毛竹实生苗物理力学性质的研究

徐海琉王 聪杨 东俞友明*

毛竹实生苗物理力学性质的研究

徐海琉1王 聪2杨 东2俞友明1*

（1.浙江农林大学，临安 311300；2.浙江省木雕红木家具产品质量检验中心，东阳 322100）

以材性优异且同样条件下种植的当地鞭生毛竹为参比，研究了毛竹实生苗竹材的物理力学性能。结果表明，毛竹实生苗竹材的气干密度为0.617 g/cm3，小于鞭生竹的气干密度(0.662 g/cm3)；全干密度为0.562 g/cm3，小于鞭生竹的全干密度（0.607 g/cm3）；气干或全干时，毛竹实生苗的干缩率均小于鞭生竹；除顺纹抗拉强度外，毛竹实生苗的顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度均低于鞭生竹。因此，毛竹实生苗具有较高的强重比，相比鞭生竹材，具有密度较低、干缩率较小、力学强度性能良好的特点。

实生苗；毛竹；物理力学性质

与树木比较，竹子生长快、轮伐期短，竹材的生产利用具有很大的发展空间。我国竹材利用最广的是毛竹(Phyllostachys pubescens)，是材质最好、用途多、分布广的优良竹材品种。但是，我国毛竹造林技术一直采用几千年来传统的母竹移植法，造林成本高、运输不便等因素制约着毛竹产业的发展。毛竹实生苗造林是20世纪60年代初发展起来的一项造林新技术,经过30多年的实践,毛竹实生苗造林以其成本低、种苗运输方便、适宜大面积造林等优点得到了迅速推广[1]。竹材的物理力学性质是竹材主要的质量指标，了解竹材的物理力学性质对竹材的有效利用有重要的实际意义。目前关于毛竹实生苗物理力学性质的研究还处于空白，本文研究了毛竹实生苗的竹材密度、干缩性、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗剪切强度及抗弯强度等相关性能指标，为促进当地竹材资源的高效利用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试材采集

2015年7月，在安徽省霍山县的竹林中采集5年生毛竹实生苗（种子由当地农户从安徽省金寨县引进）和当地材性优异且同样条件下种植的鞭生毛竹各4株，要求竹子生长正常，无病虫害，胸径差异不大，平均值10 cm。取材时砍口齐地，从砍口向上取2 m，编号。试材基本性状见表1。

表1 试验用毛竹实生苗与鞭生竹特点

1.2 试件加工

1.2.1 试件锯截部位

根据试验内容要求，将试件从基部平均锯成3段，分别编号。为了保证各种试件取自相对一致的位置，将圆筒剖开，对称取材，各制作48个试件,每一段试材自基部至上部按下列顺序截取试件：气干密度试件、全干密度试件、干缩性试件、顺纹抗压强度试件、顺纹抗剪切强度试件、抗弯强度试件和顺纹抗拉强度试件。

1.2.2 试件的规格与要求

试件端面应相互平行,并与侧面垂直。测定基本密度试件规格：10 mm×10 mm×t mm(t为竹壁厚)；测定干缩性试件规格：10 mm×10 mm×t mm；测定顺纹抗压强度试件规格：20 mm×20 mm×t mm；测定抗弯强度试件规格：160 mm×10 mm×t mm；测定顺纹抗拉强度试件规格：280 mm×10 mm×t mm，破坏断面为2 mm×t mm；顺纹抗剪强度试件的制作规格详见“GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》”[2]。

1.3 试验方法

参照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》中相关规定进行竹材各项物理力学性能试验[2]。

采用SPSS统计分析软件，通过统计分析模块中的Tukey检验进行数据分析（取显著性水平为0.05）[3]。

2 结果与分析

2.1 密度

密度是竹材重要的物理性质，在很大程度上影响着竹材的力学性能，一般来说，竹材密度越大，其力学性能越好；作为材用竹，较大的力学强度是有利的，但密度过大也会降低产品的轻便优势[4-5]。竹材的密度同时对其人造板加工利用也有着重要作用，影响竹篾加工性能、施胶量以及热压成型过程中所需的时间、温度和压力[6]。由表2可知，毛竹实生苗气干密度0.617 g/cm3,全干密度0.562 g/cm3；相同环境下生长的当地鞭生竹气干密度0.662g/cm3，全干密度0.607 g/cm3。相比鞭生竹，毛竹实生苗气干密度低了7.29%，全干密度低了8.01%，说明毛竹实生苗相对鞭生竹材较为轻质。

表2 毛竹实生苗与鞭生竹密度对比

表3 毛竹实生苗和鞭生竹密度方差分析

由表3可知，气干密度、全干密度数据存在显著性差异，说明鞭生、实生两种不同的培育方式对竹材的密度影响较大。

2.2 干缩率

竹材在干燥过程中因失水而引起线向和体积的收缩，称为竹材的干缩性[7]。木材的干缩湿胀特性是木材加工利用上的一大难题，它不仅改变木材的尺寸和体积，还会因干缩不均及干缩各向异性而引起竹材干裂、翘曲变形等缺陷。对竹材干缩性的研究，可以为其干燥工艺参数的调整和加工利用方式的选择提供科学依据[8]。由表4可以看出，毛竹实生苗和鞭生竹材的干缩性表现为：弦向干缩率＞径向干缩率＞纵向干缩率。毛竹实生苗径向气干干缩率为2.35%，弦向气干干缩率为2.86%，纵向气干干缩率为0.29%，均略低于鞭生竹（径向气干干缩率为2.47%、弦向气干干缩率为2.94%、纵向气干干缩率为0.38%）。毛竹实生苗径向全干干缩率为3.72%，弦向全干干缩率4.70%，纵向全干干缩率为0.42%，同样都低于鞭生竹（径向全干干缩率3.95%、弦向全干干缩率5.60%、纵向全干干缩率0.51%）。

表4 毛竹实生苗和鞭生竹干缩性对比 %

表5 毛竹实生苗和鞭生竹材干缩率方差分析

由表5可知，除弦向全干干缩率外，其它5项干缩率数据都不存在显著性差异，说明鞭生、实生两种不同的培育方式，对竹材的径向气干干缩率、弦向气干干缩率、纵向气干干缩率、径向全干干缩率及纵向全干干缩率均呈不显著影响，对弦向全干干缩率影响显著。

2.3 力学强度

竹材韧性强，可以承受压力是其最广泛的用途之一，因此抗压强度是重要的力学特征之一。由表6可知，毛竹实生苗的顺纹抗压强度为51.42MPa，比鞭生竹抗压性能（59.22 MPa）略低，比竹龄相当的红壳竹（Phyllostachys iridescens 55.90 MPa）[9]强度略低，与松木（Pinaceae40～65MPa）和麻栎（Quercus acutissima 50～70 MPa）等高强度木材相当。这说明，如果采用毛竹实生苗竹材替代木材作为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，竹材抗拉强度越大,则以此为原料制成的竹板抗拉性就越强。一般来说,抗拉强度与竹材密度及竹纤维强度有着密切的关系,竹材密度、纤维强度越大,则其抗拉能力也就越强[10]。毛竹实生苗的顺纹抗拉强度为161.90 MPa，比鞭生竹（158.50 MPa）略高；与木本植物黄山松（Pinus taiwanensis Hayata 101.80 MPa）[11]相比，优势较明显。抗剪强度对原竹建筑尤其是建筑节点强度有较大的影响，毛竹实生苗的顺纹抗剪强度为10.29 MPa，略小于鞭生竹（11.09 MPa），和椴木 Tilia amurensis、乌桕 Sapium sebiferum及侧柏Platycladus orientalis等建筑用木材抗剪性能相当。毛竹实生苗的抗弯强度为122.90 MPa，比鞭生竹（128.20 MPa）低 4.3%，毛竹实生苗的抗弯强度高于常用木质建筑材料树种，如马尾松（70～90 MPa）[12-14]。

表6 毛竹实生苗与鞭生竹材的力学性能比较

由表7可知，顺纹抗压强度、抗弯强度数据存在显著性差异，顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度数据不存在显著性差异。这说明，鞭生、实生两种不同的培育方式，对竹材的顺纹抗压强度、抗弯强度影响显著，对顺纹抗拉强度及顺纹抗剪强度的影响不显著。

表7 毛竹实生苗和鞭生竹材力学强度方差分析

3 结论

3.1 毛竹实生苗竹材的气干密度为0.617 g/cm3，全干密度为0.562 g/cm3，相比鞭生竹材更为轻质。

3.2 毛竹实生苗的干缩率特性表现为：弦向＞径向＞纵向，各向干缩率均小于鞭生竹材，表明毛竹实生苗的尺寸稳定性较高，在运输与干燥过程中不易发生翘曲与干裂等材质缺陷。

3.3 毛竹实生苗顺纹抗压强度为51.42 MPa，顺纹抗拉强度为161.90MPa，顺纹抗剪强度为10.29MPa，抗弯强度为122.90 MPa；除顺纹抗拉强度外，顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度和抗弯强度3项指标均略低于鞭生竹材。总体来说，毛竹实生苗具有较高强重比，从力学性能上看，可考虑将其用作竹板材原料。

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（责任编辑：潘启英）

Study on Physico-mechanical Properties of Moso Bamboo Seedlings

XUHailiu

（Zhejiang A&F University,Lin′an 311300）

The wood physico-mechanical properties of themoso bambooseedlings were studied,comparing with the fine local whipmoso bamboos planted under the same conditions.The results showed that the air-dried density of themoso bamboo seedlings was 0.617 g/cm3,and the oven-dried density was 0.562 g/cm3,both lower than those of whipmoso bamboos(0.662 g/cm3and 0.607 g/cm3).Both the air-dried and oven-dried shrinkage of the moso bamboo seedlings were lower than those of whip moso bamboos.Except the tensile strength parallel to grain,the compression strength parallel to grain,the shearing strength parallel to grain and bending strength of the moso bamboo seedlings were all lower than those of whip moso bamboos.Therefore,the moso bamboo seedlings have a high ratio of strength to weight with the characteristics of lower density,lower dry shrinkage and good mechanical strength compared to whip moso bamboos.

Seedling;Moso bamboo;Physico-mechanical property

S795.9,S781.29

A

1001-9499（2017） 06-0005-04

第1作者简介：徐海琉（1991-），男，硕士研究生，研究方向为新型材料与工程技术。

俞友明，博士，教授，主要从事木材复合材料方面的科研与教学工作。

2017-09-12