竹黃對(duì)毛竹材基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率1)

章怡 王冰冰 王傳貴

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036 )

竹材因其材質(zhì)堅(jiān)硬強(qiáng)韌，生長周期短，物理力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域[1-3]。竹材的基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度，是衡量其使用性能的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。然而在實(shí)際竹產(chǎn)品加工過程中，因?yàn)橹顸S組織疏松、質(zhì)地脆弱、力學(xué)強(qiáng)度低[4-6]通常被廢棄處理，加劇了竹資源的浪費(fèi)。近年來，國內(nèi)外對(duì)影響竹材物理力學(xué)性能因素的研究較多[7-11]，并且許多研究認(rèn)為：不同種竹材密度直接影響順紋抗壓性能[12]；毛竹不同徑向部位密度梯度對(duì)力學(xué)性能有不同影響[13]；維管束分布結(jié)構(gòu)直接影響順紋抗壓性能[14]；竹黃具有一定的順紋抗壓力學(xué)性能，可以被廣泛應(yīng)用到新型竹木復(fù)合材料中，提高竹資源的利用率[15]。但是，關(guān)于不同竹齡、不同高度的竹黃與基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度關(guān)系的研究較少。

為此，在借鑒已有研究[16-17]基礎(chǔ)上，本研究以采集的安徽省六安市金寨縣的毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)為研究對(duì)象，選擇節(jié)間長度在200 mm以上的8節(jié)竹間，加工出基本密度試件、順紋抗壓強(qiáng)度試件，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》，分別測試保留竹黃和去除竹黃的毛竹材基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度；以竹黃對(duì)竹材基本密度貢獻(xiàn)率、竹黃對(duì)竹材順紋抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同竹齡、不同高度竹黃對(duì)毛竹材的基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度的影響；旨在為將竹黃實(shí)際應(yīng)用于竹木復(fù)合材料、提高毛竹材的利用率、推動(dòng)竹質(zhì)資源可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料選用安徽省六安市金寨縣的1度竹(1～2年生)、2度竹(3～4年生)、3度竹(5～6年生)毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)試材各5株，每株從離地約1.5 m的整節(jié)處向上截取2 m長的竹段，從中選擇無明顯缺陷及竹青無損傷、節(jié)間長度在200 mm以上的8節(jié)竹間，從上往下進(jìn)行標(biāo)號(hào)(1～8)，將試件氣干至含水率12%～15%以供使用。

在竹環(huán)東西南北4個(gè)方向上對(duì)稱取樣，加工出8個(gè)尺寸為10 mm(長)×10 mm(寬)×t(竹壁厚度)的基本密度試件、8個(gè)20 mm(長)×20 mm(寬)×t(竹壁厚度)的順紋抗壓強(qiáng)度試件。按照國家專利CN103512884A《一種界定竹黃與竹肉界線的方法》[18]對(duì)1～6年生毛竹進(jìn)行劃分，竹黃為距離內(nèi)壁約20%的范圍，各取4個(gè)試件采用“逐級(jí)削減法”進(jìn)行刨削和打磨，去除竹黃[19]。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》[20]測定竹材力學(xué)性能，順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度為勻速5 mm/min。

為定量表征竹黃對(duì)竹材的影響程度，本研究定義“竹黃貢獻(xiàn)率”，竹黃貢獻(xiàn)率表示竹黃對(duì)于竹材性能的貢獻(xiàn)程度。竹黃的物理力學(xué)貢獻(xiàn)率計(jì)算方法：

竹黃對(duì)基本密度貢獻(xiàn)率=[(ρqcVqc-ρqhVqh)/(ρqcVqc)]×100%；ρqc為試件全材(整體)的基本密度，Vqc為試件全材(整體)的體積，ρqh為試件去除竹黃的竹材基本密度，Vqh為試件去除竹黃的竹材體積。

竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率=[(σqcSqc-σqhSqh)/(σqcSqc)]×100%；σqc為試件全材(整體)的順紋抗壓強(qiáng)度，Sqc為試件全材(整體)的受壓面截面積，σqh為試件去除竹黃的竹材順紋抗壓強(qiáng)度，Sqh為試件去除竹黃的竹材受壓面截面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹黃對(duì)竹材基本密度的貢獻(xiàn)率

對(duì)有無竹黃試件，將含水率調(diào)整至12%后，測定不同竹齡、不同高度的竹材基本密度(見表1)。由表1可見：去黃毛竹試件的基本密度小于未去黃的毛竹試件，說明竹黃對(duì)毛竹基本密度具有一定增強(qiáng)作用。對(duì)于不同竹齡，毛竹的基本密度隨著竹齡的增長而增大，其中1度竹毛竹與2度竹毛竹差異較大，而2度、3度竹毛竹差異并不明顯。對(duì)于同一竹齡內(nèi)的試件，毛竹的基本密度隨高度的增長整體呈上升趨勢，其中，毛竹竹黃的密度也隨高度增加呈增大趨勢。隨著竹干縱向部位的增高，竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率整體呈增大趨勢。

隨著竹齡和竹干縱向高度的增加，毛竹竹黃的密度均大于去竹黃試件密度，且在同一竹齡內(nèi)，竹黃的密度越大，竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率越大(見表1)。竹黃主要由多層薄壁細(xì)胞組成，胞壁增厚形成石細(xì)胞[21]，隨著竹齡和高度增大，胞壁相應(yīng)加厚[22]。冼杏娟等[23]研究表明，竹纖維(厚壁細(xì)胞)所占面積比例由內(nèi)層向外層逐漸增大。竹黃在毛竹材中比例較小，由表1可見，竹黃基本密度與去黃材試件基本密度之間的差異性并不顯著，所以毛竹竹黃對(duì)基本密度的影響并不大。

表1 不同竹齡、不同高度的竹材基本密度

2.2 竹黃對(duì)竹材順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率

毛竹的力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)和物理性能緊密相關(guān)[24-25]。本研究對(duì)有無竹黃試件，將含水率調(diào)整至12%后，測定不同竹齡、竹干縱向高度的順紋抗壓強(qiáng)度(見表2)。去黃毛竹試件的順紋抗壓強(qiáng)度顯著小于未去黃試件，說明竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度也有增強(qiáng)作用。隨著竹齡和竹干縱向高度的增加，竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的力學(xué)貢獻(xiàn)率整體呈上升趨勢。

表2 不同竹齡、不同高度的竹材順紋抗壓強(qiáng)度

對(duì)1、2度毛竹在同一竹間上的順紋抗壓強(qiáng)度進(jìn)行成對(duì)樣本T檢驗(yàn)(見表3)表明，2、3度竹毛竹在竹齡方面順紋抗壓強(qiáng)度的差異并不顯著，故將2、3度竹毛竹歸納為一組，并分析在不同高度時(shí)竹黃的力學(xué)貢獻(xiàn)率。由表4可見，隨著竹干縱向高度的增加，毛竹竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率呈增大趨勢，第1節(jié)竹間、第3節(jié)竹間、第5節(jié)竹間、第7節(jié)竹間高度，竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為16.54%、16.83%、17.74%、18.03%。將2、3度竹毛竹歸納為一組，第1節(jié)竹間、第3節(jié)竹間、第5節(jié)竹間、第7節(jié)竹間高度，2、3度竹毛竹間竹黃對(duì)基本密度貢獻(xiàn)率分別為9.79%、11.23%、12.34%、14.57%。結(jié)果表明，隨著高度增加，竹黃的順紋抗壓貢獻(xiàn)率和基本密度貢獻(xiàn)率具有一致增加的趨勢，且竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率越大，則其對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率也越大；隨著高度的增加，竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率增長趨勢顯著，但竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率增長趨勢較為緩慢。2、3度竹毛竹間竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率，與竹干縱向高度對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率、竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率均差異顯著(P<0.05)。密度是影響順紋壓縮性能的直接指標(biāo)[26]，通過竹黃對(duì)基本密度貢獻(xiàn)率的趨勢可以反映出竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率的趨勢。

表3 2、3度竹毛竹高度之間竹材順紋抗壓強(qiáng)度差異性T檢驗(yàn)結(jié)果(P值)

表4 2、3度竹毛竹歸納后不同高度時(shí)毛竹竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率

表5 2、3度毛竹竹黃對(duì)基本密度貢獻(xiàn)率及對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率之間差異性分析結(jié)果

維管束的分布密度是影響竹材壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素之一[14]。在李榮榮等[15]的研究中測得竹黃部位維管束平均面積為2.41×105μm2，且薄壁細(xì)胞占比較大(為69.45%)；彭博[27]測得竹黃部位順紋抗壓強(qiáng)度為44.83 MPa，試件在去除竹黃部位后對(duì)抗壓強(qiáng)度差異不明顯。毛竹在受力過程中主要由纖維細(xì)胞承載，薄壁細(xì)胞可以在受力過程中起到傳遞、吸收的作用，同時(shí)薄壁細(xì)胞也擁有很好的壓縮性能[28]。而毛竹竹黃因其維管束面積占比較小，薄壁細(xì)胞占比較大，因此對(duì)毛竹材的順紋抗壓強(qiáng)度有促進(jìn)作用。密度直接影響力學(xué)性能，且由表5可見，竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率與竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率具有顯著相關(guān)性，隨著竹干高度的增加，竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的力學(xué)貢獻(xiàn)率與對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)相似的上升趨勢，因此竹黃對(duì)毛竹材基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度均有促進(jìn)作用。

3 結(jié)論與討論

毛竹竹黃對(duì)其基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度均有增強(qiáng)作用，且竹黃在不同高度上對(duì)基本密度和順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率具有相同的趨勢，都是隨高度的增加而增大。

隨著竹齡的增加，毛竹竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率呈先減后增趨勢，1度竹毛竹為12.51%、2度竹毛竹為11.09%、3度竹毛竹為12.87%；隨著竹干縱向高度的增加，毛竹竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率呈增大趨勢。毛竹竹黃的密度隨著竹齡和竹干縱向高度的增加而增大，在高度上竹黃的密度越大，竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率越大。

隨著竹齡的增大，毛竹竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率呈先減后增趨勢，1度竹毛竹為17.83%、2度竹毛竹為16.84%、3度竹毛竹為17.73%；隨著竹干縱向高度的增加，毛竹竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率呈增大趨勢。2、3度竹毛竹在竹齡上的順紋抗壓強(qiáng)度差異并不顯著，2、3度竹毛竹間竹黃對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的力學(xué)貢獻(xiàn)率與竹干高度呈現(xiàn)正相關(guān)，且與竹黃對(duì)基本密度的貢獻(xiàn)率趨勢一致。

綜上所述，毛竹竹黃因其對(duì)基本密度和順紋抗壓性能均有增強(qiáng)作用，可以被廣泛應(yīng)用在竹木復(fù)合材料中，有利于減少竹資源浪費(fèi)。同時(shí)，因?yàn)?度竹毛竹的順紋抗壓強(qiáng)度與3度竹毛竹差異并不顯著，2度竹毛竹的順紋抗壓力學(xué)性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此在考慮竹林經(jīng)濟(jì)效益和竹產(chǎn)品使用性能時(shí)，適合采伐2度毛竹材。