水分影响竹材力学性能研究现状

陈 琦，陈美玲，费本华

(国际竹藤中心，国家林业局/北京市竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102)

随着木材资源的枯竭和以竹代木等政策的推广，竹子因其比强度高、韧性好、性能稳定等力学优势而越来越广泛的被应用在建筑材料、房屋结构、装饰材料等领域[1-4]。水分贯穿于竹材的整个生命周期，从形成过程到后期的加工、制备、使用等，水分都起着重要的作用。论文从含水率和环境湿度2个方面综述国内外关于水分对竹材力学性能影响的现状。

1 含水率对竹材多尺度力学性能的影响

含水率是竹材力学性能的重要影响因素，不同含水率的竹材，其力学性能没有可比性[5]，因此许多标准对此做出明确规定。《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[6]中规定，在测试某些力学性能(顺纹抗压强度、横纹比例极限应力等)时，试样含水率应为12%，若含水率在5%～30%范围内则需要考虑含水率修正系数。竹材的应用方式不同，含水率的要求也不同。《非结构用竹集成材》[7]要求在5%～15%；《结构用竹木复合板》[8]中要求低于14%；《竹编胶合板》[9]中规定含水率要低于15%；《竹地板》[10]要求在6%～15%；《竹木复合层积地板》[11]则要求在6%～14%。竹材是一种多级结构的天然纤维增强复合材料，为了深刻理解含水率对竹材力学性能影响的本质，需要开展从宏观到微观水平的完整力学测试和研究体系[12-13]。

1.1 含水率对竹材宏观力学的影响

含水率对竹材的大多数力学指标有影响，但是不同力学指标的影响程度不同。王汉坤[12]研究了不同含水率对竹材顺纹抗压、顺纹拉伸、顺纹抗剪和弯曲强度的影响。结果表明，除了顺纹抗压强度随着含水率的增加呈线性减小，剩下的3个力学指标均呈减小-(增加)-平稳-减小的变化趋势。含水率对4个力学指标的影响程度存在显著差异，含水率从5%到饱水状态，下降最多的是顺纹抗压强度，其次是顺纹抗剪强度、顺纹拉伸弹性模量，弯曲模量下降最少。通过电镜观察2种含水率的竹材的破坏模式发现，饱水状态下的纤维细胞断裂后其分离表面整洁，薄壁细胞之间的间隙分离；但气干状态下的纤维细胞断裂后其分离面有大量的纤丝残留，薄壁细胞本身断裂。

在研究含水率对竹材力学性能的影响时发现，这一影响常常受其他因素的耦合作用，其中影响较大的是竹材的密度或比重。王汉坤等[14]在研究含水率对竹材的顺纹抗压强度的影响时发现，虽然在纤维饱和点以下时，含水率的增加会导致抗压强度降低。但竹材本身的密度会削弱含水率的这一作用，因为密度较大的竹材，其从气干到饱水降幅较小，所以其性能更趋于稳定。因此，构建了以基本密度和含水率为组合变量的抗压强度模型，拟合度达到0.949 6。Wakchaure等[15]认为不同比重的竹材的含水率对力学性能的影响是没有可比性的。

竹种不同，含水率对其力学性能的影响不同。关明杰[16]测定了含水率对黄竹、龙竹、甜竹和毛竹的抗弯弹性模量的影响。结果表明，随着含水率的增加，4种竹材的弯曲模量都下降，但是下降最多的是甜竹，最少的是毛竹。作者对含水率和抗弯强度模量关系进行了曲线拟合，认为抗弯模量发生转折的关键点即为竹材的纤维饱和点。Jakovljevic′ S等[17]研究了自行车用的2种竹材(青篱竹、苦竹)分别在干、湿2种状态下放置21 d后的拉伸、压缩、弯曲性能的变化，结果表明试样的质量并没有发生太大的变化，但是低含水率竹材的弯曲强度和压缩强度明显更大。通过显著性分析发现，含水率对青篱竹的拉伸性能影响较小，对苦竹拉伸性能影响较大。Chung等[18]研究了撑篙竹和毛竹的抗压性能和抗弯性能随含水率的变化。含水率在5%以下时，性能不发生太大的变化；含水率在5%～30%的范围内，除了毛竹的弯曲强度不受影响外，其他力学性能均呈线性下降；此后含水率的变化对2种竹材的力学性能影响不大。因此，在进行实际的工程设计时，需要参考竹材最高含水率时的力学测试值。

竹龄的不同也会导致含水率对竹材力学性能的影响程度不同。江泽慧等[19]研究了0.5、1.5、2.5、4.5年生的竹材的力学性能随含水率增加的变化趋势。结果发现，年龄较小的竹材的剪切强度受含水率的影响较大。王汉坤[12]认为含水率对竹材的力学性能的影响可以按照竹龄划分为2个阶段，0.5 a内的竹材，其细胞只有物理形态，没有化学成分填充，所以主要是结构影响；0.5 a后，细胞壁化学成分逐渐形成，在1.5 a后达到稳定，此后便主要是化学成分的影响。关明杰[16]的研究结果表明不同竹龄的竹材的纤维饱和点不同，因此其力学性能的拐点也不同。

当竹材的不同立地高度不同时，其含水率对力学性能的影响程度也不同。Wakchaure等[15]研究了竹材的上、中、下3个部分在放置1、6、12个月后含水率和力学性能的变化。结果发现上部分的竹材的抗压强度随含水率的增加而减少，这一变化在无节材中体现得更明显。而含水率对中、下部分的竹材没有显著影响。Xu等[20]为了研究雨水对竹脚架的力学性能的影响，取圆竹的上、中、下3个部分分别在水中浸泡0、1、7 d测试其含水率及压缩强度、纵向剪切强度、拉伸强度及断裂韧性的变化。结果表明含水率从12%到其纤维饱和点30%，所有性能的均下降。处在竹材顶端部位的竹材因其纤维含量更高，所以强度更高。作者认为含水率之所以会影响拉伸强度是因为竹材吸水后体积变大，从拉伸的计算公式可以判断，体积增大，拉伸强度会减小。研究结果同样发现竹节对竹材强度的下降有一定的抑制作用，因为节子会阻止水分的扩散。综上所述，含水率对竹材的力学性能的影响还受竹材的密度、竹龄、立地高度等其他因素的协同作用，因此在考察含水率的影响时，应尽量控制其他参数，得出较为准确的结果。此外，大规格的竹材如竹屋、竹管道、竹角架等应用越来越广泛，需加大对大规格竹材的力学性能实验，建立相关标准，为理论分析和数据分析提供依据。

1.2 含水率对竹材微观力学性能的影响

竹纤维是竹子的主要承重单元，因此学者们研究了含水率对竹纤维力学性能的影响。王汉坤等[21]研究了含水率变化对单根竹材纤维纵向拉伸的力学性能的影响。结果表明含水率从5%增至26%，竹纤维的拉伸强度和拉伸模量呈线性下降，但是断裂伸长率出现了小幅度的增加。Yuyan等[22]也得出相似的结果，同时也发现当含水率低于10.8%时，拉伸强度对水分的变化不敏感。叶静远等[23]测试了竹浆纤维在干、湿2种状态下的力学性能。结果发现，干纤维的拉伸断裂比强度大于湿纤维，但是湿纤维的抗塑性变形能力更好。

考虑到竹材是一种具有从纳米到宏观尺度的精巧分级结构的天然纤维增强复合材料[13]，在纳米尺度上，学者们研究了纤维细胞壁的力学性能与含水率的关系。Wang等[24]利用纳米压痕技术研究了含水率变化对竹材纤维细胞壁的力学性能的影响。随着含水率的增加，细胞壁的S2层的压入模量、硬度下降，而压入深度和残余变形增加。Youssefian等[25]在进行纳米压痕测试时发现当压痕平行于纤维素微纤丝时，弹性模量先增大后减小；但当压痕垂直于纤维素微纤丝时，弹性模量随含水率的增加线性下降。

竹材与木材的化学成分相似，主要由天然高分子聚合物纤维素、木质素和半纤维素组成[26]。许多学者研究了木材中三大素的力学性能与含水率的关系，而关于竹材的研究较少。在对木材的研究中发现，有序排列的纤维素是不吸水的[27]，但是纤维素中的无定形区仍然会与水分发生相互作用。Xu等[20]推测含水率对竹材纤维素力学性能的影响大于木质素，因为压缩和剪切强度受纤维素影响，拉伸强度受木质素影响，而含水率的变化对压缩和剪切强度影响更大。Zhang等[28]也测试了竹材的微纤化纤维素的力学性能随含水率从0～60%的变化，结果表明其拉伸强度和杨氏模量下降，但是断裂伸长率增加。Youssefian等[25]研究了竹材半纤维素、木质素以及木素-碳水化合物复合体(LigninCarbohydrateComplex,简称LCC)的弹性模量与含水率的关系。结果表明木质素与LCC的弹性模量随着含水率的增加先增加后减少，而半纤维素的弹性模量线性降低。作者采用分子力场(Compass)模拟了水分子与3种物质之间的相互作用，得出了水分与3种物质之间的径向分布函数。结果表明，虽然半纤维素的羟基数量更多，但是因其主要分布在主链或环上，不易与水分子结合，而木质素的羟基虽然数量少，但主要存在于支链上，所以更易于水分子发生结合。作者还计算了3种物质随着含水率增加的自由体积变化，自由体积理论认为固体物质的体积由2部分组成，一部分是有分子占据的体积，一部分是没有分子占据的自由体积，因为有自由体积的存在，分子链才能发生运动。自由体积的计算结果表明，半纤维素的自由体积随含水率的增加线性增加，自由体积的增加导致体系中的空白部分增加，所以弹性模量下降，这与弹性模量的测试结果一致。此外，木质素与LCC的自由体积是先减小后增加的。作者认为在含水率较低时(低于10%)，水分子和竹材的结合形成氢键，因而体系的自由体积减少，而后含水率的增加，水分子更倾向与自己结合，在材料内部形成纳米水珠，自由体积增加。但是曹金珍[29]从介电弛豫和热力学角度出发，研究木材的水分吸着过程发现，含水率较低时，水分子主要是与自己结合，随着吸着的继续，含水率进一步增加，水分子才会逐渐与木材结合。多尺度的研究含水率对竹材力学性能的影响仍是当前的研究热点，深入开展相关研究能从根本上揭示竹材与水分之间的相互作用机理。

2 含水率对竹材黏弹性力学的影响

竹材作为一种生物质高分子聚合物材料，其力学性能会随着时间发生变化，竹材这种应力-应变的时间依存性即为黏弹性。对竹材黏弹性而言，含水率是一个重要的影响因素，许多学者研究了含水率对竹材黏弹性中的蠕变性能的影响。张晓敏等[30]研究了不同含水率竹材径向压缩时的蠕变行为，结果表明其蠕变形为可以用“勃格模型”准确模拟，且勃格四元参数(瞬时弹性模量、延时弹性模量、黏弹性系数、黏性系数)均随含水率的增加而减小。因为水分是木质素的增塑剂，可使木质素的玻璃化转变温度降低，因此含水率增加时，材料的变形增加。涂道伍等[31-32]研究了竹材横纹压缩的蠕变行为，结果与张晓敏的几乎一致。认为水分会进入竹材的高分子的分子链之间，减弱分子间的结合力，切断氢键结合，使分子键相互错位变得更容易。此外，水分还能起到润滑剂的作用，使纤维素分子链更易滑移。Yuyan等[22]研究了单根纤维不同含水率时的蠕变行为。结果表明，含水率从7.5%增至10.2%，材料的蠕变陡增，而后含水率的增加不再引起蠕变的变化。叶远静等[23]发现湿竹浆纤维的抗蠕变性能和抗应力松弛比干竹浆纤维好。而在含水率循环变化过程中，马欣欣等[33]发现随着循环次数的增加，竹材的相对蠕变的增量逐渐减少。

除了蠕变外，学者们还研究了含水率对竹材松弛和阻尼的影响。涂道伍等[34]研究了含水率对竹材的横纹压缩的应力松弛，采用了五元的Maxnell流变模型拟合了一定应变水平下不同含水率的应力松弛。结果表明随着含水率的增加，5个元件参数(2个衰变弹性系数、平衡弹性、2个阻尼体粘滞系数)呈线性下降。因为水分切断了竹材分子间的氢键结合，使分子更易滑动，促进了应力松弛。Shioya等[35]研究表明竹材的阻尼比随含水率的增加呈先保持平稳后增加的趋势，这说明随着水分增加，竹材在震动过程中的能耗增加。

3 含水率对竹材加工性能的影响

纤维饱和点下时，含水率的增加会使竹材的各项力学性能下降，但是往往使竹材的加工变得更容易。Matan等[36]研究了不同的含水率对竹材软化行为的影响，结果表明纤维饱和点以下时，含水率升高会降低竹材的玻璃化转变温度；纤维饱和点以上，细胞腔中的水分对玻璃化转变温度没有影响。黄梦雪[37]也得出相似的结果，同时得出从竹青到竹黄，降幅增大。作者认为含水率增加，半纤维素降解，水分子更易进入毛竹纤维的无定形区使纤维膨胀，因而纤维素分子之间的相互移动变得更容易，所以弹性模量降低，竹材塑性增加，玻璃化温度降低[38]。但并不是所有学者都认为含水率只在纤维饱和点以下时对竹材的加工性能起作用，Parkkeeree等[39]研究了不同含水率(0%，12%，46%)下的竹材的展平率及所需的展平温度，结果发现含水率越高，展平率越大，且需要的展平温度越低。杨永福等[40]研究不同含水率对竹材的切削力的影响。结果发现在纤维饱和点(30%～35%)以下时，竹材的主切削力随着含水率的增加逐渐增加，但在纤维饱和点以上时，主切削力随着含水率的增加缓慢下降，说明水分在竹材中的软化作用逐渐明显。王宝金[41]也发现含水率增加时，节间切削阻力减小,而节部切削阻力变化不大因此。水分能使竹材加工性能变好，所以在实际生产过程中，设定含水率参数时不仅要满足性能的需要，还要考虑环境、能耗等因素，从而提高竹材的加工性能。

4 环境湿度对竹材力学性能的影响

在研究含水率对竹材力学性能的影响时，学者们往往将其视为一个定值，但是因为竹材具有吸湿性，其内部的含水率会随着环境湿度的变化而变化，这时竹材的含水率就不再是一个定值，而是一个动态的变化过程。学者们认为竹材的含水率与环境湿度呈明显的函数。Hamdan等[42]根据“Hailwood-Horrobin”吸湿理论，得出了竹材的平衡含水率与环境相对湿度的模型，该模型的计算值与实验值最大偏离0.4%。王汉坤等[21]将单根竹纤维的含水率与环境湿度进行拟合，得到了一个三阶函数，相关系数R2=0.948 3。正因为环境湿度与竹材的含水率之间存在较明显的函数关系，因而只有少数学者研究了环境湿度与竹材力学性能的影响。Askarinejad等[43]测试了环境湿度变化对圆竹筒扭转力的影响。扭转过程的剪切强度和剪切模量随着湿度的增加先增加后减小，分析原因是因为湿度增加，竹材的软化行为增加。马欣欣等[33]的研究结果表明竹材在解析状态下的蠕变速率高于吸湿状态，且变湿条件下的蠕变挠度大于恒湿条件。环境湿度影响竹材力学性能的研究较少，已有的研究也并未考虑到材料的干缩湿胀和水分应力差引起的应力问题等，且还没有关于湿度变化过程中竹材力学性能的实时检测的研究，因此有待进一步加大研究力度。

5 总结与展望

综上所述，通过学者们多年的研究，关于水分对竹材力学性能的影响及其作用机理有一定程度的了解，但是随着以竹代木和生态文明建设等政策的推进，竹材在各个领域的应用将会更加广泛，而水分与竹材的相互作用还有很多关键点有待研究：大规格竹材的应用越来越广泛，需加大对大规格竹材的力学性能实验，建立相关标准，为理论和数据分析提供依据；断裂力学是工程领域十分重要的力学组成部分，但是水分对竹材断裂力学的影响及其作用机理的研究很少，尚需开展相关研究；深入研究含水率对竹材多尺度力学性能的影响能从根本上揭示竹材与水分之间的相互作用机理；环境湿度对竹材力学性能影响应考虑到材料的干缩湿胀和水分应力差引起的应力问题等，且应建立湿度变化过程中竹材力学性能的实时检测系统。

目前，竹材在各个领域中的应用均处于快速成长的阶段，充分、系统的研究竹材力学性能与水分之间的关系有助于进一步拓宽竹材的应用范围，提升竹材的应用水平。