小徑級圓竹順紋抗壓強度及其影響因素

代福寬，汪紫微，王漢坤，田根林，王傳貴

（1.國際竹藤中心 竹藤生物質(zhì)新材料研究所，北京 100102；2.國際竹藤中心 國家林業(yè)與草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036）

竹子具備高強度、高韌性等優(yōu)點，并且生長速度快，可快速成材，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具和造紙等領(lǐng)域[1-3]。作為21 世紀最具開發(fā)潛力的生物質(zhì)資源，竹材具有不可比擬的生態(tài)、經(jīng)濟以及社會效益[4]，對促進碳達峰、碳中和具有極大的意義。竹材被認為是以薄壁組織為基體，嵌入維管束作為增強相的纖維增強生物復(fù)合材料[5-6]。維管束起著承擔力學(xué)強度的骨架作用，基本組織填充其余部分，起著傳遞載荷的作用[7]。竹材優(yōu)異的力學(xué)性能主要與纖維鞘組織比量密切相關(guān)[8]。目前，竹產(chǎn)業(yè)主要生產(chǎn)傳統(tǒng)竹膠合板、竹席/竹簾膠合板、竹集成材和重組竹等或新型工程竹復(fù)合材料[9]、復(fù)合吸波材料[10]和竹纏繞復(fù)合管[11]等，大多以毛竹Phyllostachysedulis等大徑級的竹材為原料[12-13]，小徑級的竹材應(yīng)用較少。竹材的力學(xué)性能決定其利用價值與領(lǐng)域[14]，竹材順紋抗壓強度作為評估竹材不同用途的適用性的重要指標[15-16]，具有測試方便快速等優(yōu)點[17]。小徑級竹材物理力學(xué)性能測試并無相關(guān)標準，相關(guān)科學(xué)研究較少，基本上都參照GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》[18-19]，缺乏評價小徑級竹材的系統(tǒng)的物理力學(xué)實驗方法。

本研究對不同長徑比試件進行順紋抗壓試驗，探索適合測試小徑級竹材順紋抗壓強度的方法，為發(fā)掘小徑級竹材工業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[20]。同時利用基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)的維管束識別模型對小徑級竹材纖維鞘的組織比量和維管束密度作出統(tǒng)計并對其與抗壓強度的關(guān)系進行線性擬合。通過引入人工智能用于竹材基礎(chǔ)性質(zhì)的研究，不僅可以解決人工處理耗時費力以及容易出錯等問題，相較于傳統(tǒng)圖像處理方法還能提高處理精度和準確性。

1 材料與方法

1.1 材料

樣品采自安徽省六安市金寨縣。隨機選取健康、完好無缺陷的3～4 年生處于成熟期的竹株，采集胸徑在50 mm 以下的苦竹Pleioblastusamarus、篌竹Phyllostachysnidularia、水竹Phyllostachysheteroclada和早園竹Phyllostachyspropinqua各5 株，平均直徑分別為12.04、30.44、19.92、33.02 mm，平均壁厚分別為2.38、3.90、3.24、4.58 mm。從離地約0.5 m 處向上截取2.0～4.0 m 竹段作為試樣，并對試樣進行標號帶回實驗室待用。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件處理 用游標卡尺測量試樣同一點在相互垂直的2 個方向的直徑，求其平均值。沿順紋方向按上述平均直徑的1.0、1.5 和2.0 倍長度截制不同長徑比試件，試件兩端面平整并相互平行，端面應(yīng)與順紋方向垂直(圖1)。參照 GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》[18]調(diào)整試樣含水率。

圖1 試件Figure 1 Samples

1.2.2 基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法的維管束數(shù)量和纖維鞘面積測定 對截斷后的橫截面用不同目數(shù)的砂紙砂光處理，最后一次精砂目數(shù)為320 目，直至觸摸手感光滑，既保證精確識別纖維鞘和薄壁細胞之間的分界線，又可以利用砂光產(chǎn)生的碎屑填充維管束中的大導(dǎo)管及韌皮部等孔隙，避免大導(dǎo)管等干擾計算機識別[21]。利用高清掃描儀對符合要求的試件橫截面進行掃描，用局部聚類算法對圖片進行二值化處理，采用經(jīng)過訓(xùn)練的模型進行識別，檢測維管束并統(tǒng)計纖維鞘總面積[22](圖2)。

圖2 高清灰度圖(A)、識別每個維管束的檢測圖(B)和利用局部聚類算法獲得的二值化圖(C)Figure 2 HD grayscale image (A), detection image identifying each vascular bundle (B) and binarized image obtained using local clustering algorithm (C)

1.2.3 順紋抗壓強度試驗 ①尺寸測量。如圖3 所示：在掃描計算完的試件兩端用游標卡尺測其相互垂直的2 個方向長軸(D1)和短軸(D2)，以同樣方法測定試件兩端竹壁厚(t1、t2、t3、t4)取其均值(t)，準確至0.01 mm，計算試件兩端面橫截面面積均值。將橫截面近似為橢圓計算。②順紋抗壓試驗。將試件垂直放置于萬能力學(xué)試驗機球面滑動支座中心位置，調(diào)整下支座，從相互垂直的2 個方向觀察，使試件橫截面與壓頭表面平行，施壓方向和纖維方向平行。施加預(yù)荷載不大于10.0 N，調(diào)整放好試件。沿試件軸向以1 mm·min-1的速度均勻加載，在(90±30) s 內(nèi)破壞，記錄試件破壞的最大載荷，精確至0.1 N。③含水率測定?？箟盒阅茉囼灲Y(jié)束后，立即清理試件上易剝落物，進行稱量，準確至0.001 g。測定含水率。測定方法依據(jù)GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》。④計算。順紋抗壓強度按近似橢圓管狀件計算。采用σ12=σw[1+0.045(w-12)]將含水率為w的順紋抗壓強度 σw換算為試件含水率為12%的順紋抗壓強度 σ12，準確至0.01 MPa。。其中：Fmax為試件破壞最大載荷(N)；t為試件平均壁厚(mm)；D1為試件橫截面長軸(mm)；D2為試件橫截面短軸(mm)。

圖3 尺寸測量示意圖Figure 3 Dimension measurement schematic

2 結(jié)果與分析

2.1 不同長徑比對順紋抗壓強度的影響

由表1 可見：4 種小徑級竹材的順紋抗壓強度較為優(yōu)異，采用2.0 倍長徑比試件測試，早園竹順紋抗壓強度最大，為82.91 MPa，水竹順紋抗壓強度最小，為67.01 MPa。在不同長徑比的試件中，順紋抗壓強度測試結(jié)果平均值相差不大。方差齊性檢驗表明：4 種小徑級竹材的不同長徑比試件的順紋抗壓強度差異不顯著(P＞0.05)，故進行單因素ANOVA 檢驗。檢驗結(jié)果顯示：除苦竹外，其余3 種小徑級竹材的不同長徑比試件對順紋抗壓強度沒有產(chǎn)生顯著影響(P＞0.05)。然而，苦竹不同長徑比試件對順紋抗壓強度產(chǎn)生顯著影響(F=3.342，P=0.040＜0.05)。進行LSD 多重比較分析苦竹不同長徑比試樣之間的差異是否顯著，結(jié)果顯示：苦竹的1.0 倍長徑比試件與其他2 種試件之間差異不顯著，而1.5 與2.0 倍試件之間產(chǎn)生顯著差異(P=0.012＜0.05)。這可能是由于苦竹平均直徑僅為12.04 mm，直徑太小并且制備設(shè)備落后，對試件造成了不同程度的破壞。

表1 順紋抗壓測試結(jié)果Table 1 Test results of compressive strength

除去由于試件制備中引起的破壞而產(chǎn)生的測量誤差，不同長徑比的試樣對順紋抗壓強度沒有產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)表1 結(jié)果所示：除苦竹外，其他3 種竹材均是2.0 倍長徑比的試件測試的順紋抗壓強度的變異系數(shù)最小。其中，篌竹、早園竹和水竹2.0 倍長徑比試件的順紋抗壓強度變異系數(shù)分別為10.37%、9.36%和7.64%。苦竹的3 種試件變異系數(shù)均較小，1.5 倍長徑比試件變異系數(shù)為4.55%。變異系數(shù)越小，說明數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。早園竹和篌竹的標準差在一定范圍內(nèi)隨著長徑比的增加而減少。具體而言，2.0 倍長徑比試件的標準差分別為7.76 和7.59 MPa。水竹的2.0 倍長徑比試件最小，為5.12 MPa?？嘀駱藴什钍?.5 倍長徑比試件最小，為3.20 MPa。標準差越小，試驗數(shù)據(jù)的離散程度越小。綜上所述，2.0 倍長徑比的試件測試的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，可靠性較好，變異系數(shù)小，意味著需要準備的最小試件數(shù)量就最少，整個試驗的操作就相對容易，試驗數(shù)據(jù)更加準確。因此，2.0 倍長徑比的試件用于測試小徑級圓竹順紋抗壓強度最好。

2.2 纖維鞘體積分數(shù)和維管束分布密度對順紋抗壓強度的影響

從長徑比為2.0 的試樣的維管束參數(shù) (表2) 可以看出：4 種竹材的纖維鞘組織比量的標準偏差均較小，說明同一竹種不同竹株不同部位的纖維鞘組織比量相差不大。其中篌竹纖維鞘組織比量最大，為35.64%，最小的是水竹，為33.05%?？嘀竦木S管束分布密度最大，達7.94 個·mm-2，早園竹最小，為5.77 個·mm-2。

表2 4 種小徑級竹材長徑比為2.0 試樣的維管束參數(shù)Table 2 Vascular bundle parameters of four species of small diameter bamboo at the length-to-diameter ratio of 2.0

如圖4 所示：纖維鞘體積分數(shù) (y) 與順紋抗壓強度 (x) 之間呈線性正相關(guān)，即纖維鞘體積分數(shù)越大，順紋抗壓強度越大?；谧钚《朔▽ζ溥M行線性擬合，得到線性方程：y= 260.44x-18.26，R2=0.60，r=0.778，P＜0.001。維管束分布密度和順紋抗壓強度之間的相關(guān)性并不強，可能原因是不同竹種的維管束面積以及類型不同。換而言之，不同的竹種即使維管束分布密度相同，也有可能單位面積內(nèi)所含的纖維含量不同。

圖4 順紋抗壓強度與纖維鞘體積分數(shù)和維管束分布密度之間的分布規(guī)律Figure 4 Distribution pattern between the compressive strength and the fiber volume fraction and distribution density of vascular bundles

3 討論

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：4 種竹材的順紋抗壓強度較為優(yōu)異，高于同為圓竹形態(tài)測試的4 年生毛竹的基部試件的順紋抗壓強度 (48.54 MPa)[23]。竹子之所以具有輕質(zhì)且高強度的特性，是由于其薄壁中空和功能梯度結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢。竹壁的構(gòu)造包括表皮、維管束和基本組織等3 種組織[24]，其中富含二氧化硅的表皮起著保護竹子抵御外界環(huán)境破壞的作用，維管束則承擔提供力學(xué)強度的骨架作用，基本組織則填充其余部分并起著傳遞載荷的作用[7]。竹材作為一種典型的單向纖維增強的生物質(zhì)復(fù)合材料，其機械性能主要取決于呈梯度結(jié)構(gòu)分布的維管束的機械特性，如纖維鞘的體積分數(shù)和維管束的分布密度等[21,25]。纖維密度是表征竹子強度性能的良好指標[26]，纖維鞘體積分數(shù)正是纖維密度的定量化表述。已有研究對不同纖維鞘體積分數(shù)的毛竹進行了順紋抗壓測試，發(fā)現(xiàn)順紋抗壓強度和模量隨纖維鞘體積分數(shù)增加而線性增加的規(guī)律[27]。同樣，具有梯度結(jié)構(gòu)的竹材在抗彎強度和模量中隨著纖維體積分數(shù)的增加而增加[28]。此外，針對不同纖維鞘體積分數(shù)的毛竹樣品的拉伸測試發(fā)現(xiàn)，纖維鞘體積分數(shù)和拉伸強度之間存在明顯的線性關(guān)系，并且根據(jù)混合定律得出的纖維和基本組織的拉伸強度和MOE 分別為581.7 MPa、40.40 GPa、19.0 MPa 和0.22 GPa[29]。纖維的力學(xué)性能遠高于薄壁細胞，纖維在毛竹的抗拉性能中起著決定性作用[29]。這可以歸因于纖維和薄壁細胞在結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等方面的不同，竹纖維的細胞壁幾乎呈實心狀，而薄壁細胞則具有較大的細胞腔和較薄的細胞壁[30]，竹纖維和薄壁細胞在化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)也有一定的差異[31]。因此，纖維鞘體積分數(shù)是影響竹材的順紋抗壓強度的重要因素之一。然而，竹子的維管束類型是多樣的，包括雙斷腰型、斷腰型、緊腰型、開放型和半開放型等5 種維管束類型[32]，不同竹種維管束的面積各異，即使同一類型維管束在不同位置或者不同竹種中的面積也不盡相同[33]，因此，在研究不同種竹材的力學(xué)性能中探究維管束分布密度對力學(xué)性能的影響意義不大。綜上所述，了解竹材結(jié)構(gòu)的影響因素是非常必要的，這有助于掌握竹材的材料特性，充分發(fā)揮機械性能。

4 結(jié)論

基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)的竹材維管束模型應(yīng)用于小徑級竹材維管束數(shù)量和纖維鞘面積的測定，可以達到快速且準確的效果。小徑級竹材的順紋抗壓性能不亞于大徑級的竹材，早園竹順紋抗壓強度高達82.91 MPa，因此，小徑級竹材具有較高的開發(fā)潛力。纖維鞘體積分數(shù)極顯著地正向影響順紋抗壓強度。纖維鞘體積分數(shù)(x)與順紋抗壓強度(y)關(guān)系表述為一元一次方程：y=260.44x-18.26。而維管束密度與順紋抗壓強度相關(guān)性較小。對于胸高直徑50 mm 以下的竹材，測試順紋抗壓強度時，建議采用縱向長度為平均外徑2.0 倍的試件，采用上述試驗方法操作并控制試件在(90±30) s 內(nèi)壓潰。另外，對于較小直徑竹材制備試件時需避免對竹材造成損傷。