不同密度等级规格竹条力学性能研究3

刁倩倩， 杨利梅， 宋光喃， 孙正军， 刘 焕， 张秀标*

(国际竹藤中心，北京 100102)

研究与设计

不同密度等级规格竹条力学性能研究3

刁倩倩， 杨利梅， 宋光喃， 孙正军， 刘 焕， 张秀标*

(国际竹藤中心，北京 100102)

研究了不同密度等级规格竹条的顺纹拉伸、顺纹和横纹压缩、径向抗弯及径向和弦向拉伸剪切等力学性能，分析了各项力学性能与密度等级之间的关系及其破坏模式。结果表明：各项力学性能测试值随密度等级的增大而增大，密度分级能够在一定程度上优化规格竹条的力学性能。顺纹压缩强度远大于横纹压缩强度，径向拉伸剪切强度稍大于弦向拉伸剪切强度。相同密度等级的规格竹条，各项力学性能指标具有一定的差异性，还需要根据实际情况对规格竹条进行精细优化分级。

规格竹条；密度分级；力学性能；优化分级

我国是世界上竹材资源最丰富的国家[1]，享有“竹子王国”的美誉，而我国的木材资源相对匮乏，因此科学合理地开发竹材资源已成为有效缓解我国木材供需矛盾的关键[2-3]。竹材具有强度高、韧性好等优点，但作为一种天然生物质材料，其还具有尖削度大、中空壁薄、各向异性明显等特点[4-6]，如何高效合理地利用竹材已成为研究的重点[7-9]。木材的分级技术已十分成熟，但竹材的分级技术尚处于尝试阶段。20世纪80年代，马乃训等[10]就对毛竹竹材质量分级标准与方法进行了研究，之后江泽慧等[11-12]根据竹层积材的分级方法及竹材规则加工与分级方法申请了专利，宋光喃[13-14]通过对规格竹条的密度进行分级，按照0.05 g/cm3的密度区间将规格竹条分为D50、D55、D60等9个密度等级。

本试验以按密度分级的规格竹条为研究对象，测量了不同密度等级规格竹条的力学性能[15]，比较和分析了竹材在不同方向上力学性能的差异性和破坏模式，研究结果可为以规格竹条为基本加工单元的竹制品设计、制造和性能优化提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1试验材料

试验材料为4年生毛竹制造的规格竹条，购自浙江省新昌县沙溪镇嘉诚竹制品厂，规格竹条纵向长度L为2 100 mm，弦向宽度W为20 mm，径向厚度H为 6 mm，其气干状态下含水率为9.1%。

宋光喃等按气干密度将规格竹条分为9个密度等级，相邻等级密度间隔为0.05 g/cm3，分级结果见表1。由于D85、D90等密度等级较高的规格竹条数量较少，因此本试验选用D50～D80密度等级的规格竹条。

表1 竹条密度等级分级标准 g·cm-3

1.2 试验仪器与设备

英斯特朗万能力学试验机(INSTRON 5582)，试验机配备的载荷传感器有10 kN和100 kN，其相应的精度为±10 N和±100 N；精密推台锯(Festool-CS70)；游标卡尺(日本三丰)，精度0.01 mm。

1.3 试件制备及力学性能测试

抗弯曲试验、压缩试验、拉伸试验的试件制备及性能测试方法参考GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》，规格竹条拉伸剪切试件的制备和性能测试参考ASTM D906 《Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Plywood Type Construction in Shear by Tension Loading》。

1.3.1 顺纹拉伸强度

考虑规格竹条宽度有限，因此只对其进行顺纹拉伸试验。根据标准将试件加工成280 mm(L)×10 mm(W)×6 mm(H)的矩形试件，再将其加工成哑铃型，具体尺寸如图1所示，试件抗拉段要求无竹节，每个密度等级中各取15个试件。试件在测试过程中采用引伸计测量其应变，试验时首先预加载至10 N，然后再以3 mm/min的速率匀速加载，并在最大破坏载荷的50%左右移除引伸计，高密度等级(D65～D80)竹条在500 N移除引伸计，低密度竹条(D50～D60级)在300 N移除引伸计，引伸计移除后继续测试，直至试件破坏。

图1 顺纹拉伸试件示意图

1.3.2 顺纹和横纹抗压强度

抗压试验试件尺寸为20 mm(L)×20 mm(W)×t mm(H)，其中t代表竹条厚度，试验中t的理论值均为6 mm。在每个密度等级中各挑选10根无缺陷的规格竹条，在每根规格竹条上的不同位置截取3个试件，即每个密度等级中共有30个试件，其中顺纹压缩和横纹压缩试件各15个。抗压缩试件的尺寸示意图如图2所示。试验过程中首先预加载至10 N，然后再以4 mm/min的载荷加载速率匀速进行加载，直至试件破坏，破坏时间为(60±30)s。

1.3.3 径向抗弯弹性模量与强度

抗弯试验试件尺寸为160 mm(L)×10 mm(W)×6 mm(H)，跨距为120 mm。在每个密度等级中各取15个试件，在每个试件上进行径向(竹黄面朝上)抗弯弹性模量测试，然后再对试件进行抗弯强度测试。将试件置于试验装置上，先预加载至70 N，再以10 N/s的速度加载至200 N，重复6次，以后3次的试验结果平均值计算100～200 N之间的弹性模量值；抗弯强度测试在抗弯弹性模量测试之后，以10 mm/min的载荷加载速率加载，使试件在(60±30)s内破坏。径向抗弯试验装置如图3所示。

图2 压缩试件

图3 径向抗弯试验装置

1.3.4 径向和弦向拉伸剪切强度

拉伸剪切试验的试件尺寸为125 mm(L)×20 mm(W)×6 mm(H)，两槽间距离为25 mm，试件基本尺寸及试验装置如图4、图5所示，每个密度等级中径向和弦向试件各15个。将试件垂直夹持在抗拉夹具上，预加载至10 N，然后再以1 mm/min的速率加载直至破坏。

图4 径向拉伸剪切试件尺寸及试验装置

图5 弦向拉伸剪切试件尺寸及试验装置

2 试验结果与分析

2.1不同密度等级规格竹条的顺纹拉伸测试不同密度等级规格竹条的顺纹抗拉弹性模量和强度测试结果见表2。

表2 不同密度等级规格竹条顺纹抗拉弹性模量和强度测试结果

密度等级弹性模量平均值/GPa变异系数/%最小值/GPa最大值/GPa强度平均值/MPa变异系数/%最小值/GPa最大值/GPaD5039817472885115694176933177396D5543516703115436407188947458397D60532817480578787884470258938D655381149414625809298768869206D70597153835677684591684558910647D7561111615387028647102786529598D807141274650778824697073369155

不同密度等级规格竹条的顺纹拉伸弹性模量和强度的变化如图6和图7所示，从图中可以看出弹性模量和强度的平均值均随密度等级的增大而呈现增大的趋势，图7所示的D50～D75等级均呈现增加趋势，D80级的拉伸强度要比D75等级小。在所有密度等级的规格竹条中弹性模量最大值出现在D80等级，不同密度等级的规格竹条弹性模量的变异系数最大值出现在D50等级，变异系数值为17.47%，其弹性模量范围为2.88～5.11 GPa。D50和D55密度等级规格竹条强度的变异系数较大，D50等级的强度范围为33.17～73.96 GPa，D55等级的强度范围为47.45～83.97 GPa，主要原因可能是在规格竹条加工过程中竹青和竹黄的去留比例不一致造成的。从表2还可以看出相邻等级规格竹条的抗拉弹性模量和强度范围均有部分重合。结合图6所示的抗拉弹性模量随密度等级增大而增大的趋势，可以看出不同密度等级在一定程度上可以使其抗拉性能得到优化，但要得到精细优化可控的规格竹条，还需要在密度分级的基础上进行以应力或模量进行精细化分级，从而得到力学性能更加精确的规格竹条。

图6 不同密度等级规格竹条顺纹拉伸弹性模量

图7 不同密度等级规格竹条顺纹拉伸强度

2.2不同密度等级规格竹条的顺纹和横纹压缩强度测试

不同密度等级规格竹条的顺纹和横纹压缩强度测试结果见表3。

表3 不同密度等级规格竹条顺纹和横纹压缩强度测试结果

密度等级顺纹平均值/MPa变异系数/%最小值/MPa最大值/MPa横纹平均值/MPa变异系数/%最小值/MPa最大值/MPaD501870738156220475961237400797D55230344519512355750927649800D602542637237029678731206693977D65275249824093109104512778081271D70292046125493044110776010001154D75305150826083052123373910621355D80321792928943461126351410221331

由表3可以看出，各个密度等级规格竹条的顺纹抗压强度的变异系数均小于10%，横纹压缩强度的变异系数最大值为12.77%。在顺纹压缩过程中D60、D65、D70等级的变化范围分别为23.70～29.67 MPa、24.09～31.09 MPa、25.49～30.44 MPa，相邻两密度等级规格竹条的压缩强度范围均有部分重合。

不同密度等级规格竹条顺纹和横纹压缩强度变化如图8所示，从图中可以看出随着密度等级的增加，顺纹和横纹压缩强度均呈现增大的趋势，密度分级在一定程度上可以优化其压缩性能。在同一密度等级中顺纹压缩强度远大于横纹压缩强度，主要原因是竹材沿纵向有维管束、薄壁组织等，而横向则无此类支撑结构的细胞。

图8 不同密度等级规格竹条压缩强度

2.3 不同密度等级规格竹条的径向抗弯测试

不同密度等级规格竹条的径向抗弯弹性模量和强度测试结果见表4。

不同密度等级的径向抗弯弹性模量和强度变化曲线如图9和图10所示，从图中可以看出抗弯弹性模量和强度随密度等级的增加呈现增大的趋势，但D75等级的弹性模量低于D70和D80等级，D65等级的强度稍高于D70等级。

表4 不同密度等级规格竹条径向抗弯弹性模量和强度测试结果

密度等级弹性模量平均值/GPa变异系数%最小值/GPa最大值/GPa强度平均值/MPa变异系数/%最小值/MPa最大值/MPaD50728117557885182641083705910018D55795704736895897945185699533D6091411911205797106771389920813915D6510087309201120124346781145714073D7010667758701261123657861051413814D7510214799151101127715071192013777D8011255209721235130446571144514329

图9 不同密度等级规格竹条径向抗弯弹性模量

图10 不同密度等级规格竹条径向抗弯强度

由表4可知，不同密度等级规格竹条的径向抗弯弹性模量的变化范围为5.78 ～12.35 GPa，强度的变化范围为70.59～143.29 MPa。D60等级的强度变异系数最大为13.89%，强度范围为92.08～139.15 MPa，D65等级的强度范围为114.57～140.73 MPa，相邻等级的弹性模量和强度值均有部分重合。

2.4不同密度等级规格竹条的径向和弦向拉伸剪切测试

不同密度等级规格竹条的径向和弦向拉伸剪切强度测试结果见表5。

表5 不同密度等级规格竹条径向和弦向拉伸剪切强度测试结果

密度等级径向平均值/MPa变异系数/%最小值/MPa最大值/MPa弦向平均值/MPa变异系数/%最小值/MPa最大值/MPaD5031512262583662391936184315D5531713382373872331439192290D6032315502343822341661187304D653486902663672851634218358D703828443093893002023225443D753566573514403101337243356D8038918143123823201633260373

从表5中可以看出，不同密度等级规格竹条的拉伸剪切强度均较低，径向拉伸剪切强度范围为2.58～3.89 MPa，弦向拉伸剪切强度范围为1.84～3.73 MPa。从D50到D80等级，规格竹条的径向和弦向拉伸剪切强度呈增大趋势，如图11 所示，不同密度等级的径向拉伸剪切强度值要大于弦向拉伸剪切强度值。

图11 不同密度等级规格竹条拉伸剪切强度

2.5 不同密度等级规格竹条的力学性能破坏模式

试件顺纹拉伸试验的破坏模式如图12所示。在试件顺纹拉伸过程中，主要是先从中间部分的竹黄面断裂，由于靠近竹黄处的维管束与靠近竹青处的维管束相比分布较疏松，从竹青到竹黄处密度逐渐变稀疏，因此在试验过程中竹黄处先出现裂纹，然后逐渐扩展至竹青处。低密度等级规格竹条的破坏模式如图12a所示，可以看出其断裂面比较整齐，呈“一”字型，主要原因是低密度等级规格竹条的竹青和竹黄处密度相差不大。较高密度等级规格竹条的破坏模式如图12b所示，可以看出其断裂面呈现“T”或“L”型的破坏模式，这主要是由于竹青和竹黄处密度相差较大。

图12 试件顺纹拉伸试验破坏模式

试件顺纹和横纹压缩试验的破坏模式如图13和图14表示。从试件的破坏模式看，顺纹压缩破坏主要为竹纤维之间的断裂破坏，破坏层一般位于竹青和竹黄的中间部分，如图13a、13b所示，试件被压溃时主要表现为向竹青侧弯曲；而横纹压缩破坏主要是由于竹黄侧密度较低，承受强度较低，所以竹黄侧先出现裂痕被压溃，然后逐渐扩展至整个径切面，试件被压溃时均向竹黄面弯曲，与顺纹压缩向竹青面弯曲的情况正好相反。

图13 顺纹压缩破坏模式

图14 横纹压缩破坏模式

在径向抗弯试验过程中，由于规格竹条的竹青面朝下，其破坏主要先从竹青处开始出现裂纹，之后裂纹逐渐扩展，直至破坏，如图15a所示，而图15b、15c则分别从不同方向展示了径向抗弯试验的破坏模式。

图15 试件径向抗弯曲试验破坏模式

径向和弦向拉伸剪切破坏模式如图16、图17所示，弦向拉伸剪切破坏面积要比径向拉伸剪切破坏面积大，但在进行数据分析时发现，弦向的拉伸剪切强度稍小于径向的拉伸剪切强度，这主要是由于弦向的破坏层位于竹青和竹黄之间的某一层，在该破坏层中密度分布均匀，而径向的破坏层则是贯穿于整个竹青竹黄部分的径切面，而竹青处维管束分布密集，密度较大，因此在拉伸剪切破坏时受到的阻力相对较大，因此其强度要比弦向拉伸剪切强度大。

图16 径向拉伸剪切破坏模式

图17 弦向拉伸剪切破坏模式

3 结论与讨论

(1)不同密度规格竹条的各力学性能指标均值均随密度等级的增大呈现增大的趋势，密度分级能够在一定程度上优化规格竹材的力学性能。

(2)不同密度规格竹条的抗弯强度、抗拉强度、抗压强度均大于纵向剪切强度，且顺纹压缩强度远大于横纹压缩强度，径向拉伸剪切强度稍大于弦向拉伸剪切强度，说明竹材具有较好的抗拉、抗弯和抗压性能，但纵向抗剪能力较弱。

(3)相同密度等级的规格竹条，各项力学性能指标具有一定的差异性，因此在制备竹产品时，对强度没有要求的可以优先采用密度分级的方法，而对强度有要求时，分级方法还需要优化，包括基于密度的模量分级以及基于模量的密度和强度分级等。

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(责任编辑 张雅芳)

StudyontheMechanicalPropertiesofDimensionBambooStripsofDiffeentDensityGrades

DIAOQian-qian，YANGLi-mei，SONGGuang-nan，SUNZheng-jun，LiuHuan，ZHANGXiu-biao*

(International Centre for Bamboo and Rattan，Beijing 100102，China)

The mechanical properties of dimension bamboo strips of different grades，including tension along the grain，compression along the grain and perpendicular to the grain，radial bending resistance and radial and chordwise tensile shearing，are studies，and the relationship between each mechanical property and density grade and the damage mode are analyzed.The result shows that each mechanical property test value increase with the rise in the density grade and that the density grade can optimize the dimension bamboo strips to a certain degree.The compression intensity along the grain is much greater than that perpendicular to the grain.Each mechanical property indicator of the dimension bamboo strips of the same density grade presents certain difference and fine optimized grading of dimension bamboo strips is required based on the actual situation.

dimension bamboo strip；density grading；mechanical properties；optimal grading

TS621

A

2095-2953(2017)12-0015-07

2017-07-21

国际竹藤中心基本科研业务费项目(1632015001)；国际竹藤中心基本科研业务费项目(1632015004)

刁倩倩(1990-)，女，河北沧州人，硕士研究生，主要从事竹质工程材料的研究，E-mail：13671293302@163.com。

*通讯作者：张秀标(1983-)，男，安徽阜阳人，助理研究员，博士，主要从事竹藤材深加工利用技术的研究，E-mail：zhangxb@ icbr.ac.cn。