹筒橫切面同心圓整體平均劃分為諸多小單元，并以小單元為研究目標(biāo)來(lái)分析整體性能，如圖7所示，選取非裂縫處竹青到竹黃較小矩形區(qū)域研究竹壁的徑向應(yīng)變，即X方向應(yīng)變。X方向應(yīng)變值范圍為-0.041 446 2～0.356 171，從竹青到竹黃的應(yīng)變規(guī)律較明顯，靠近竹青部位的應(yīng)變場(chǎng)由深色至淺色漸變，是沿X正向即向竹筒橫截面環(huán)心收縮，顏色變化急劇，收縮程度由竹青向竹黃急劇減小。

圖7 非裂縫處竹青到竹黃的X方向應(yīng)變分析Fig.7 Strain analysis from bamboo green to bamboo yellow in X axial

2.3 討論

2.3.1 環(huán)狀收縮成因

試驗(yàn)初期，自由水和結(jié)合水同時(shí)蒸發(fā)[5-6]，竹材含水率下降速率快。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，自由水蒸發(fā)殆盡，結(jié)合水和吸著水蒸發(fā)不易，因此含水率下降速率緩慢，呈ExpAssoc指數(shù)下降。竹材主要由厚壁細(xì)胞組成的維管束和薄壁細(xì)胞組成的基本組織構(gòu)成，靠近外表皮的竹青部位和靠近髓腔的竹黃部位均是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成。其中纖維素和半纖維等成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)式中包含豐富的羥基（—OH）和羧基（—COOH），具有很強(qiáng)的吸濕和解吸功能，這決定了無(wú)論是竹青部位還是竹黃部位都會(huì)隨著水分的蒸發(fā)而發(fā)生收縮。有研究表明原態(tài)竹材水分的蒸發(fā)不僅發(fā)生在端面，也同時(shí)發(fā)生在內(nèi)外壁上[5]，然而竹材沒有橫向組織，竹筒外表皮和蠟質(zhì)層以及髓腔內(nèi)壁的嚴(yán)重木質(zhì)化且壁層加厚的薄壁細(xì)胞組織阻礙了水分子的橫向擴(kuò)散[21]，因此水分在筒狀竹材內(nèi)部的移動(dòng)通道主要是軸向排列的導(dǎo)管以及細(xì)胞間的紋孔。竹材干縮應(yīng)變的產(chǎn)生源于應(yīng)力的釋放[22]，應(yīng)變?cè)酱?，表明水分子蒸發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。竹青密度大、厚壁細(xì)胞多，意味著纖維素和半纖維素含量也多，收縮量也大，在原態(tài)竹材表現(xiàn)為環(huán)狀的收縮應(yīng)力，如圖8所示，圓竹的內(nèi)徑和外徑均縮小，但竹青環(huán)側(cè)的收縮程度大于竹黃環(huán)側(cè)，這與前人的研究結(jié)果竹青干縮變形大于竹黃干縮變形一致[12-13]，同時(shí)該研究證明了干縮的過程中竹壁厚度的變小源于竹青和竹黃的環(huán)狀收縮差。順紋收縮程度最小主要與纖維排列方向有關(guān)。

圖8 原態(tài)竹材環(huán)狀收縮示意圖Fig.8 Schematic diagram of annular shrinkage of bamboo in original status

2.3.2 數(shù)字散斑相關(guān)方法的應(yīng)變表征

從前述結(jié)果分析可知，DSCM對(duì)原態(tài)竹材橫切面的裂縫處Y方向相反收縮應(yīng)變充分說(shuō)明了在竹筒壁上的某一點(diǎn)處是沿著該點(diǎn)呈環(huán)狀收縮，裂縫產(chǎn)生進(jìn)而應(yīng)力得以部分釋放，收縮應(yīng)變繼續(xù)，裂縫上下邊緣向相反方向收縮，進(jìn)而裂縫逐步向竹黃擴(kuò)展；X方向應(yīng)變亦可視化地呈現(xiàn)了竹青到竹黃收縮應(yīng)變由大到小的變化趨勢(shì)，密度越大收縮應(yīng)變?cè)酱?。由DSCM得到的測(cè)量結(jié)果與宏觀現(xiàn)象一致，印證了筒狀竹材的收縮是整體向心且具有收縮梯度的環(huán)狀收縮過程。在無(wú)外力施加的狀態(tài)下，原態(tài)竹材的收縮應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力超過一定強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生明顯的裂縫，應(yīng)變明顯的部位應(yīng)力相對(duì)集中，所以竹青是干縮應(yīng)力集中的部位。

2.3.3 裂縫產(chǎn)生成因

裂縫的產(chǎn)生是由環(huán)狀收縮引起的，一旦收縮應(yīng)力超過竹青厚壁細(xì)胞之間的結(jié)合強(qiáng)度，裂縫便開始產(chǎn)生，并緩慢向竹黃擴(kuò)展。厚壁細(xì)胞壁厚腔小，其細(xì)胞壁層數(shù)多至十幾層，且每層厚度不一，微纖絲角排列方向各異[21]。細(xì)胞壁厚意味著纖維素和半纖維素含量大，一旦水分子蒸發(fā)，纖維素和半纖維素中的吸著水和結(jié)合水就會(huì)脫離，纖維素和半纖維素分子間的空隙變小，水分子—OH與纖維素—OH的氫鍵斷裂形成纖維素表面之間的氫鍵[23]。由于水分子蒸發(fā)產(chǎn)生的干縮應(yīng)力是竹材本身產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，裂紋發(fā)生在密度大、強(qiáng)度高的竹青部位，這一點(diǎn)不同于外部加載破壞發(fā)生在材料相對(duì)薄弱的部位，例如在拉伸作用下，竹材經(jīng)典的破壞模式是首先在密度小、強(qiáng)度低的竹黃部分出現(xiàn)裂紋或最初斷口，然后裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)為縱向最后破壞試件[24,25]；竹材的抗壓破壞主要在靠近竹黃部位的端部出現(xiàn)[25]。

在干縮過程中，原態(tài)竹材的自身應(yīng)力集中甚至產(chǎn)生自破壞是從密度大、力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異的竹青部位開始的，因此如何減少或釋放出水分蒸發(fā)引起的在竹青部位集中的內(nèi)應(yīng)力是防裂的關(guān)鍵所在。

3 結(jié)論

通過對(duì)原態(tài)竹材在40 ℃下44 h的收縮行為及其干縮應(yīng)變分析研究，可以得出以下結(jié)論：

1）原態(tài)竹材含水率呈ExpAssoc指數(shù)函數(shù)下降，速率由急至緩，含水率離散性隨干縮時(shí)間減小。橫向收縮為環(huán)狀向心收縮，竹青和竹黃同時(shí)收縮，竹青部位收縮程度大于竹黃部位，導(dǎo)致干縮過程竹壁厚度變小。相比之下，順紋收縮最小，與竹青收縮相比差異顯著。

2）數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）能夠可視化地呈現(xiàn)竹材干縮裂紋處的應(yīng)變以及竹青至竹黃方向的應(yīng)變，應(yīng)變表征與行為結(jié)果一致，印證其環(huán)狀收縮。

3）竹材干縮產(chǎn)生的應(yīng)力為內(nèi)應(yīng)力，集中在竹青部位從而導(dǎo)致破壞，不同于外部荷載破壞發(fā)生于材料的薄弱部位，為原竹防裂處理提供基礎(chǔ)理論支撐和逆向思考，減少或釋放高密度竹青部位的干縮內(nèi)應(yīng)力是解決原態(tài)竹材開裂的關(guān)鍵。

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