毛竹竹材物理力学性能研究

李光荣 辜忠春 李军章

摘 要： 为了解不同竹龄毛竹生材含水率、线性干缩率、气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度等物理性能，对其加工应用的影响，笔者以2-7年生毛竹为材料进行研究，结果表明：竹材的生材含水率、气干干缩率（弦向、径向、纵向）和全干缩率（弦向、径向、纵向）随着竹龄的增加呈减小的趋势；从基部到梢部竹材的生材含水率、线性干缩率均减小；竹材线性干缩率弦向>径向>纵向。竹材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均随着竹龄的增加呈增大的趋势，尤其是3年生竹材的这些物理力学性能与2年生差异显著，但3年后生竹材差异不大；从基部到梢部竹材的气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度逐渐增加。综合考虑毛竹的物理力学性能和竹林的经济效益，适合采伐的是3年后生竹材，锯截之后的竹材也应根据部位不同进行区分，以便于加工应用过程中合理利用，提高产品的理化性能和质量的稳定性。

关键词： 毛竹；物理力学性能；干缩率；加工应用

中图分类号：S795.7；TS664.03 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2014）05-0044-06

竹材是一种重要的森林资源，随着竹材加工技术的发展，竹材在建筑行业的利用越来越广泛，以竹代木成为解决目前木材资源匮乏的最佳途径。[1]竹材材质好，力学性能高，有关其加工利用的研究相当广泛。作为一种天然纤维质材料，其性能随着竹龄的增加产生相应的变化，甚至是老化。竹材的材质老化会伴随着微观构造上的变化[2]，同时也会表现为竹材基本性能及力学性能上的变化[3]。毛竹（Phyllostachys pubescens）属禾本科（Gramineae）、竹亚科（Bambusoideae）、刚竹属（Phyllostachys），又名楠竹、茅竹、猫头竹、孟字竹等。毛竹分布于秦岭、汉水流域至长江流域以南和台湾省，是我国分布面积最大，用途最广，经济效益最佳，生态适应性较强的竹种，也是我国最主要的材用竹种。[4]

目前，国内外对不同竹种竹材的物理力学性质研究较多，主要侧重于研究密度、干缩性等方面。本文通过对其物理力学性能进行测试，探讨了不同竹龄、竹秆部位竹材物理力学性能的差异，为毛竹实际应用于复合材料增强性和竹束铺装、编帘提供科学依据，有利于不同部位竹材得到充分合理利用，达到效益最大化的目的。

1 试验材料与方法

1.1 试验采集和加工

毛竹于2013年1月底，采集于湖北省咸宁市咸安区贺胜林场。试材选择相同立地条件下的5个不同竹龄（2、3、4、5、6、7年生），其中2、7年生各2株，3、4、5、6年生各3株。竹子生长正常，无病虫害。每株样竹从竹篼往上取材，每段约2.0 m，按1（基部）、2、3、4（梢部）四个高度截断成竹段， 编号后运回实验室。

试样运回实验室后，立即制作生材含水率试件，测试竹材生材含水率，剩余部分经3个月后气干至质量达到稳定后，按照国家标准依次截取气干密度、干缩性、抗弯强度（MOR）、抗弯弹性模量（MOE）、顺纹抗压强度试样[5]。

1.2 试验方法

具体试验方法参照国家标准测试方法GB/T15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》[5]进行。

1.3 试验设备

微机控制电子万能力学试验机，型号：WDW-50，精度：10N

干燥箱，型号：101-0A，精度：±1 ℃

电子天平，型号：SL602N，精度：0.01 g

1.4 数据处理方法

试验数据采用EXCEL和SPSS（Statistical Program for Social Sciences，SPSS）软件进行分析处理。

本文中所述气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度均为换算含水率为12%时的数据，不同竹龄毛竹的主要物理力学性能如表1。从表1可以看出：随着毛竹竹龄的增加，毛竹抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、气干密度呈增大趋势，但其性能3年后生竹材基本趋于稳定；生材含水率、线性干缩率随着竹龄的增加而减小，其性能3年后生竹材基本趋于稳定；与毛竹弦向和径向干缩率相比，其纵向干缩率最小，说明毛竹在干燥过程中，纵向变异最小，弦向干缩率最大，全干干缩率大于气干干缩率，凭肉眼观察竹材从湿材到气干过程中，竹肉的干缩率大于竹青干缩率，竹青干缩率大于竹黄。

2.1 生材含水率差异

不同竹龄不同部位竹材生材含水率如表2所示，竹材生材含水率随着竹龄的增加有减小的趋势，但是3年后生竹材生材含水率基本趋于稳定，2年生竹材平均含水率可以达到73.2%，基本趋于稳定的含水率为50%左右；竹材不同部位的生材含水率也有所差异，从基部到梢部，竹材生材含水率随之减小。竹材加工中，在干燥以前，可以将鲜竹材放至气干，使不同竹龄、不同部位竹材基本一致，可以节约干燥过程中的资源和时间。

2.2 气干密度差异

竹材密度是竹材性质的一项重要指标，在很大程度上影响竹材的力学性能。研究竹材密度随竹龄变异是确定竹材合理采伐年龄的重要依据。同时，竹材密度也决定其表面加工质量[6]。一般不同竹龄、竹秆不同部位及其立地条件都会引起竹材密度变化。

从图1可以看出：竹材气干密度随竹龄增大而逐步增加，尤其3年生竹材气干密度比2年生竹材气干密度增加幅度比较大。竹材气干密度随竹龄增加产生变异的主要原因是竹材细胞壁及内容物随年龄增长而逐渐充实和变化[7]。而3年后生竹材气干密度基本趋于稳定。

此外，如图1所示，同一竹龄竹材不同高度位置的密度有差异，从基部到梢部，气干密度逐渐增大。引起竹材气干密度纵向变化的主要原因是自竹秆基部到梢部竹壁单位横截面积内维管束分布个数逐渐增加，使得维管束分布密度逐渐增加，从而整体上是竹秆基部比梢部的密度小[8]。

通过SPSS软件对不同竹龄不同部位试样所测气干密度进行方差分析，结果如表3所示，可知竹龄和竹材不同部位对竹材的气干密度影响高度显著，竹龄与竹材不同部位之间的交互影响也高度显著。而由表1所示的气干密度duncan检验进一步显示，2年生竹材与3-7年生竹材气干密度差异显著，3-7年生竹材气干密度没有显著差异。密度作为影响竹材力学性能的重要指标，在实际的加工过程中应该注意竹龄采伐时间，尽量采伐3年后生竹材，并且根据竹材不同部位，交叉组坯，减小产品密度偏差，提高产品力学性能的稳定性。

2.3 干缩率性质差异

竹材线性干缩率的评价指标主要有全干缩率、气干干缩率。如图2-7所示，随着竹龄的增加，竹材全干缩率（径向、弦向、纵向）和气干干缩率（径向、弦向、纵向）均呈减小的趋势，但3年后竹龄的竹材气干干缩率和全干缩率基本趋于稳定，主要是由于随着竹龄的增加，竹材纤维素含量随之减少，到3年生时，竹材纤维素含量基本已趋于稳定[9]，竹材的密度和干缩率也基本趋于稳定。如图2-7所示，竹材不同部位线性干缩率不同，从基部到梢部径向、弦向、纵向干缩率呈减小的趋势，对于同一株竹材，从基部到梢部，竹材纤维素含量逐渐减少，这是影响竹材不同部位线性干缩率不同的主要原因。全干缩率、气干干缩率与气干密度变化趋势相反。

不同竹龄、不同部位对干缩性影响方差分析如表4所示，竹龄对线性干缩率影响高度显著，竹材不同部位对其线性干缩率的影响高度显著。

2.4 力学性能差异

竹材力学性能是竹材加工利用的重要依据之一，根据竹材力学性能的不同可以确定竹材的应用领域和范围，对竹材的培育、确定合理的砍伐时间具有现实意义。

如图8、图9所示，随着竹龄的增加抗弯强度和抗弯弹性模量呈逐渐增加的趋势，3年后生竹材的抗弯强度和弹性模量基本趋于稳定。不同部位的抗弯强度和抗弯弹性模量随着竹龄的增加有增大的趋势，但不明显；从基部到梢部，抗弯强度和抗弯弹性模量逐渐增加，原因在于，竹壁单位横截面积内维管束分布个数逐渐增加。

由表5可以看出，不同竹龄和竹材的不同部位对竹材抗弯强度和抗弯弹性模量影响高度显著；竹龄与不同部位交互作用对竹材抗弯强度影响显著，对抗弯弹性模量有影响。

由表1所示，2年生顺纹抗压强度较其他年份低，均值为52.3 MPa，3年后生竹材顺纹抗压强度均值基本在60 MPa左右，相对比较稳定。如图10所示，2年生竹材顺纹抗压强度较其他年份低，从基部到梢部竹材顺纹抗压强度呈逐渐增加的趋势。由表6不同竹龄不同部位顺纹抗压强度方差分析显示，竹龄和竹材的不同部位对竹材顺纹抗压强度的影响高度显著，他们交互作用对其影响也高度显著。

3年后生竹材力学性能已基本趋于稳定，可以用于木材加工用，随着竹龄的增加，竹材力学性能没有显著提高，因此，考虑竹材林的经济效益和用材竹力学性能，合适砍伐的竹材是3年生竹材。

3 结论

不同竹龄毛竹气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均随着竹龄的增加呈增大的趋势，尤其是3年生竹材的该4种物理力学性能与2年生差异显著，但与3年后生竹材差异不是很大；竹秆径向从基部到梢部竹材的气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度逐渐增加。

竹材的生材含水率、气干干缩率弦向、径向、纵向和全干缩率弦向、径向、纵向随着竹龄的增加呈减小的趋势；从基部到梢部竹材的生材含水率、气干干缩率和全干缩率均减小；竹材线性干缩率弦向>径向>纵向。

竹材力学性能是竹材加工利用的重要依据之一，根据竹材力学性能的不同可以确定竹材的应用领域和范围，对竹材的培育、确定合理的砍伐时间具有现实意义。综合考虑毛竹的物理力学性能和竹林的经济效益，适合采伐的是3年后生竹材，采伐之后的竹材也应该根据部位不同进行区分，以便于加工应用过程中，针对不同竹龄、不同的部位使用在不同的地方；考虑到竹材不同竹龄、不同部位生材含水率的不同，在竹材进行干燥以前，应将竹材放至气干状态，缩短竹材干燥周期，减少干燥过程中资源的使用。

参 考 文 献

[1]杨忠强，祝频.8种丛生竹竹材物理力学性能研究[J].广东建材，2011，（6）：129-131.

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[3]周芳纯，竹类培育学[M].北京：中国林业出版社，1998： 355-381-382.

[4]艾文胜，杨明.毛竹材性研究[J].湖南林业科技，2009，36（4）：1-5.

[5]国家技术监督局.GB/T15780-1995竹材物理力学性质实验方法[S].北京：中国标准出版社，1996.

[6]杨永福，李黎，武丽清.毛竹物理性质对刨切表面质量的影响[J].北京林业大学学报，2008，30（1）：133-136.

[7] Fujii T. Cell-wall structure of the culm of Azumanezasa（Pleioblastus chino Max [J]. Mokuzai Gakkaishi， 1985，31：865-872.

[8] Grosser D，Liese W.On the anatomy of Asian bamboos，with special reference to their vascular bundles[J].Wood Science and Technology， 1971，（5）：290-312.

[9]马灵飞，马乃训.毛竹材材性变异的研究[J].林业科学，1997，33，（4）：357-364.

（责任编辑：郑京津）