苦绿竹、椽竹、橄榄竹物理力学性质及其在人造板上的应用分析

刘晓辉 郑蓉 廖鹏辉 陈东宏

(1 福建省林业科学研究院 福建福州 350012 2 福建省南靖县新富林场 福建南靖 363600)

苦绿竹、椽竹、橄榄竹物理力学性质及其在人造板上的应用分析

刘晓辉1郑蓉1廖鹏辉1陈东宏2

(1 福建省林业科学研究院 福建福州 350012 2 福建省南靖县新富林场 福建南靖 363600)

测定了2-5年生的苦绿竹、椽竹、橄榄竹的物理力学性质和外形尺寸，并对其在人造板上的应用进行初步分析。结果表明：与毛竹相比，绿竹各项力学性能均较低；椽竹和橄榄竹，除了顺纹抗剪偏小外，横纹抗弯、顺纹抗拉、顺纹抗压与毛竹相当。3个竹种的壁厚和直径较小，均不适合于普通竹地板生产；苦绿竹和橄榄竹可用于制作竹材胶合板、碎料板等人造板产品，椽竹因直径较小，只适用于碎料板生产。

苦绿竹；椽竹；橄榄竹；物理力学性质；人造板

中国长期以来竹资源利用模式单一，竹材人造板的加工几乎完全依赖毛竹，随着竹产业的迅速发展，竹原料供需矛盾日趋突出，毛竹原料价格不断上涨，导致生产成本的提高，极大削弱了竹材加工业的竞争优势。而椽竹、橄榄竹、苦绿竹属福建乡土竹种，在福建省分布广泛，具有生态适应性强，生长快，产量高等特点，如果能将其作为竹材人造板加工业的原料来源，可有效缓解我国竹产业的原料供需矛盾。为此本文对上述竹种的力学性能和几何尺寸进行初步研究分析，以为新的竹材资源的开发和利用提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)竹材材料

a) 苦绿竹（Dendrocalamopsis basihirsuta(McClure) Keng f. et W. T. Lin），绿竹属，样品采自福建省福州市南屿镇。地处北纬2 5°4 7′～2 6°3 7′，东经118°51′～119°25′，亚热带季风性湿润气候，年均气温15.9～19.9 ℃，年降水量1258.9～2152.6 mm，土壤为红壤土。

b) 椽竹（Bambusa textilisvar. tasca M c C l u r e），样品采自福建省邵武市近郊, 地处东经117°02′～117°52′，北纬26°55′～27°57′之间，年平均气温17.7℃，绝对最低温－7.9℃, 年降水量在1500～1800 mm之间, 土壤为红壤土。

c) 橄榄竹(Indosasa giganteaWen)，样品采自福建省邵武市近郊，地理位置、气候条件、土壤等自然条件与椽竹相同。

(2)主要试验设备

a) 电子万能力学试验机，RGT-30，深圳市瑞格尔仪器有限公司。

b) 电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9070A，上海精宏实验设备有限公司。

c) 电子精密天平，PL203/01，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试材的采集方法

根据各参试竹种分布情况，选择具有代表性的地理位置、土壤条件竹子产区作为试材的采集区，在采集区中对不少于100株的相同竹龄的竹子进行竹高与直径的统计，根据平均胸径选择10～15根竹子作为试材。

作为试材的竹子伐倒后，测量胸径、枝下高及竹高。离地约1.5 m的整竹节处，向上取2.0 m长的一段，在竹节处截断作为力学性能测试用材，表1为各竹种在野外采样时的统计结果。

表1 竹材野外采集统计结果

1.2.2 试材的保管方法

采集后的竹材放置于阴凉通风处进行自然干燥，干燥过程采用适宜的堆垛方式，当竹材含水率达到12%～15%时停止干燥，从中选择没有变色、开裂、腐朽和虫蛀的试材进行物理力学性能测定。

1.2.3 检验方法

竹材的物理力学性能依照GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》相关规定进行试样的制作和测试，测定项目包括密度、抗弯强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、剪切强度等。

2 结果与分析

2.1 物理力学性质

2.1.1 密度

竹材密度是竹材物理性质中的一项重要指标，反映了单位体积竹材所含绝干物质的质量数，对竹材的力学性能、造纸制浆得率等工业用材指标有重要影响。因此，竹材基本密度是竹材培育及确定合理的竹材采伐年龄的重要依据，根据参试竹种的密度测试结果可以绘制竹龄与基本密度的关系图（图1），其中毛竹的密度与竹龄关系参考《木材工业实用大全》[1]。

图1 竹材基本密度与竹龄的关系

从图1可看出椽竹和橄榄竹在5年内的最大密度接近或超过毛竹，而苦绿竹的密度相对较小，只有毛竹的2/3左右。从2-5年生竹材密度增长情况看，苦绿竹、椽竹的密度随着年龄的增加而较缓慢增长，橄榄竹密度在2-5年内随着年龄的增大，有较明显的增长，4年后增长有趋向于平稳的态势。

2.1.2 抗弯强度

抗弯强度为竹材受静力载荷作用时所产生的最大弯曲应力。竹材目前大量地用于水泥模板和车厢底板等，一般在受压荷载环境下使用，因此竹材的抗弯强度是其最重要的力学性质，参试竹种的测试结果见表2。

根据《木材工业实用大全》[1]，毛竹抗弯强度为148.9MPa，从表2数据中可以看出，椽竹和橄榄竹的抗弯强度与毛竹接近，苦绿竹抗弯强度相比于毛竹最大强度则低了30%左右；椽竹生长3年、橄榄竹生长4年后，抗弯强度可以达到毛竹的水平。

表2 不同年龄的竹材抗弯强度

表4 不同年龄的竹材顺纹抗压强度

2.1.3 竹材的顺纹抗拉强度

竹材抗拉强度愈大，则以此为原料制成的竹板抗拉性愈强。一般来说，抗拉强度与竹材密度及竹纤维强度有较密切的关系，竹材密度、纤维强度越大，则抗拉能力也就越强。

由表3中可知，椽竹的抗拉强度最大，达到261.9MPa，比毛竹顺纹抗拉强度值190.9MPa[1]高37%左右，苦绿竹虽然密度较低，但抗拉强度与密度较高的毛竹、橄榄竹接近，说明苦绿竹竹纤维具有较高的抗拉强度。

2.1.4 顺纹抗压强度

竹材常作为支撑件，承受压力荷载，所以抗压强度是竹材力学性质中最重要的特征之一。

从表4上看，椽竹、橄榄竹最大抗压强度分别为66.0 MPa和70.3 MPa，毛竹抗压强度为65.1MPa[1]，数值接近，苦绿竹最小，但相对于抗弯强度，从数值上看与毛竹相差并不很明显，5年生的苦绿竹比毛竹强度只低15%左右。

2.1.5 顺纹抗剪强度

表5 不同年龄的竹材顺纹抗剪强度

表3 不同年龄的竹材顺纹抗拉强度

在建筑结构设计中，某些梁的设计对材料的抗剪强度有要求，因为材料在承受弯曲载荷，特别是在材料连接部位，可能会因顺抗剪切而被破坏。因此，需测定竹材的顺纹抗剪性能。

毛竹的顺纹抗剪强度为18.3MPa[1]，从表5上看，参试的竹种顺纹抗剪强度与毛竹相比，数值明显偏低，其中苦绿竹抗剪强度比毛竹低了近60%，即使是其它性能与毛竹接近的椽竹和橄榄竹，抗剪强度也下降40%左右。

2.2 外形尺寸

根据对竹原料的利用方式，竹材人造板产品可以分为胶合板类、重组材类以及碎料板类。其中碎料板和重组材对原料要求较低，小径竹、竹梢、竹下脚料皆可使用，而胶合板类，如竹席胶合板、竹帘胶合板、竹片胶合板、普通竹地板等，其对所用的竹子的径级有一定要求，因此可以根据的竹子的外形尺寸初步确定其可能的应用范围。

2.2.1 直径

普通竹地板的加工，对竹材有一定的壁厚和胸径要求,如以毛竹作为原料制作普通竹地板，一般要求毛竹竹龄为4年以上，长度在7～9m，胸径大于10cm，壁厚一般达到7mm以上[5]。根据上述条件，由表1可知，参试竹种平均胸径均小于10cm，且各竹种壁厚较小，壁厚达到7mm以上的竹段较少，利用率较低，因此这几种竹材均不适合于制作普通竹地板。

竹编胶合板生产中，竹蔑的加工一般要求竹秆的梢径≥50 mm[2]，因此我们可根据竹材梢径来判断所试竹种是否满足加工要求，以及可利用竹秆的长度。

试验中选取有代表性的样竹，沿着竹高方向每隔1m，测定竹材的长径和短径，然后取平均值作为相应高度的直径，根据测量数据可绘制出竹子直径与竹高关系的平滑曲线图，如图2所示。

根据图2就可以确定梢径为50mm时所对应的竹秆长度。根据上述方法可得出不同年龄的各竹种可利用的竹秆长度，结果见表6。

图2 苦绿竹高与直径关系图

表6 梢径等于50mm时的竹秆长度（/m）

从表6上看，各竹种中苦绿竹的可利用长度最大，最大可利用长度为6.1m以上；其次为橄榄竹为5.6m左右，占整个竹高50%左右，而椽2-3年生的整根竹的直径都不超过50mm，5年生的可用长度为1.2m。竹胶合板类产品一般应用于建筑模板、集装箱底板上，这类产品常见长度大约为2.44m，宽度1.22m，加上裁边损耗，则要求可利用的竹秆最大长度要在2.5～2.6m以上，最小长度1.3～1.4m以上，根据表6可知，橄榄竹和苦绿竹满足竹胶合板加工对竹秆的梢径要求，椽竹则不适宜。

2.2.2 壁厚

竹材的壁厚也决定竹材利用方式，利用竹蔑生产的竹胶合板可以分为竹帘胶合板和竹编胶合板（或竹席胶合板），目前竹编胶合板生产所用的径向竹篾宽度一般在10mm以上，竹帘胶合板则对竹篾宽度没有特别的要求，生产中一般将宽度在5mm以上的径向竹篾织成单蔑帘，宽度在5mm以下的径向竹篾织成束篾帘[6]。因此本文对各竹种的壁厚与竹材高度关系进行研究，以考察满足相应的壁厚要求条件下，可用竹秆的长度。

试验中选取有代表性的样竹，沿着竹高方向每隔0.5m将竹子锯断，测定锯断点的竹壁厚度，根据所测数据可以绘制出竹高与竹壁厚的关系图，如果不考虑去除竹青、竹黄，可以根据关系图得出壁厚大于5mm和10mm时竹秆的长度，结果见表7。

根据表7可知，当壁厚＞10mm时，3个竹种中，5年生的苦绿竹可用竹秆长度最大，为1.3m，但是满足不了竹胶板最大2.5～2.6m的要求，因此3个竹种都不适宜生产竹编胶合板，只能考虑生产竹帘胶合板，从表7上看，椽竹和橄榄竹壁厚大于5mm的竹秆长度占整个竹高最大只有50%左右，苦绿竹则有80%左右，3种竹材中苦绿竹可利用率最高。

表7 最小壁厚为5mm和10mm时的竹秆长度

3 小结与建议

(1)椽竹和橄榄竹，除了顺纹抗剪强度偏小外，顺纹抗弯强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度与毛竹相当，力学强度均较大。但椽竹由于直径偏小，不利于竹胶合板的加工，只能考虑将其用于纤维板、刨花板等碎料板的加工。因此参试竹种中，只有橄榄竹较适宜替代毛竹用来制作水泥模板、车厢底板等结构用材，相对于毛竹，橄榄竹壁厚较小，在生产中可采用先浸泡软化，再径向纵剖，辊压辗平后，编织成束篾帘后制作竹帘胶合板。

(2)参试竹种由于胸径和壁厚较小，不合适制作普通竹地板，但可以研究将其用于生产竹重组材，然后利用竹重组材制造竹材地板。

(3)3个竹种中，苦绿竹的胸径和壁厚最大，比较有利于加工利用，可用于竹材胶合板、碎料板的加工利用，但由于密度较小，除了抗拉强度和抗压强度外，其它力学性能与毛竹相比有较明显的下降，而目前竹质人造板产品标准大都以性能优良的毛竹材料为基础制定的，要求较高，若要以苦绿竹为原料生产符合要求的产品，还需要在生产工艺上进一步研究。

1 王恺.木材工业实用大全－木材卷[M].北京:中国林业出版社,2003：276-279.

2 孙正军.竹材的采集与加工方法[J].世界竹藤通讯，2005，3(3)：23-24.

3 国家技术监督局.GB/T 15780-1995. 竹材物理力学性质试验方法[S].北京:中国标准出版社,1995.

4 本书编委会.竹地板[M].北京：中国建筑工业出版社，2006,30.

5 肖易.竹地板生产技术.中国林业产业[J].2007,34.

6 杜春贵，汪仁斌，赵仁杰.径向竹帘复合板的研究—制板工艺[J].林业科技，2002，27(2):37-40.

Application on Physical and Mechanical Properties for Wood-based Panels ofDendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textilisandAcidosasa gigantean

Liu Xiaohui1, Zheng Rong1, Miao Penghui1, Chen Donghong2
(1 Fujian Academy of Forestry, Fuzhou, Fujian, China 350012 2 Xinfu Forestry Farm of Nanjing County, Nanjing, Fujian 363600)

Physical and mechanical properties and dimensions were determined for two-five-year-oldDendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textilisandAcidosasa giganteanand the analysis of the application of these properties to wood-based panels were made. The results showed that physico-mechanical properties ofDendrocalamopsis basihirsutawere all lower compared with the moso bamboo,B.textilisandA.giganteanwere similar with moso bamboo in bending strength,tensile strength and compression strength parallel to grain except that vertical shear strength is smaller. The wall thickness and diameter of three kinds of bamboo are too small to be unsuitable for common bamboo fl ooring producing. The culm ofD. basihirsutaandA. giganteancan be used for plybamboo and bamboo particleboard production, andB. textilisonly be used for bamboo particleboard production because of smaller diameter.

Dendrocalamopsis basihirsuta,Bambusa textiles,Acidosasa gigantean, physico-mechanical property, wood-based panels

刘晓辉（1972-）福建安溪县人，福建省林业科学研究院高级工程师，主要从事木材加工与工艺学研究工作。