水分影響竹材力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

陳 琦，陳美玲，費(fèi)本華

(國際竹藤中心，國家林業(yè)局/北京市竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102)

隨著木材資源的枯竭和以竹代木等政策的推廣，竹子因其比強(qiáng)度高、韌性好、性能穩(wěn)定等力學(xué)優(yōu)勢(shì)而越來越廣泛的被應(yīng)用在建筑材料、房屋結(jié)構(gòu)、裝飾材料等領(lǐng)域[1-4]。水分貫穿于竹材的整個(gè)生命周期，從形成過程到后期的加工、制備、使用等，水分都起著重要的作用。論文從含水率和環(huán)境濕度2個(gè)方面綜述國內(nèi)外關(guān)于水分對(duì)竹材力學(xué)性能影響的現(xiàn)狀。

1 含水率對(duì)竹材多尺度力學(xué)性能的影響

含水率是竹材力學(xué)性能的重要影響因素，不同含水率的竹材，其力學(xué)性能沒有可比性[5]，因此許多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此做出明確規(guī)定。《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[6]中規(guī)定，在測試某些力學(xué)性能(順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋比例極限應(yīng)力等)時(shí)，試樣含水率應(yīng)為12%，若含水率在5%～30%范圍內(nèi)則需要考慮含水率修正系數(shù)。竹材的應(yīng)用方式不同，含水率的要求也不同?！斗墙Y(jié)構(gòu)用竹集成材》[7]要求在5%～15%；《結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板》[8]中要求低于14%；《竹編膠合板》[9]中規(guī)定含水率要低于15%；《竹地板》[10]要求在6%～15%；《竹木復(fù)合層積地板》[11]則要求在6%～14%。竹材是一種多級(jí)結(jié)構(gòu)的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，為了深刻理解含水率對(duì)竹材力學(xué)性能影響的本質(zhì)，需要開展從宏觀到微觀水平的完整力學(xué)測試和研究體系[12-13]。

1.1 含水率對(duì)竹材宏觀力學(xué)的影響

含水率對(duì)竹材的大多數(shù)力學(xué)指標(biāo)有影響，但是不同力學(xué)指標(biāo)的影響程度不同。王漢坤[12]研究了不同含水率對(duì)竹材順紋抗壓、順紋拉伸、順紋抗剪和彎曲強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，除了順紋抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加呈線性減小，剩下的3個(gè)力學(xué)指標(biāo)均呈減小-(增加)-平穩(wěn)-減小的變化趨勢(shì)。含水率對(duì)4個(gè)力學(xué)指標(biāo)的影響程度存在顯著差異，含水率從5%到飽水狀態(tài)，下降最多的是順紋抗壓強(qiáng)度，其次是順紋抗剪強(qiáng)度、順紋拉伸彈性模量，彎曲模量下降最少。通過電鏡觀察2種含水率的竹材的破壞模式發(fā)現(xiàn)，飽水狀態(tài)下的纖維細(xì)胞斷裂后其分離表面整潔，薄壁細(xì)胞之間的間隙分離；但氣干狀態(tài)下的纖維細(xì)胞斷裂后其分離面有大量的纖絲殘留，薄壁細(xì)胞本身斷裂。

在研究含水率對(duì)竹材力學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，這一影響常常受其他因素的耦合作用，其中影響較大的是竹材的密度或比重。王漢坤等[14]在研究含水率對(duì)竹材的順紋抗壓強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，含水率的增加會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。但竹材本身的密度會(huì)削弱含水率的這一作用，因?yàn)槊芏容^大的竹材，其從氣干到飽水降幅較小，所以其性能更趨于穩(wěn)定。因此，構(gòu)建了以基本密度和含水率為組合變量的抗壓強(qiáng)度模型，擬合度達(dá)到0.949 6。Wakchaure等[15]認(rèn)為不同比重的竹材的含水率對(duì)力學(xué)性能的影響是沒有可比性的。

竹種不同，含水率對(duì)其力學(xué)性能的影響不同。關(guān)明杰[16]測定了含水率對(duì)黃竹、龍竹、甜竹和毛竹的抗彎彈性模量的影響。結(jié)果表明，隨著含水率的增加，4種竹材的彎曲模量都下降，但是下降最多的是甜竹，最少的是毛竹。作者對(duì)含水率和抗彎強(qiáng)度模量關(guān)系進(jìn)行了曲線擬合，認(rèn)為抗彎模量發(fā)生轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵點(diǎn)即為竹材的纖維飽和點(diǎn)。Jakovljevic′ S等[17]研究了自行車用的2種竹材(青籬竹、苦竹)分別在干、濕2種狀態(tài)下放置21 d后的拉伸、壓縮、彎曲性能的變化，結(jié)果表明試樣的質(zhì)量并沒有發(fā)生太大的變化，但是低含水率竹材的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度明顯更大。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，含水率對(duì)青籬竹的拉伸性能影響較小，對(duì)苦竹拉伸性能影響較大。Chung等[18]研究了撐篙竹和毛竹的抗壓性能和抗彎性能隨含水率的變化。含水率在5%以下時(shí)，性能不發(fā)生太大的變化；含水率在5%～30%的范圍內(nèi)，除了毛竹的彎曲強(qiáng)度不受影響外，其他力學(xué)性能均呈線性下降；此后含水率的變化對(duì)2種竹材的力學(xué)性能影響不大。因此，在進(jìn)行實(shí)際的工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要參考竹材最高含水率時(shí)的力學(xué)測試值。

竹齡的不同也會(huì)導(dǎo)致含水率對(duì)竹材力學(xué)性能的影響程度不同。江澤慧等[19]研究了0.5、1.5、2.5、4.5年生的竹材的力學(xué)性能隨含水率增加的變化趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，年齡較小的竹材的剪切強(qiáng)度受含水率的影響較大。王漢坤[12]認(rèn)為含水率對(duì)竹材的力學(xué)性能的影響可以按照竹齡劃分為2個(gè)階段，0.5 a內(nèi)的竹材，其細(xì)胞只有物理形態(tài)，沒有化學(xué)成分填充，所以主要是結(jié)構(gòu)影響；0.5 a后，細(xì)胞壁化學(xué)成分逐漸形成，在1.5 a后達(dá)到穩(wěn)定，此后便主要是化學(xué)成分的影響。關(guān)明杰[16]的研究結(jié)果表明不同竹齡的竹材的纖維飽和點(diǎn)不同，因此其力學(xué)性能的拐點(diǎn)也不同。

當(dāng)竹材的不同立地高度不同時(shí)，其含水率對(duì)力學(xué)性能的影響程度也不同。Wakchaure等[15]研究了竹材的上、中、下3個(gè)部分在放置1、6、12個(gè)月后含水率和力學(xué)性能的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)上部分的竹材的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減少，這一變化在無節(jié)材中體現(xiàn)得更明顯。而含水率對(duì)中、下部分的竹材沒有顯著影響。Xu等[20]為了研究雨水對(duì)竹腳架的力學(xué)性能的影響，取圓竹的上、中、下3個(gè)部分分別在水中浸泡0、1、7 d測試其含水率及壓縮強(qiáng)度、縱向剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及斷裂韌性的變化。結(jié)果表明含水率從12%到其纖維飽和點(diǎn)30%，所有性能的均下降。處在竹材頂端部位的竹材因其纖維含量更高，所以強(qiáng)度更高。作者認(rèn)為含水率之所以會(huì)影響拉伸強(qiáng)度是因?yàn)橹癫奈篌w積變大，從拉伸的計(jì)算公式可以判斷，體積增大，拉伸強(qiáng)度會(huì)減小。研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)竹節(jié)對(duì)竹材強(qiáng)度的下降有一定的抑制作用，因?yàn)楣?jié)子會(huì)阻止水分的擴(kuò)散。綜上所述，含水率對(duì)竹材的力學(xué)性能的影響還受竹材的密度、竹齡、立地高度等其他因素的協(xié)同作用，因此在考察含水率的影響時(shí)，應(yīng)盡量控制其他參數(shù)，得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，大規(guī)格的竹材如竹屋、竹管道、竹角架等應(yīng)用越來越廣泛，需加大對(duì)大規(guī)格竹材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為理論分析和數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

1.2 含水率對(duì)竹材微觀力學(xué)性能的影響

竹纖維是竹子的主要承重單元，因此學(xué)者們研究了含水率對(duì)竹纖維力學(xué)性能的影響。王漢坤等[21]研究了含水率變化對(duì)單根竹材纖維縱向拉伸的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明含水率從5%增至26%，竹纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量呈線性下降，但是斷裂伸長率出現(xiàn)了小幅度的增加。Yuyan等[22]也得出相似的結(jié)果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率低于10.8%時(shí)，拉伸強(qiáng)度對(duì)水分的變化不敏感。葉靜遠(yuǎn)等[23]測試了竹漿纖維在干、濕2種狀態(tài)下的力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干纖維的拉伸斷裂比強(qiáng)度大于濕纖維，但是濕纖維的抗塑性變形能力更好。

考慮到竹材是一種具有從納米到宏觀尺度的精巧分級(jí)結(jié)構(gòu)的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[13]，在納米尺度上，學(xué)者們研究了纖維細(xì)胞壁的力學(xué)性能與含水率的關(guān)系。Wang等[24]利用納米壓痕技術(shù)研究了含水率變化對(duì)竹材纖維細(xì)胞壁的力學(xué)性能的影響。隨著含水率的增加，細(xì)胞壁的S2層的壓入模量、硬度下降，而壓入深度和殘余變形增加。Youssefian等[25]在進(jìn)行納米壓痕測試時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓痕平行于纖維素微纖絲時(shí)，彈性模量先增大后減小；但當(dāng)壓痕垂直于纖維素微纖絲時(shí)，彈性模量隨含水率的增加線性下降。

竹材與木材的化學(xué)成分相似，主要由天然高分子聚合物纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成[26]。許多學(xué)者研究了木材中三大素的力學(xué)性能與含水率的關(guān)系，而關(guān)于竹材的研究較少。在對(duì)木材的研究中發(fā)現(xiàn)，有序排列的纖維素是不吸水的[27]，但是纖維素中的無定形區(qū)仍然會(huì)與水分發(fā)生相互作用。Xu等[20]推測含水率對(duì)竹材纖維素力學(xué)性能的影響大于木質(zhì)素，因?yàn)閴嚎s和剪切強(qiáng)度受纖維素影響，拉伸強(qiáng)度受木質(zhì)素影響，而含水率的變化對(duì)壓縮和剪切強(qiáng)度影響更大。Zhang等[28]也測試了竹材的微纖化纖維素的力學(xué)性能隨含水率從0～60%的變化，結(jié)果表明其拉伸強(qiáng)度和楊氏模量下降，但是斷裂伸長率增加。Youssefian等[25]研究了竹材半纖維素、木質(zhì)素以及木素-碳水化合物復(fù)合體(LigninCarbohydrateComplex,簡稱LCC)的彈性模量與含水率的關(guān)系。結(jié)果表明木質(zhì)素與LCC的彈性模量隨著含水率的增加先增加后減少，而半纖維素的彈性模量線性降低。作者采用分子力場(Compass)模擬了水分子與3種物質(zhì)之間的相互作用，得出了水分與3種物質(zhì)之間的徑向分布函數(shù)。結(jié)果表明，雖然半纖維素的羥基數(shù)量更多，但是因其主要分布在主鏈或環(huán)上，不易與水分子結(jié)合，而木質(zhì)素的羥基雖然數(shù)量少，但主要存在于支鏈上，所以更易于水分子發(fā)生結(jié)合。作者還計(jì)算了3種物質(zhì)隨著含水率增加的自由體積變化，自由體積理論認(rèn)為固體物質(zhì)的體積由2部分組成，一部分是有分子占據(jù)的體積，一部分是沒有分子占據(jù)的自由體積，因?yàn)橛凶杂审w積的存在，分子鏈才能發(fā)生運(yùn)動(dòng)。自由體積的計(jì)算結(jié)果表明，半纖維素的自由體積隨含水率的增加線性增加，自由體積的增加導(dǎo)致體系中的空白部分增加，所以彈性模量下降，這與彈性模量的測試結(jié)果一致。此外，木質(zhì)素與LCC的自由體積是先減小后增加的。作者認(rèn)為在含水率較低時(shí)(低于10%)，水分子和竹材的結(jié)合形成氫鍵，因而體系的自由體積減少，而后含水率的增加，水分子更傾向與自己結(jié)合，在材料內(nèi)部形成納米水珠，自由體積增加。但是曹金珍[29]從介電弛豫和熱力學(xué)角度出發(fā)，研究木材的水分吸著過程發(fā)現(xiàn)，含水率較低時(shí)，水分子主要是與自己結(jié)合，隨著吸著的繼續(xù)，含水率進(jìn)一步增加，水分子才會(huì)逐漸與木材結(jié)合。多尺度的研究含水率對(duì)竹材力學(xué)性能的影響仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，深入開展相關(guān)研究能從根本上揭示竹材與水分之間的相互作用機(jī)理。

2 含水率對(duì)竹材黏彈性力學(xué)的影響

竹材作為一種生物質(zhì)高分子聚合物材料，其力學(xué)性能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，竹材這種應(yīng)力-應(yīng)變的時(shí)間依存性即為黏彈性。對(duì)竹材黏彈性而言，含水率是一個(gè)重要的影響因素，許多學(xué)者研究了含水率對(duì)竹材黏彈性中的蠕變性能的影響。張曉敏等[30]研究了不同含水率竹材徑向壓縮時(shí)的蠕變行為，結(jié)果表明其蠕變形為可以用“勃格模型”準(zhǔn)確模擬，且勃格四元參數(shù)(瞬時(shí)彈性模量、延時(shí)彈性模量、黏彈性系數(shù)、黏性系數(shù))均隨含水率的增加而減小。因?yàn)樗质悄举|(zhì)素的增塑劑，可使木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，因此含水率增加時(shí)，材料的變形增加。涂道伍等[31-32]研究了竹材橫紋壓縮的蠕變行為，結(jié)果與張曉敏的幾乎一致。認(rèn)為水分會(huì)進(jìn)入竹材的高分子的分子鏈之間，減弱分子間的結(jié)合力，切斷氫鍵結(jié)合，使分子鍵相互錯(cuò)位變得更容易。此外，水分還能起到潤滑劑的作用，使纖維素分子鏈更易滑移。Yuyan等[22]研究了單根纖維不同含水率時(shí)的蠕變行為。結(jié)果表明，含水率從7.5%增至10.2%，材料的蠕變陡增，而后含水率的增加不再引起蠕變的變化。葉遠(yuǎn)靜等[23]發(fā)現(xiàn)濕竹漿纖維的抗蠕變性能和抗應(yīng)力松弛比干竹漿纖維好。而在含水率循環(huán)變化過程中，馬欣欣等[33]發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，竹材的相對(duì)蠕變的增量逐漸減少。

除了蠕變外，學(xué)者們還研究了含水率對(duì)竹材松弛和阻尼的影響。涂道伍等[34]研究了含水率對(duì)竹材的橫紋壓縮的應(yīng)力松弛，采用了五元的Maxnell流變模型擬合了一定應(yīng)變水平下不同含水率的應(yīng)力松弛。結(jié)果表明隨著含水率的增加，5個(gè)元件參數(shù)(2個(gè)衰變彈性系數(shù)、平衡彈性、2個(gè)阻尼體粘滯系數(shù))呈線性下降。因?yàn)樗智袛嗔酥癫姆肿娱g的氫鍵結(jié)合，使分子更易滑動(dòng)，促進(jìn)了應(yīng)力松弛。Shioya等[35]研究表明竹材的阻尼比隨含水率的增加呈先保持平穩(wěn)后增加的趨勢(shì)，這說明隨著水分增加，竹材在震動(dòng)過程中的能耗增加。

3 含水率對(duì)竹材加工性能的影響

纖維飽和點(diǎn)下時(shí)，含水率的增加會(huì)使竹材的各項(xiàng)力學(xué)性能下降，但是往往使竹材的加工變得更容易。Matan等[36]研究了不同的含水率對(duì)竹材軟化行為的影響，結(jié)果表明纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，含水率升高會(huì)降低竹材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；纖維飽和點(diǎn)以上，細(xì)胞腔中的水分對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度沒有影響。黃夢(mèng)雪[37]也得出相似的結(jié)果，同時(shí)得出從竹青到竹黃，降幅增大。作者認(rèn)為含水率增加，半纖維素降解，水分子更易進(jìn)入毛竹纖維的無定形區(qū)使纖維膨脹，因而纖維素分子之間的相互移動(dòng)變得更容易，所以彈性模量降低，竹材塑性增加，玻璃化溫度降低[38]。但并不是所有學(xué)者都認(rèn)為含水率只在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)對(duì)竹材的加工性能起作用，Parkkeeree等[39]研究了不同含水率(0%，12%，46%)下的竹材的展平率及所需的展平溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含水率越高，展平率越大，且需要的展平溫度越低。楊永福等[40]研究不同含水率對(duì)竹材的切削力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在纖維飽和點(diǎn)(30%～35%)以下時(shí)，竹材的主切削力隨著含水率的增加逐漸增加，但在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，主切削力隨著含水率的增加緩慢下降，說明水分在竹材中的軟化作用逐漸明顯。王寶金[41]也發(fā)現(xiàn)含水率增加時(shí)，節(jié)間切削阻力減小,而節(jié)部切削阻力變化不大因此。水分能使竹材加工性能變好，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中，設(shè)定含水率參數(shù)時(shí)不僅要滿足性能的需要，還要考慮環(huán)境、能耗等因素，從而提高竹材的加工性能。

4 環(huán)境濕度對(duì)竹材力學(xué)性能的影響

在研究含水率對(duì)竹材力學(xué)性能的影響時(shí)，學(xué)者們往往將其視為一個(gè)定值，但是因?yàn)橹癫木哂形鼭裥?，其?nèi)部的含水率會(huì)隨著環(huán)境濕度的變化而變化，這時(shí)竹材的含水率就不再是一個(gè)定值，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。學(xué)者們認(rèn)為竹材的含水率與環(huán)境濕度呈明顯的函數(shù)。Hamdan等[42]根據(jù)“Hailwood-Horrobin”吸濕理論，得出了竹材的平衡含水率與環(huán)境相對(duì)濕度的模型，該模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最大偏離0.4%。王漢坤等[21]將單根竹纖維的含水率與環(huán)境濕度進(jìn)行擬合，得到了一個(gè)三階函數(shù)，相關(guān)系數(shù)R2=0.948 3。正因?yàn)榄h(huán)境濕度與竹材的含水率之間存在較明顯的函數(shù)關(guān)系，因而只有少數(shù)學(xué)者研究了環(huán)境濕度與竹材力學(xué)性能的影響。Askarinejad等[43]測試了環(huán)境濕度變化對(duì)圓竹筒扭轉(zhuǎn)力的影響。扭轉(zhuǎn)過程的剪切強(qiáng)度和剪切模量隨著濕度的增加先增加后減小，分析原因是因?yàn)闈穸仍黾?，竹材的軟化行為增加。馬欣欣等[33]的研究結(jié)果表明竹材在解析狀態(tài)下的蠕變速率高于吸濕狀態(tài)，且變濕條件下的蠕變撓度大于恒濕條件。環(huán)境濕度影響竹材力學(xué)性能的研究較少，已有的研究也并未考慮到材料的干縮濕脹和水分應(yīng)力差引起的應(yīng)力問題等，且還沒有關(guān)于濕度變化過程中竹材力學(xué)性能的實(shí)時(shí)檢測的研究，因此有待進(jìn)一步加大研究力度。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，通過學(xué)者們多年的研究，關(guān)于水分對(duì)竹材力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理有一定程度的了解，但是隨著以竹代木和生態(tài)文明建設(shè)等政策的推進(jìn)，竹材在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，而水分與竹材的相互作用還有很多關(guān)鍵點(diǎn)有待研究：大規(guī)格竹材的應(yīng)用越來越廣泛，需加大對(duì)大規(guī)格竹材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為理論和數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)；斷裂力學(xué)是工程領(lǐng)域十分重要的力學(xué)組成部分，但是水分對(duì)竹材斷裂力學(xué)的影響及其作用機(jī)理的研究很少，尚需開展相關(guān)研究；深入研究含水率對(duì)竹材多尺度力學(xué)性能的影響能從根本上揭示竹材與水分之間的相互作用機(jī)理；環(huán)境濕度對(duì)竹材力學(xué)性能影響應(yīng)考慮到材料的干縮濕脹和水分應(yīng)力差引起的應(yīng)力問題等，且應(yīng)建立濕度變化過程中竹材力學(xué)性能的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。

目前，竹材在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用均處于快速成長的階段，充分、系統(tǒng)的研究竹材力學(xué)性能與水分之間的關(guān)系有助于進(jìn)一步拓寬竹材的應(yīng)用范圍，提升竹材的應(yīng)用水平。