桐油處理對(duì)竹材抗老化性能的影響

宋志紅 徐懿

摘要[目的]研究桐油處理對(duì)竹材抗老化性能的影響。[方法]分別以金竹和楠竹為研究對(duì)象，研究桐油浸泡處理的2種竹材在WCAMA 6循環(huán)加速老化完成后，其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉彈性模量的變化，用4種指標(biāo)的平均保留率來(lái)揭示桐油對(duì)竹材抗老化性能的影響。[結(jié)果]雖然2種竹材的力學(xué)性能有一定差異，但在加速老化試驗(yàn)完成后2種竹材的抗壓強(qiáng)度和抗拉彈性模量的保留率均很高，同時(shí)桐油處理試件的抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量的保留率與未經(jīng)桐油處理的相比有所降低。[結(jié)論]桐油處理對(duì)評(píng)判竹材抗老化性能關(guān)鍵指標(biāo)抗壓強(qiáng)度提高最為明顯，而難以提高其在加速老化環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量。在竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，這些力學(xué)性能指標(biāo)可為桐油處理后竹材抗老化性研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞金竹；楠竹；桐油；抗老化；保留率

中圖分類(lèi)號(hào)S795文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）16-0156-04

Effect of Tung Oil Treatment on Antiaging Property of Bamboo

SONG Zhihong1， XU Yi2*

（1.The Authority of National Nature Protection Area in Leigong Mountain， Qiandongnan， Guizhou 557199；2.Department of Civil Engineering Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract[Objective]To study effect of tung oil treatment on antiaging property of bamboo. [Method]Taking Phyllostachys parvifolia and Phyllostachys pubescens as the research subjects， the changes about the bamboos tensile strength， compressive strength， tensile modulus and compressive elastic modulus of two kinds of bamboo oil soaked with tung oil in WCAMA six accelerated cycle aging were studied.The average retention rate of the indexes were used to evaluate the aging resistance of the spacimens immersed by tung oil.[Result]The results showed that although the mechanical properties of the two kinds of bamboo are different， the compressive strength and tensile modulus of the two kinds of bamboo are very high after the accelerated aging test. The tensile strength and the retention ratio of the compressive elastic modulus of the treated tung oil samples are lower than those without tung oil treatment. [Conclusion]The treatment of tung oil treatment is the most important indicator to evaluate the antiaging performance of bamboo， and the compressive strength is the most obvious， but it can not improve the tensile strength and compressive modulus in the accelerated aging environment. In the design of bamboo structure， these mechanical properties can provide reference for the study of antiaging of bamboo treated with tung oil.

Key wordsPhyllostachys parvifolia；Phyllostachys pubescens；Tung oil；Aging resistance；Retention rate

我國(guó)竹類(lèi)資源豐富，目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。竹材物理力學(xué)特性好，具有強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定、密度適中的特點(diǎn)[2]。在西南竹資源豐富地區(qū)，人們常采用竹材建造拱形蔬菜大棚、陽(yáng)光溫室等農(nóng)業(yè)構(gòu)筑物，充分利用了竹材的抗壓性能。然而，竹材老化對(duì)竹材力學(xué)性能影響明顯，進(jìn)而影竹響結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此減緩竹材抗老化性能的衰減成為一項(xiàng)重要工作。

目前，對(duì)竹材力學(xué)性能的研究測(cè)試多以竹片作為測(cè)試單元，探討竹齡、竹稈部位、方向等對(duì)竹材物理力學(xué)性質(zhì)的影響。周芳純等[3-4]研究了含水率、竹的部位、種屬、竹齡及立地條件對(duì)竹材力學(xué)性能的影響，并得出竹材的力學(xué)強(qiáng)度與含水率成反比；楊云芳等[5]研究表明，紅殼竹竹材物理力學(xué)性質(zhì)與竹齡有密切關(guān)系，其中順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都隨著竹齡的增加而增大，5～6年生達(dá)最大值。

針對(duì)木板材加速老化性的實(shí)驗(yàn)室研究方法有很多，如歐洲BS EN1087-1標(biāo)準(zhǔn)，加拿大CAN/CSA-1088標(biāo)準(zhǔn)，法國(guó)European AFNOR-313標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)WCAMA標(biāo)準(zhǔn)等試驗(yàn)方法。國(guó)內(nèi)也多數(shù)采用ASTM D1037、DIN68763（V100）和BS5669等常用的加速老化試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)定人造板材的耐久性[6-10]。國(guó)內(nèi)延緩竹材及木材在自然環(huán)境下的老化，多采用浸染化學(xué)防水制劑或油脂的化學(xué)處理方法和物理紅外加熱蒸烤的方法來(lái)減少物理光熱的老化作用[11]。而桐油作為一種天然防水材料，獲取方便，在竹木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[12]，但是針對(duì)其能否減緩抗老化性能衰減尚不清楚。因此，研究桐油對(duì)竹材抗老化性能的影響，提高竹結(jié)構(gòu)的使用壽命有著重要意義。

筆者通過(guò)研究竹材的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗拉彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)，比較桐油處理過(guò)的試件與未處理試件在WCAMA 6循環(huán)加速老化試驗(yàn)[13]過(guò)程中變化規(guī)律，以6輪老化試驗(yàn)后力學(xué)指標(biāo)的平均保留率作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量桐油處理對(duì)竹材抗老化性能的影響。

1材料與方法

1.1試件材料及制作

試驗(yàn)采用的金竹（Phyllostachys parvifolia）和楠竹（Phyllostachys pubescens）由甘蔭塘建筑竹材市場(chǎng)提供。竹齡為2～3 a，管徑均約80 mm。在同一批次不少于1 000株的樣竹中分散選取具有代表性且無(wú)缺陷的竹子，試件取自于竹子的中部平直段。根據(jù)《建筑用竹材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》JG/T 199—2007[14]規(guī)定，由下部到上部在同一竹材上按順序編號(hào)截取。沿環(huán)向截取試件時(shí)，將相鄰的3個(gè)竹片試件制作成為一個(gè)相應(yīng)對(duì)照組，編號(hào)“1”作為對(duì)照試件，不參與老化試驗(yàn)，編號(hào)“2”的試件做桐油浸泡處理，編號(hào)“3”作為未做作桐油處理的試件，其中編號(hào)“4”的試件作為補(bǔ)償試件，按批次編號(hào)。試件毛坯截取方式如圖1所示。

順紋抗拉及抗拉彈模試件：順紋抗拉試件制作成為330 mm×15 mm×t mm的試條，中間有效部位尺寸為60 mm×4 mm×t mm，其中t為試件的厚度。每個(gè)老化周期測(cè)定6塊試件，測(cè)定值取平均值，共制作48塊試件，其中的12塊做補(bǔ)償試件，2種竹材，總計(jì)96個(gè)試件，每處理方法一致（圖2）。

順紋抗壓試件：順紋抗壓強(qiáng)度試件制作成15 mm×

15 mm×t mm的試條，同樣每個(gè)老化周期測(cè)定6塊試件取平

均值，每個(gè)力學(xué)指標(biāo)試件制作48塊試件，其中12塊作為補(bǔ)償試件用于對(duì)不同階段破壞試件進(jìn)行替換，共96個(gè)試件。

順紋抗壓彈性模量試件：將試件制作成為60 mm×15 mm×t mm的試條；其中t為試件的厚度。同樣每個(gè)老化周期測(cè)定6塊試件，測(cè)定值取平均值，每個(gè)力學(xué)指標(biāo)試件制作48塊試件，其中12塊作為補(bǔ)償試件，用于對(duì)不同階段破壞試件進(jìn)行替換。2種竹材共96個(gè)試件，每組處理方法一致。

試件2個(gè)弦面保留竹青和竹黃原樣，并對(duì)試件編號(hào)、分組、記錄后在自然條件下汽干，含水量10%～18%；然后把每個(gè)對(duì)照組中需要做桐油處理的試件分離出來(lái)，用桐油浸泡處理72 h，真空度9.33 kPa，養(yǎng)護(hù)干燥后待用。經(jīng)過(guò)桐油浸泡處理后，將其置于光照條件良好的通風(fēng)壞境下養(yǎng)護(hù)干燥，試件之間不得堆疊和相互遮擋，環(huán)境溫度保持在（25±2）℃，相對(duì)濕度63%±15%，自然條件下不滿足時(shí)，采用恒溫恒濕保養(yǎng)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)干燥。

1.2試驗(yàn)原理和方法

WCAMA 6循環(huán)老化法[13]的試驗(yàn)原理是通過(guò)不斷改變竹材的環(huán)境溫度和濕度，使竹材不斷吸濕解析，體積不斷膨脹，干燥過(guò)程中隨著溫度的升高，竹材細(xì)胞干縮失水，使分子由大變小，破壞其分子鍵。隨著試驗(yàn)周期的推移，竹材在吸脹干縮的循環(huán)應(yīng)力作用下，材料抵抗破壞能力逐漸降低，最終達(dá)到完全破壞。其處理過(guò)程：浸泡竹材試件（圖3a）→煮沸竹材試件（圖3b）→竹材試件的干燥（圖3c）→養(yǎng)護(hù)調(diào)質(zhì)處理（圖3d）。WCAMA老化法分6個(gè)周期進(jìn)行，每一循環(huán)的具體步驟：①冷水浸泡30 min，溫度為19～27 ℃，真空度9.33 kPa；②沸水煮3 h；③干燥（105 ℃）20 h。每一周期需時(shí)23.5 h，共需時(shí)141 h。

2結(jié)果與分析

2.1順紋抗拉強(qiáng)度

在拉伸試驗(yàn)中，若試件破壞時(shí)的試件斷裂位置不在試件有效部位，則該試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)予以舍棄，采用補(bǔ)償試件數(shù)據(jù)?？紤]不同含水率對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄進(jìn)行含水率（12%）修正后抗拉強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，在經(jīng)過(guò)WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)后，與對(duì)照組比較，2種竹材雖然在各循環(huán)周期內(nèi)抗拉強(qiáng)度值局部出現(xiàn)波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，表明WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)對(duì)竹材產(chǎn)生了老化作用。2種竹材比較，抗拉強(qiáng)度存在明顯差異，金竹抗拉強(qiáng)度大于楠竹，主要是由2種竹材的生長(zhǎng)環(huán)境存在差異及竹材自身基體和維管束排列順序、數(shù)量不同等因素引起。從循環(huán)后與對(duì)照組比值獲得的保留率[7]可以看出，桐油處理竹材的抗拉強(qiáng)度保留率比未經(jīng)桐油處理的要低，也說(shuō)明桐油處理對(duì)竹材抗抗拉強(qiáng)度性能提升作用不明顯。

2.2順紋抗拉彈性模量

順紋抗拉彈性模量試驗(yàn)中，在測(cè)定試件順紋抗拉彈性模量時(shí)，通過(guò)微控電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾式應(yīng)變計(jì)測(cè)量變形，可通過(guò)計(jì)算機(jī)操作界面觀察試驗(yàn)力與變形的關(guān)系，得出試驗(yàn)力-變形曲線，換算出彈性模量值，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，2種竹材對(duì)照組彈性模量整體表現(xiàn)較均勻，說(shuō)明竹材的材料屬性較穩(wěn)定，在未參與老化前，金竹抗拉彈性模量值為20.07 GPa，楠竹抗拉彈性模量值為13.39 GPa；金竹抗拉彈性模量值明顯比楠竹高，主要是由2種竹材自身形狀、維管束排列差異、生長(zhǎng)環(huán)境不同等因素引起。同時(shí)，經(jīng)過(guò)WCAMA 6輪老化試驗(yàn)后，從彈性模量變化值可知，2種竹材在各循環(huán)周期中彈性階段變形差異不明顯，桐油處理與未經(jīng)桐油處理的竹材的抗拉彈性模量值較為接近。6輪循環(huán)后的竹材抗拉彈性模量的平均保留率均比較高，表明桐油處理對(duì)提高2種竹材的抗拉彈性模量效果不明顯，老化試驗(yàn)對(duì)2種竹材的彈模削弱也不明顯。

2.3順紋抗壓強(qiáng)度

利用金竹、楠竹2種竹材制作的抗壓強(qiáng)度試件研究桐油處理與未經(jīng)桐油處理在WCAMA 6循環(huán)老化過(guò)程中對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響，確定桐油處理對(duì)竹材的抗壓強(qiáng)度是否有明顯影響。同樣，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，考慮不同含水率對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄進(jìn)行含水率（12%）修正后取該組試驗(yàn)平均值，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，在經(jīng)過(guò)WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)后，2種竹材的桐油處理和未經(jīng)桐油處理與對(duì)照組比較，其抗壓強(qiáng)度得到一定提升，說(shuō)明加速老化的濕熱環(huán)境提高了竹材抗壓強(qiáng)度。然而，通過(guò)6輪循環(huán)完成后橫向?qū)Ρ鹊谋Ａ袈?，可以看出桐油處?種竹材的抗壓強(qiáng)度比未經(jīng)桐油處理提高更為顯著，表明桐油處理對(duì)竹材參與WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度有提升作用。另外2種竹材比較，抗壓強(qiáng)度仍存在明顯差異，楠竹抗壓強(qiáng)度均大于金竹。

2.4順紋抗壓彈性模量

測(cè)定試件順紋抗壓彈性模量，采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)循環(huán)加載，DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀采集系統(tǒng)設(shè)置為連續(xù)采樣，以每間隔1 s記錄1次應(yīng)變值，可測(cè)得試件的時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系曲線，整理得出抗壓彈性模量平均值（表4）。

由表4可知，在經(jīng)過(guò)WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)中，金竹在各循環(huán)周期內(nèi)抗壓彈性模量變化波動(dòng)較大，但與對(duì)照組相比，各循環(huán)周期內(nèi)的2種參與循環(huán)的試件抗壓彈性模量均有所降低，表明加速老化對(duì)竹材產(chǎn)生了老化效果。6輪循環(huán)完成后，金竹的桐油處理試件比未經(jīng)桐油處理試件的抗壓彈性模保留率要低，表明在WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)過(guò)程中，桐油處理不僅未起到增強(qiáng)抗壓彈模的作用，反而削弱了竹材的抗壓彈性模量，使得其彈性階段抵抗變形能力減弱。桐油處理對(duì)竹材的抗壓彈性模量未起到提高作用，該指標(biāo)作為抗老化性能指標(biāo)并未達(dá)到預(yù)期效果。

3結(jié)論

（1）對(duì)于金竹和楠竹2種不同竹材而言，4種力學(xué)指標(biāo)中，金竹的平均抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量比楠竹要高，這與竹材維管束排列差異、生長(zhǎng)環(huán)境及材料性質(zhì)相關(guān)。

（2）根據(jù)2種竹材在參與WCAMA 6循環(huán)老化試驗(yàn)后的保留率可知，桐油對(duì)竹材的抗壓強(qiáng)有較大提升，而對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量有一定削弱作用，對(duì)抗拉彈性模量影響不明顯，說(shuō)明桐油在老化環(huán)境中使部分力學(xué)性能獲得較高的保留率，對(duì)提高竹材抗老化性有一定的作用。桐油處理竹材抗壓強(qiáng)度提升明顯，這有助于提高應(yīng)用在蔬菜大棚中的軸向受力竹拱結(jié)構(gòu)的承載力。

（3）在實(shí)驗(yàn)室模擬干濕熱老化條件與自然環(huán)境下的老化相比是有差異的，4種力學(xué)性能指標(biāo)改變的差異性也揭示了還有更多其他因素影響著竹材的老化性，這有待后期探究。

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