毛竹實(shí)生苗物理力學(xué)性質(zhì)的研究

徐海琉王 聰楊 東俞友明*

毛竹實(shí)生苗物理力學(xué)性質(zhì)的研究

徐海琉1王 聰2楊 東2俞友明1*

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)，臨安 311300；2.浙江省木雕紅木家具產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，東陽 322100）

以材性優(yōu)異且同樣條件下種植的當(dāng)?shù)乇奚駷閰⒈?，研究了毛竹?shí)生苗竹材的物理力學(xué)性能。結(jié)果表明，毛竹實(shí)生苗竹材的氣干密度為0.617 g/cm3，小于鞭生竹的氣干密度(0.662 g/cm3)；全干密度為0.562 g/cm3，小于鞭生竹的全干密度（0.607 g/cm3）；氣干或全干時(shí)，毛竹實(shí)生苗的干縮率均小于鞭生竹；除順紋抗拉強(qiáng)度外，毛竹實(shí)生苗的順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均低于鞭生竹。因此，毛竹實(shí)生苗具有較高的強(qiáng)重比，相比鞭生竹材，具有密度較低、干縮率較小、力學(xué)強(qiáng)度性能良好的特點(diǎn)。

實(shí)生苗；毛竹；物理力學(xué)性質(zhì)

與樹木比較，竹子生長快、輪伐期短，竹材的生產(chǎn)利用具有很大的發(fā)展空間。我國竹材利用最廣的是毛竹(Phyllostachys pubescens)，是材質(zhì)最好、用途多、分布廣的優(yōu)良竹材品種。但是，我國毛竹造林技術(shù)一直采用幾千年來傳統(tǒng)的母竹移植法，造林成本高、運(yùn)輸不便等因素制約著毛竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。毛竹實(shí)生苗造林是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一項(xiàng)造林新技術(shù),經(jīng)過30多年的實(shí)踐,毛竹實(shí)生苗造林以其成本低、種苗運(yùn)輸方便、適宜大面積造林等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速推廣[1]。竹材的物理力學(xué)性質(zhì)是竹材主要的質(zhì)量指標(biāo)，了解竹材的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)竹材的有效利用有重要的實(shí)際意義。目前關(guān)于毛竹實(shí)生苗物理力學(xué)性質(zhì)的研究還處于空白，本文研究了毛竹實(shí)生苗的竹材密度、干縮性、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗剪切強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度等相關(guān)性能指標(biāo)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)刂癫馁Y源的高效利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試材采集

2015年7月，在安徽省霍山縣的竹林中采集5年生毛竹實(shí)生苗（種子由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶從安徽省金寨縣引進(jìn)）和當(dāng)?shù)夭男詢?yōu)異且同樣條件下種植的鞭生毛竹各4株，要求竹子生長正常，無病蟲害，胸徑差異不大，平均值10 cm。取材時(shí)砍口齊地，從砍口向上取2 m，編號(hào)。試材基本性狀見表1。

表1 試驗(yàn)用毛竹實(shí)生苗與鞭生竹特點(diǎn)

1.2 試件加工

1.2.1 試件鋸截部位

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容要求，將試件從基部平均鋸成3段，分別編號(hào)。為了保證各種試件取自相對(duì)一致的位置，將圓筒剖開，對(duì)稱取材，各制作48個(gè)試件,每一段試材自基部至上部按下列順序截取試件：氣干密度試件、全干密度試件、干縮性試件、順紋抗壓強(qiáng)度試件、順紋抗剪切強(qiáng)度試件、抗彎強(qiáng)度試件和順紋抗拉強(qiáng)度試件。

1.2.2 試件的規(guī)格與要求

試件端面應(yīng)相互平行,并與側(cè)面垂直。測定基本密度試件規(guī)格：10 mm×10 mm×t mm(t為竹壁厚)；測定干縮性試件規(guī)格：10 mm×10 mm×t mm；測定順紋抗壓強(qiáng)度試件規(guī)格：20 mm×20 mm×t mm；測定抗彎強(qiáng)度試件規(guī)格：160 mm×10 mm×t mm；測定順紋抗拉強(qiáng)度試件規(guī)格：280 mm×10 mm×t mm，破壞斷面為2 mm×t mm；順紋抗剪強(qiáng)度試件的制作規(guī)格詳見“GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》”[2]。

1.3 試驗(yàn)方法

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行竹材各項(xiàng)物理力學(xué)性能試驗(yàn)[2]。

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過統(tǒng)計(jì)分析模塊中的Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（取顯著性水平為0.05）[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度

密度是竹材重要的物理性質(zhì)，在很大程度上影響著竹材的力學(xué)性能，一般來說，竹材密度越大，其力學(xué)性能越好；作為材用竹，較大的力學(xué)強(qiáng)度是有利的，但密度過大也會(huì)降低產(chǎn)品的輕便優(yōu)勢[4-5]。竹材的密度同時(shí)對(duì)其人造板加工利用也有著重要作用，影響竹篾加工性能、施膠量以及熱壓成型過程中所需的時(shí)間、溫度和壓力[6]。由表2可知，毛竹實(shí)生苗氣干密度0.617 g/cm3,全干密度0.562 g/cm3；相同環(huán)境下生長的當(dāng)?shù)乇奚駳飧擅芏?.662g/cm3，全干密度0.607 g/cm3。相比鞭生竹，毛竹實(shí)生苗氣干密度低了7.29%，全干密度低了8.01%，說明毛竹實(shí)生苗相對(duì)鞭生竹材較為輕質(zhì)。

表2 毛竹實(shí)生苗與鞭生竹密度對(duì)比

表3 毛竹實(shí)生苗和鞭生竹密度方差分析

由表3可知，氣干密度、全干密度數(shù)據(jù)存在顯著性差異，說明鞭生、實(shí)生兩種不同的培育方式對(duì)竹材的密度影響較大。

2.2 干縮率

竹材在干燥過程中因失水而引起線向和體積的收縮，稱為竹材的干縮性[7]。木材的干縮濕脹特性是木材加工利用上的一大難題，它不僅改變木材的尺寸和體積，還會(huì)因干縮不均及干縮各向異性而引起竹材干裂、翹曲變形等缺陷。對(duì)竹材干縮性的研究，可以為其干燥工藝參數(shù)的調(diào)整和加工利用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)[8]。由表4可以看出，毛竹實(shí)生苗和鞭生竹材的干縮性表現(xiàn)為：弦向干縮率＞徑向干縮率＞縱向干縮率。毛竹實(shí)生苗徑向氣干干縮率為2.35%，弦向氣干干縮率為2.86%，縱向氣干干縮率為0.29%，均略低于鞭生竹（徑向氣干干縮率為2.47%、弦向氣干干縮率為2.94%、縱向氣干干縮率為0.38%）。毛竹實(shí)生苗徑向全干干縮率為3.72%，弦向全干干縮率4.70%，縱向全干干縮率為0.42%，同樣都低于鞭生竹（徑向全干干縮率3.95%、弦向全干干縮率5.60%、縱向全干干縮率0.51%）。

表4 毛竹實(shí)生苗和鞭生竹干縮性對(duì)比 %

表5 毛竹實(shí)生苗和鞭生竹材干縮率方差分析

由表5可知，除弦向全干干縮率外，其它5項(xiàng)干縮率數(shù)據(jù)都不存在顯著性差異，說明鞭生、實(shí)生兩種不同的培育方式，對(duì)竹材的徑向氣干干縮率、弦向氣干干縮率、縱向氣干干縮率、徑向全干干縮率及縱向全干干縮率均呈不顯著影響，對(duì)弦向全干干縮率影響顯著。

2.3 力學(xué)強(qiáng)度

竹材韌性強(qiáng)，可以承受壓力是其最廣泛的用途之一，因此抗壓強(qiáng)度是重要的力學(xué)特征之一。由表6可知，毛竹實(shí)生苗的順紋抗壓強(qiáng)度為51.42MPa，比鞭生竹抗壓性能（59.22 MPa）略低，比竹齡相當(dāng)?shù)募t殼竹（Phyllostachys iridescens 55.90 MPa）[9]強(qiáng)度略低，與松木（Pinaceae40～65MPa）和麻櫟（Quercus acutissima 50～70 MPa）等高強(qiáng)度木材相當(dāng)。這說明，如果采用毛竹實(shí)生苗竹材替代木材作為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，竹材抗拉強(qiáng)度越大,則以此為原料制成的竹板抗拉性就越強(qiáng)。一般來說,抗拉強(qiáng)度與竹材密度及竹纖維強(qiáng)度有著密切的關(guān)系,竹材密度、纖維強(qiáng)度越大,則其抗拉能力也就越強(qiáng)[10]。毛竹實(shí)生苗的順紋抗拉強(qiáng)度為161.90 MPa，比鞭生竹（158.50 MPa）略高；與木本植物黃山松（Pinus taiwanensis Hayata 101.80 MPa）[11]相比，優(yōu)勢較明顯?？辜魪?qiáng)度對(duì)原竹建筑尤其是建筑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度有較大的影響，毛竹實(shí)生苗的順紋抗剪強(qiáng)度為10.29 MPa，略小于鞭生竹（11.09 MPa），和椴木 Tilia amurensis、烏桕 Sapium sebiferum及側(cè)柏Platycladus orientalis等建筑用木材抗剪性能相當(dāng)。毛竹實(shí)生苗的抗彎強(qiáng)度為122.90 MPa，比鞭生竹（128.20 MPa）低 4.3%，毛竹實(shí)生苗的抗彎強(qiáng)度高于常用木質(zhì)建筑材料樹種，如馬尾松（70～90 MPa）[12-14]。

表6 毛竹實(shí)生苗與鞭生竹材的力學(xué)性能比較

由表7可知，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)存在顯著性差異，順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)不存在顯著性差異。這說明，鞭生、實(shí)生兩種不同的培育方式，對(duì)竹材的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度影響顯著，對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度及順紋抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。

表7 毛竹實(shí)生苗和鞭生竹材力學(xué)強(qiáng)度方差分析

3 結(jié)論

3.1 毛竹實(shí)生苗竹材的氣干密度為0.617 g/cm3，全干密度為0.562 g/cm3，相比鞭生竹材更為輕質(zhì)。

3.2 毛竹實(shí)生苗的干縮率特性表現(xiàn)為：弦向＞徑向＞縱向，各向干縮率均小于鞭生竹材，表明毛竹實(shí)生苗的尺寸穩(wěn)定性較高，在運(yùn)輸與干燥過程中不易發(fā)生翹曲與干裂等材質(zhì)缺陷。

3.3 毛竹實(shí)生苗順紋抗壓強(qiáng)度為51.42 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度為161.90MPa，順紋抗剪強(qiáng)度為10.29MPa，抗彎強(qiáng)度為122.90 MPa；除順紋抗拉強(qiáng)度外，順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度3項(xiàng)指標(biāo)均略低于鞭生竹材。總體來說，毛竹實(shí)生苗具有較高強(qiáng)重比，從力學(xué)性能上看，可考慮將其用作竹板材原料。

［1］ 董敦義.毛竹實(shí)生苗發(fā)育規(guī)律研究［D］.南京∶南京林業(yè)大學(xué),2005.

［2］ 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第一編輯室.木材工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［3］ 孔告化,何銘,胡國雷.概率統(tǒng)計(jì)與隨機(jī)過程［M］.北京：人民郵電出版社,2011.

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（責(zé)任編輯：潘啟英）

Study on Physico-mechanical Properties of Moso Bamboo Seedlings

XUHailiu

（Zhejiang A&F University,Lin′an 311300）

The wood physico-mechanical properties of themoso bambooseedlings were studied,comparing with the fine local whipmoso bamboos planted under the same conditions.The results showed that the air-dried density of themoso bamboo seedlings was 0.617 g/cm3,and the oven-dried density was 0.562 g/cm3,both lower than those of whipmoso bamboos(0.662 g/cm3and 0.607 g/cm3).Both the air-dried and oven-dried shrinkage of the moso bamboo seedlings were lower than those of whip moso bamboos.Except the tensile strength parallel to grain,the compression strength parallel to grain,the shearing strength parallel to grain and bending strength of the moso bamboo seedlings were all lower than those of whip moso bamboos.Therefore,the moso bamboo seedlings have a high ratio of strength to weight with the characteristics of lower density,lower dry shrinkage and good mechanical strength compared to whip moso bamboos.

Seedling;Moso bamboo;Physico-mechanical property

S795.9,S781.29

A

1001-9499（2017） 06-0005-04

第1作者簡介：徐海琉（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦筒牧吓c工程技術(shù)。

俞友明，博士，教授，主要從事木材復(fù)合材料方面的科研與教學(xué)工作。

2017-09-12