原态毛竹环状收缩应变表征及机理研究∗

2017-04-27傅万四周建波

林产工业 2017年10期

闫薇张彬傅万四周建波

我国竹林面积、产量和蓄积量均居世界之最，现有竹子40多属约500余种，占世界竹类植物属和种的50%[1]。竹材在我国的应用可追溯到约公元前4400—3300年的大溪文化，房屋多为红烧土、大量竹材和木材制成[2]。20世纪80年代初，我国竹材加工产业开始起步[3]，近年来，竹产业呈蓬勃发展之势，除了常用的竹层积材、重组竹、竹胶合板之外，原态竹材因其中空、具节的特点以及天然的密度梯度和优良的力学特性在国内外的研究和利用备受关注。作为生物质材料，含水率对原态竹材的力学性能有明显影响，随着含水率的增加，圆竹表现出脆性行为到韧性行为的过渡[4]；竹筒壁厚从水分蒸发开始就发生了收缩，竹材内自由水蒸发的同时细胞壁内的结合水也在蒸发[5-6]。4年生毛竹圆竹的力学性能优于6年生圆竹，且从竹材基部到顶部呈现递减趋势[7]。圆竹的应用主要是作为建筑构件和结构材料，其基本力学指标满足作为结构材料使用的条件，可通过金属连接件的设计基本实现圆竹构件加工的标准化和施工的预制化[8]。此外，国家林业局北京林业机械研究所开展的竹材原态利用项目在蜂窝仿生的基础上将圆竹铣削成六方单元，再指接接长、侧面施胶重组用作梁或柱[9-11]，扩展了竹材的原态利用。

然而，竹材的原态利用不可避免地要面对干燥和开裂问题。干燥是竹材原态利用的基础和关键工序，竹材在纤维饱和点之上随水分蒸发就会产生收缩[12]，且外层的干缩程度大于内层[13]。有研究表明低温干燥有利于减少原态竹材的开裂缺陷[14-16]，不超过40 ℃的温和状态下，竹筒材的干燥过程比较温和，不会产生明显的缺陷[14]。直径范围为90～110 mm的原态竹材经蒸煮处理后，在温度50～58 ℃、湿度75%～85%、风速1.5 m/s的条件下干燥效果良好[15-16]。然而也有文章指出采用高温（温度从60 ℃升至120 ℃）干燥原态竹材则不会出现开裂现象[12]。此外，壁厚对竹筒的开裂也有影响，有研究指出竹壁越厚越不容易开裂[6]，但也有研究表明壁厚越大开裂程度越大[13]。在干缩或使用过程中，竹筒极易产生沿长度方向由竹青向竹黄扩展的裂缝，导致竹筒破坏而不能使用，因此圆竹防裂研究亦颇受关注，其处理方法可归纳为干燥处理、压注液体增容处理、涂刷桐油、筒身加箍等[6,13,17-18]。综上所述可知，对圆竹的研究基本集中于其物理力学性能、干燥、防裂相关的研究，而原态竹材环状收缩应变及机理的研究基本为空白状态。不论产区、竹种、竹龄或竹筒部位，干缩是原态竹材的共性特征，根据竹材自身结构的特殊性对原态竹材本体的研究是解决问题的根本和关键，故该研究以原态竹材为研究对象，对其失水收缩应变及行为机理进行研究和表征，该基础研究有利于原态竹材干燥缺陷的控制和竹筒防裂方法的改善，为开展竹材原态利用的研究提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 试样制备

毛竹（Phyllostachys pubescens）采自湖南益阳竹区，4年生。据课题组前期研究成果，适合竹材原态利用的圆竹直径在90～110 mm之间[15-16]，自地面往上20 cm处采伐。依据标准ISO 22157-1—2004《竹子.物理和机械性能的测定.第一部分：要求》将竹子加工成长度(L)和直径(D)相等（104.29±6.97）mm的竹筒试样（不含竹节），如图1所示，竹壁厚度(t)为（9.88±1.23） mm，试样气干含水率为(12.53±0.28)%。将所有试样放入常温水中浸泡2 d以达到试验所需含水率。

图1 试样制备示意图Fig.1 Schematic diagram of test sample preparation

1.2 试验设备

电热鼓风干燥箱：DHG-9070，湖南力辰仪器科技有限公司；数显游标卡尺：精度0.01 mm，世达工具（上海）有限公司；电子天平：精度0.01 g，型号YP-30002，湖南力辰仪器科技有限公司；数字散斑相关方法图像采集设备及分析系统。

1.3 试验方法

根据标准ISO 2257-1—2004，考虑到竹筒的对称性，如图2所示，在竹筒横切面上竹青环和竹黄环分别标记8个对称的点用以测量竹筒试样的整体变形数据。点间距的变化量依据公式Δd=d初-d末来计算，若Δd为正值，则表明点间距变小，呈收缩；若Δd为负值，则表明点间距变大，有扩张之势。试样长度的变化量计算方法与点间距的变化量计算方法相同。

试验采取40 ℃的环境，水分蒸发过程比较温和，利于观察分析原态竹材的收缩行为。将浸泡2 d的竹筒试样分别称重和测量尺寸后放入温度为40 ℃的鼓风干燥箱中，每个试样的变形数据和质量数据采集的时间点由密到疏（间隔为1、2、3、8、10 h），每个试样采集8组点间距数据、2组长度数据和1组试样质量数据，每次共采集点间距数据48组、长度数据12组、质量数据6组。经历44 h完成13次测量记录工作后，将试样放入（103±2）℃环境中直至绝干以获得各个时间点的各试样含水率。

图2 数据测量Fig.2 Data measurement

数字散斑相关方法（Digital speckle correlation method，DSCM）是发展于20世纪80年代的一种光学非接触测量方法，具有白光光源、光路简单、测量范围广、不需要隔振等诸多优点[19]，用于该研究以捕捉竹筒的环状收缩散斑图像并分析收缩应变。试验平台由国际竹藤中心实验室提供。

散斑制作：对气干竹筒端面喷洒黑色漆雾，在横截面形成均匀的黑色点状散斑，备用。

将带有散斑的试样通过DSCM图像采集设备进行拍摄采集图像，作为源图像，并标记拍摄部位。然后将试样放入（100±2）℃的鼓风干燥箱内加速水分的蒸发，实时观察，待竹筒出现细微裂缝时，缓慢冷却后采集标记部位的端面散斑图像作为目标图像，经由DSCM软件通过源图像和目标图像进行干缩应变场分析，X方向和Y方向的计算步长均为2，如图3所示。

图3 图像采集设备（左）及数字散斑相关方法图像分析软件（右）Fig.3 Devices of image capture (left) and DSCM soft (right)

2 结果与讨论

2.1 原态竹材收缩行为分析

在40 ℃环境下，竹筒收缩缓和，各部位变形较均匀。竹筒含水率变化趋势如图4所示，随时间的增加，含水率不断下降，下降速率由快至缓，尤其是在含水率低于气干含水率12.53%时，含水率的变化极缓，曲线呈现出ExpAssoc指数函数（R2=0.999 07）下降趋势。由图中数据还可以分析得出，试样含水率的离散性逐渐减小，随着时间的延长，各试样的含水率趋同明显。

图4 含水率变化趋势Fig.4 Moisture content change trend

测量结束时试样的竹青对称点、竹黄对称点和长度的变化量如图5所示。竹青对称点的点间距平均收缩量最大，而竹黄部位的平均收缩量较小。大部分点间距变化量为正值，表明竹筒整体呈现环形收缩，然而局部点间距变化量为负值，且该部位竹青和竹黄的点间距变化行为一致，说明在40 ℃环境下放置44 h之后部分竹材横截面部位的点间距变大了，这意味着此处发生了竹筒的椭圆状长轴变形，是收缩应力与扩张变形应力的交汇之处，往往易产生裂纹甚至开裂。长度的变化量最小，数据离散性亦小，说明各部位的长度收缩程度较为一致。

图5 竹青、竹黄点间距和试样长度变化量Fig.5 Change value of dot spacing on bamboo green, bamboo yellow and length

表1为竹青点间距、竹黄点间距和长度变化量之间的差异显著性分析结果。竹青对称点的点间距平均变化量为2.64 mm，竹黄的点间距平均变化量为1.91 mm，两者之间的差异不显著（P＞0.05），由于竹青的收缩量大于竹黄的收缩量，所以在竹筒整体干缩的同时表现为竹壁厚度的减小。而长度平均变化量为0.24 mm，相比竹青变化甚微，差异显著（P＜0.05）。

表1 竹青、竹黄点间距与长度变化量的差异显著性分析Tab.1 Signif i cant difference analysis of dot spacing on bamboo green, bamboo yellow and length

2.2 原态竹材环状应变分析

2.2.1 细微裂缝处的应变

有研究采用非接触式显微测试仪对不同温度条件下木材表面点与点之间的距离的变化进行测量，并用此应变速率来表征木材干燥过程中应力的状态[20]，该方法原理类似于DSCM。图6所示为竹筒横切面干缩后散斑图像及应变的分析结果。

图中Y方向应变值范围为-0.045 331 4～0.023 813 7，其中负值表示与Y轴正方向相反，坐标轴（x,327）处是Y方向正负应变转折点，对应竹筒横切面散斑图中细微裂缝部位。在Y轴小于327的区域，应变值为负，表明在裂纹处上方，竹材收缩是沿Y轴负方向；而在Y坐标大于327的区域，应变值为正，表明在裂纹处下方，竹材的收缩是沿Y轴正方向。x值较小区域对应竹青部分，应变值较大，表明竹青Y方向收缩程度较大。

图中X方向的应变值范围为-0.146 774～0.132 051，在x值较小的区域内，呈现的是与X轴正向相同的收缩，而在(x,327)裂缝附近，收缩应变发生了明显的变化，X轴正向急剧收缩之后转为沿X轴负向的收缩。由图中还可以看出，在x值较小的区域内收缩应变较大，而此区域对应竹青或靠近竹青的部位，由此可知，靠近竹青部分的X方向应变大于竹黄部分。

图6 裂缝周边的应变场Fig.6 Strain analysis on crack fi eld

2.2.2 非裂缝处的径向应变

将竹筒横切面同心圆整体平均划分为诸多小单元，并以小单元为研究目标来分析整体性能，如图7所示，选取非裂缝处竹青到竹黄较小矩形区域研究竹壁的径向应变，即X方向应变。X方向应变值范围为-0.041 446 2～0.356 171，从竹青到竹黄的应变规律较明显，靠近竹青部位的应变场由深色至浅色渐变，是沿X正向即向竹筒横截面环心收缩，颜色变化急剧，收缩程度由竹青向竹黄急剧减小。

图7 非裂缝处竹青到竹黄的X方向应变分析Fig.7 Strain analysis from bamboo green to bamboo yellow in X axial

2.3 讨论

2.3.1 环状收缩成因

试验初期，自由水和结合水同时蒸发[5-6]，竹材含水率下降速率快。随着时间的延长，自由水蒸发殆尽，结合水和吸着水蒸发不易，因此含水率下降速率缓慢，呈ExpAssoc指数下降。竹材主要由厚壁细胞组成的维管束和薄壁细胞组成的基本组织构成，靠近外表皮的竹青部位和靠近髓腔的竹黄部位均是由纤维素、半纤维素和木质素构成。其中纤维素和半纤维等成分的化学结构式中包含丰富的羟基（—OH）和羧基（—COOH），具有很强的吸湿和解吸功能，这决定了无论是竹青部位还是竹黄部位都会随着水分的蒸发而发生收缩。有研究表明原态竹材水分的蒸发不仅发生在端面，也同时发生在内外壁上[5]，然而竹材没有横向组织，竹筒外表皮和蜡质层以及髓腔内壁的严重木质化且壁层加厚的薄壁细胞组织阻碍了水分子的横向扩散[21]，因此水分在筒状竹材内部的移动通道主要是轴向排列的导管以及细胞间的纹孔。竹材干缩应变的产生源于应力的释放[22]，应变越大，表明水分子蒸发产生的内应力越大。竹青密度大、厚壁细胞多，意味着纤维素和半纤维素含量也多，收缩量也大，在原态竹材表现为环状的收缩应力，如图8所示，圆竹的内径和外径均缩小，但竹青环侧的收缩程度大于竹黄环侧，这与前人的研究结果竹青干缩变形大于竹黄干缩变形一致[12-13]，同时该研究证明了干缩的过程中竹壁厚度的变小源于竹青和竹黄的环状收缩差。顺纹收缩程度最小主要与纤维排列方向有关。

图8 原态竹材环状收缩示意图Fig.8 Schematic diagram of annular shrinkage of bamboo in original status

2.3.2 数字散斑相关方法的应变表征

从前述结果分析可知，DSCM对原态竹材横切面的裂缝处Y方向相反收缩应变充分说明了在竹筒壁上的某一点处是沿着该点呈环状收缩，裂缝产生进而应力得以部分释放，收缩应变继续，裂缝上下边缘向相反方向收缩，进而裂缝逐步向竹黄扩展；X方向应变亦可视化地呈现了竹青到竹黄收缩应变由大到小的变化趋势，密度越大收缩应变越大。由DSCM得到的测量结果与宏观现象一致，印证了筒状竹材的收缩是整体向心且具有收缩梯度的环状收缩过程。在无外力施加的状态下，原态竹材的收缩应力全部转化为应变，当应力超过一定强度就会产生明显的裂缝，应变明显的部位应力相对集中，所以竹青是干缩应力集中的部位。

2.3.3 裂缝产生成因

裂缝的产生是由环状收缩引起的，一旦收缩应力超过竹青厚壁细胞之间的结合强度，裂缝便开始产生，并缓慢向竹黄扩展。厚壁细胞壁厚腔小，其细胞壁层数多至十几层，且每层厚度不一，微纤丝角排列方向各异[21]。细胞壁厚意味着纤维素和半纤维素含量大，一旦水分子蒸发，纤维素和半纤维素中的吸着水和结合水就会脱离，纤维素和半纤维素分子间的空隙变小，水分子—OH与纤维素—OH的氢键断裂形成纤维素表面之间的氢键[23]。由于水分子蒸发产生的干缩应力是竹材本身产生的内应力，裂纹发生在密度大、强度高的竹青部位，这一点不同于外部加载破坏发生在材料相对薄弱的部位，例如在拉伸作用下，竹材经典的破坏模式是首先在密度小、强度低的竹黄部分出现裂纹或最初断口，然后裂纹扩展转为纵向最后破坏试件[24,25]；竹材的抗压破坏主要在靠近竹黄部位的端部出现[25]。

在干缩过程中，原态竹材的自身应力集中甚至产生自破坏是从密度大、力学强度优异的竹青部位开始的，因此如何减少或释放出水分蒸发引起的在竹青部位集中的内应力是防裂的关键所在。

3 结论

通过对原态竹材在40 ℃下44 h的收缩行为及其干缩应变分析研究，可以得出以下结论：

1）原态竹材含水率呈ExpAssoc指数函数下降，速率由急至缓，含水率离散性随干缩时间减小。横向收缩为环状向心收缩，竹青和竹黄同时收缩，竹青部位收缩程度大于竹黄部位，导致干缩过程竹壁厚度变小。相比之下，顺纹收缩最小，与竹青收缩相比差异显著。

2）数字散斑相关方法（DSCM）能够可视化地呈现竹材干缩裂纹处的应变以及竹青至竹黄方向的应变，应变表征与行为结果一致，印证其环状收缩。

3）竹材干缩产生的应力为内应力，集中在竹青部位从而导致破坏，不同于外部荷载破坏发生于材料的薄弱部位，为原竹防裂处理提供基础理论支撑和逆向思考，减少或释放高密度竹青部位的干缩内应力是解决原态竹材开裂的关键。

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