高地竹与毛竹主要物理力学性能的比较研究

高黎 王正 蔺焘 李旸

(中国林业科学研究院 木材工业研究所 北京 100091)

高地竹与毛竹主要物理力学性能的比较研究

高黎 王正 蔺焘 李旸

(中国林业科学研究院 木材工业研究所 北京 100091)

非洲高地竹（Arundinaria alpina）是埃塞俄比亚的重要竹种资源之一，但其性能以及增值利用的研究非常少。本研究测定了高地竹的主要物理力学性能，并以毛竹为对照物进行分析。结果发现：高地竹尖削度小，竹壁厚，基本密度低，干缩率较大；弦向抗弯弹性模量比毛竹高，但顺纹抗压强度、弦向抗弯强度以及顺纹抗剪强度相对毛竹材较低。高地竹在原竹建筑利用和竹质人造板加工利用方面都具有可行性。

高地竹；毛竹；物理性质；力学性质

非洲高地竹(Arundinaria alpina，又名Yushania alpine)是非洲原生的一种重要的大型散生竹种资源，主要生长在海拔2200～3500m的高原地区，竹高2～19m，竹径5～12.5cm，节间长12～65cm[1,2]。目前在埃塞俄比亚国内生长面积近13万hm2[1]，主要用做园艺、家具、手工艺品和竹篱用材料。但由于当地人对原料的性能和深加工工艺缺乏认识，竹材资源无法用于竹质人造板、造浆等高附加值产业中。

本研究由CFC项目“竹人造板预制房在亚非的开发和商品化”提供非洲高地竹原料，通过对竹材基本物理力学性能进行研究，并与我国常用的毛竹进行对比，旨在进行高地竹的原竹建筑利用和作为人造板原料的可行性分析，为促进当地竹材资源的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

非洲高地竹（Arundinaria alpina）在埃塞俄比亚采集，竹龄3-4年，齐地砍伐，自下向上取约2.5m长的竹段2段，编号标记；毛竹（Phyllostachys pubescens）采样在浙江省新昌县镜屏乡，竹龄3-4年，处理方法同高地竹。试材基本性状见表1，高地竹胸径较毛竹小，尖削度更小。

1.2 试件制作及方法

表1 试验用高地竹与毛竹特点

按照机械行业标准JB/T 199-2007《建筑用竹材物理力学性能测试方法》要求制作各性能试件，规格如下：密度试件为20mm(纵向)×15mm(弦向)×t mm(壁厚)；干缩率试件为20mm×15mm×t mm；顺纹抗压强度试件为15mm×15mm×t mm；弦向抗弯模量和强度试件为220mm×15mm×t mm；顺纹抗剪强度试件尺寸参照JB/T 199-2007中要求加工。

干缩率测试的试件在室温冷水中浸泡至恒重后进行测试；力学性能试件放入20℃±2℃，相对湿度65%±5%的恒温恒湿箱中至质量基本稳定（含水率约12%）后进行测试；测试方法参照标准JB/T 199-2007。

2 结果与分析

竹材的基本物理力学性能对其加工性以及最终产品性能有着重要的影响。高地竹与毛竹的性能对比从整体数据观察，高地竹从底部向上，竹壁厚降低，基本密度提高，干缩率降低，所测力学性能基本呈上升的趋势，和毛竹以及其他竹材的特性相同[3-8]。

2.1 壁厚与基本密度

一般来讲，密度越高，竹材的力学性能越好。竹材的密度同时对其人造板加工利用有着重要作用，影响着竹篾加工性能、施胶量以及热压成型过程中的所需的时间、温度和压力。竹材在径向方向密度从竹青至竹黄逐步降低[3-5]。图1显示，高地竹平均壁厚比毛竹厚2.74mm，基本密度为0.554g/cm3，低于毛竹，可推断高地竹材比毛竹有良好的加工性。

2.2 全干干缩率

从湿材到水分平衡过程中，竹材弦向、径向和纵向均会发生不同程度的收缩，尤其是弦向收缩会导致竹筒的开裂，竹筒侧向抗劈强度大幅降低。干缩率是原竹建筑利用时重要的考察指标，同时它对竹质人造板的尺寸稳定性也有一定的影响。高地竹径向干缩率平均为11.90%，弦向干缩率平均为8.20%，比毛竹材对应的5.90%和4.57%高101.7%和79.2%（图2），也比黄竹、龙竹、麻竹等大型丛生竹的干缩率高[7-9]。由此可推断原竹利用时高地竹较易干裂，制备的竹质人造板材相对毛竹易变形。

2.3 顺纹抗压强度

竹材承受压力是最广泛的用途之一，因此抗压强度是重要的力学特征之一。从图3中数据可知，高地竹的抗压强度为63.87MPa，比毛竹抗压性能略低，比竹龄相当的红壳竹50.5MPa[6]、麻竹29.38MPa[7]强度高，和松木(40～65MPa)和麻栎(50～70MPa) 等高强度木材相当[10，11]。这些数据显示，如果采用高地竹材替代木材做建筑支撑柱等承重材料，在材料性能方面是可以满足要求的。

2.4 弦向抗弯性能

竹质人造板充分利用了竹材顺向高强度、高韧性的特性，原料加工利用的方法主要包括制成弦向或径向竹篾，或压溃形成顺向竹束再进行成型。图4中高地竹的弦向抗弯模量为13.38GPa，比毛竹10.85GPa高23.3%，而抗弯强度102.20MPa，比毛竹180.88MPa低43.5%，说明高地竹刚度高而韧性略低，由其制备的层积板刚度可比毛竹高。高地竹的抗弯弹性模量和强度高于常用木质建筑材料树种，如马尾松分别为9～11GPa和70～90MPa[12]。

2.5 顺纹抗剪强度

抗剪强度对原竹建筑尤其是建筑节点强度有较大的影响。高地竹的顺纹抗剪强度为9.61 MPa，比毛竹18.17MPa低47.1%(图5)，和椴木、乌桕及侧柏等建筑用木材抗剪性能相当[10-12]。

3 小结

以毛竹作为参照物，非洲高地竹的密度较低，弦向抗弯模量较高，而弦向抗弯强度、顺纹抗压强度和顺纹抗剪强度低于毛竹，测试的力学性能与常用建筑用木材相当，但该材料干缩率较大。综合其胸径、竹壁厚与尖削度特性，高地竹是一种优秀的可用作建筑材料或进行深加工制备竹质人造板的高性能材料。

1 Berhanu Adenew, Jochen Statz. Bamboo market study in Ethiopia: Prepared for the United Nations Industrial Development Organization Acting as executing agency for the Common Fund for Commodities[R].UNIDO, 2007.

2 Ibrahim, K. M., Kabuye, C. H. S. An illustrated manual of Kenya grasses. Rome: FAO, 1988.

3 李霞镇.毛竹材力学及破坏特性研究[D].北京：中国林业科学研究院[硕士论文]，2009.

4 王朝晖.竹材材性变异规律与加工利用研究[D].中国林业科学研究院[博士论文]，2001.

5 嵇伟兵，姚文斌，马灵飞.龙竹和绿竹竹材壁厚方向的梯度力学性能[J].浙江林学院学报，2007，24(2):125-129.

6 俞友明，杨云芳，方伟，等．红壳竹人工林竹材物理力学性质的研究[J]．竹子研究汇刊，2001，20(4):42-46．

7 林金国，何水东，林顺德，等．麻竹材基本密度与力学性质变异规律的研究[J]．竹子研究汇刊，1999，18(1):58-62.

8 张宏健，杜凡，张福兴．云南4种材用丛生竹的主要物理力学性质[J]．西南林学院学报，1998，18(3):189-193.

9 王正，郭文静.丛生竹物理力学性能及其对制造竹建筑材料的影响[J].世界竹藤通讯，2003，1(1):25-28.

10 杨家驹.中国主要树种木材物理力学数据换算表[J].中国木材，2001，(3)：37-41.

11 杨帆，杨家驹.中国主要阔叶树材的物理力学性质表[J]. 中国木材，2001，(6)：28-29.

12 成俊卿．木材学[M]．北京：中国林业出版社，1985.

A Comparative Study of Main Physical and Mechanical Properties ofArundinaria alpineandPhyllostachys pubescens

Gao Li, Wang Zheng, Lin Tao, Li Yang
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091)

African highland bamboo (Arundinaria alpine) is one of the most important bamboo species in Ethiopia, but little studies has been done on its properties and value-added utilization. In this study, some main physical-mechanical properties ofA.alpinewere tested and analyzed. Compared with Moso bamboo(Phyllostachys pubescens). The results showed thatA.alpinehad the small taper, higher wall thickness, lower basic density and higher shrinkage, and the tangential modulus of elasticity in static bending were higher than that of Moso bamboo while compressive strength parallel to grain, tangential bending strength and shearing strength parallel to grain were lower. It is concluded thatA.alpineis feasible to be used in construction and bamboo-based panel processing.

Arundinaria alpine,Phyllostachys pubescens, physical properties, mechanical properties

“十一五”国家科技支撑计划专题（2008BADA9B0203），院所基金（CAFINT2010C02）。

高黎(1979-)，女，博士，助理研究员。主要研究方向为木基复合材料。