毛竹竹篼顺横纹抗剪性能的试验1)

张荣兴 张德晖 黄文城 郑文鑫

(福建农林大学，福州，350002) (现代农业装备福建省高校工程研究中心(福建农林大学))

毛竹系禾本科刚竹属，单轴散生型常绿乔木状竹类植物，由根、秆、枝叶、竹节组成。我国位于世界竹子分布的中心，有“竹子王国”的美称[1]，竹林面积、蓄积量和产量均居世界首位，竹材已成为我国的“第二森林资源”[2]。毛竹是我国数量最多、分布面积最广的竹种，具有质量轻、产量高、刚性足、生长周期短、尺寸稳定等优点，其强度质量比大于除碳纤维以外的所有材料[3-6]，其抗拉强度、抗压强度分别约为木材的2～25倍、1.5～2.0倍。竹秆的弯曲性优于木材，被广泛应用于建筑行业，具有极大的经济效益，同时也缓解了木材资源的消耗，以竹代木成为解决目前木材资源匮乏的最佳途径[7-8]。

竹林伐后所遗留的桩根称为竹篼，在自然条件下需要8～10 a才会腐烂[9]，竹篼占去了大片竹林地的空间，影响了竹子根系的生长，减少了竹子的产量，因此有必要及时清除竹篼，人工清除竹篼费时、费力。国内外竹篼清理设备关键部件与竹篼作用的形式主要为剪切，因此竹篼物理力学性能，特别是抗剪性能直接影响着竹篼清理设备关键部件的研发。据文献表明，目前国内外对于毛竹物理力学性能的研究都是以竹秆部位作为研究对象，主要探讨竹龄、竹秆不同部位对其物理力学性能的影响[4，8，10-13]，对竹篼相关物理力学性能研究甚少。曾其蕴、陈超科等[14-15]所做试验表明：由于竹节处的维管束有不同程度的弯曲、分叉、合并而导致组织肿大，所以带竹节与不带竹节的竹材物理力学性能有较大差异。笔者发现，同一株竹中，竹篼的竹节数量是竹秆的6～20倍(图1)，所以竹篼与竹秆的物理力学性能有更大差异。郭维俊等[16]也曾指出，植物根系部位参与代谢活动，具有多相性，不同生理状态所表现出的力学性质也不同，因此，有必要开展竹篼物理力学性能试验。本研究以毛竹竹篼为试验材料，进行抗剪试验，并探讨竹篼含水率、竹篼基本密度(以下简称含水率、基本密度)对抗剪性能的影响，以期为竹篼清理设备关键部件的研发提供依据。

图1 竹篼与竹秆横断面对比图

1 材料与方法

1.1 材料与制作

毛竹竹篼于2019年7月中旬采集于福建龙岩。从不少于100株4年生的样竹中，随机选取20株成熟、无缺陷且胸高直径100 mm以上的竹子，截取一段直径与竹节较为均匀的竹篼作为试材，如图2所示。根据JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[17]及借鉴美国标准ASTMD143-94《木材无疵小试样的试验方法》[18]的相关规定制作抗剪试件；试件类型按厚度与维管束方向划分(图3)，各类试件力的加载方向如图4所示，单箭头表示厚度方向，双箭头表示维管束方向，加号表示力的加载方向。试件编号原则：SKJ-V——顺纹V向(载荷方向与厚度方向垂直)抗剪试件、SKJ-H——顺纹H向(载荷方向与厚度方向平行)抗剪试件、HKJ-V——横纹V向抗剪试件、HKJ-H——横纹H向抗剪试件。每类10个试件，编号1—10。为探讨含水率对竹篼物理力学性能的影响，试验前，每类试件分3组，分别做5、10、15 h的100 ℃烘干处理。

1.2 设备

竹篼抗剪试验采用AG-Xplus电子万能试验机(岛津，日本)进行试验，载荷容量20 kN，载荷精度为显示值的±0.5%，试验速度0.000 5～1 000 mm/min，采样间隔0.2 ms。其他设备：推台锯、手工锯、电烘箱、电子天平、电子数显卡尺、量筒等。

1.3 方法

根据JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[17]及借鉴美国标准ASTMD143-94《木材无疵小试样的试验方法》[18]进行抗剪强度试验，各类试验均以1 mm/min的速度加载至试件破坏。根据JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[17]测试件含水率和基本密度。

图2 竹篼的截取位置

图3 竹篼的厚度与维管束方向

a.顺纹V向抗剪试件；b.顺纹H向抗剪试件；c.横纹V向抗剪试件；d.横纹H向抗剪试件。

抗剪强度、含水率、基本密度的计算公式按JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[17]，由式(1)—式(5)决定。

(1)

式中：fv,ω为含水率为ω时的抗剪强度(MPa)；Pmax为破坏载荷(N)；s为受剪面积(mm2)。

fv,12=Kfv,ωfv,ω。

(2)

式中：fv，12为含水率为12%时的抗剪强度(MPa)；Kfv,ω为竹材抗剪强度含水率修正系数；ω为试件含水率(%)。

(3)

(4)

式中：m1为试件试验状态时的质量(g)；m0为试件全干时的质量(g)。

ρ=m0/Vmax。

(5)

式中：ρ为基本密度(g/mm3)；Vmax为试件饱和水分时的体积(mm3)。

2 结果与分析

2.1 顺纹V向抗剪强度

顺纹V向抗剪强度试验破坏形态如图5所示，载荷曲线如图6所示。随着上夹具的下降，载荷逐渐增大，直至最大后突然下降再逐渐减小至零，该破坏形式为脆性断裂破坏。

1.上夹具；2.载荷加载方向；3.厚度方向；4.维管束方向。

由图7可知，顺纹V向抗剪强度与含水率成负相关，顺纹V向抗剪强度与基本密度成正相关。当含水率提高10%时，则顺纹V向抗剪强度降低约4%。当基本密度提高10%时，则顺纹V向抗剪强度提高约8%。詹天翼等[19]曾指出，当含水率增加时，水分子进入细胞壁切断原有的氢键连接，与新的游离羟基形成氢键连接，使平均键能降低，并且水分子使纤维与基体之间的内聚力减小，纤维内摩擦系数降低。赵春花等[20]也曾指出，植物纤维素数量随着含水率的增高而降低。因此，顺纹V向抗剪强度与含水率成负相关。曾其蕴等[14]曾指出，维管束、纤维的数量直接影响竹材的密度与强度。郭维俊等[21]也曾指出，植物承载能力取决于维管束的数量。所以密度大，维管束、纤维数量较多，强度较高。因此，顺纹V向抗剪强度与竹篼基本密度成正相关。含水率对顺纹V向抗剪强度的影响覆盖了基本密度对顺纹V向抗剪强度的影响，说明含水率是影响顺纹V向抗剪强度的主要因素。

图6 顺纹V向抗剪强度试验载荷曲线

a.顺纹V向抗剪强度(y1);b.含水率12%时的顺纹V向抗剪强度(y2)。

2.2 顺纹H向抗剪强度

顺纹H向抗剪强度试验破坏形态如图8所示，载荷曲线如图9所示。随着上夹具的下降，载荷逐渐增大，直至最大后突然直线下降，该破坏形式为脆性断裂破坏。

1.上夹具；2.载荷加载方向；3.维管束方向；4.厚度方向。

由图10可知，顺纹H向抗剪强度与含水率成负相关，顺纹H向抗剪强度与基本密度成正相关。当含水率提高10%时，则顺纹H向抗剪强度降低约8%；当基本密度提高10%时，则顺纹H向抗剪强度提高约20%。含水率在12%时的顺纹H向抗剪强度平均值为8.4 MPa，而顺纹V向抗剪强度为12.4 MPa，顺纹V向抗剪强度约为顺纹H向抗剪强度的1.5倍。因此，在顺纹破坏中，顺着厚度方向施加载荷比顺着维管束方向施加载荷更易破坏，因为SKJ-V的破坏是维管束等的分离并带有些许维管束顺纹断裂，而SKJ-H的破坏仅是维管束等的分离。

图9 顺纹H向抗剪强度载荷曲线

a.顺纹H向抗剪强度(y3);b.含水率12%时的顺纹H向抗剪强度(y4)。

2.3 横纹V向抗剪强度

横纹V向抗剪强度试验如图11所示，载荷曲线如图12所示。随着上夹具的下降，载荷逐渐增大，然后出现屈服阶段，达到最大值后再缓慢下降，位移在15 mm时，试件断裂，试验终止，该破坏形式为塑性屈服破坏。

1.上夹具；2.载荷加载方向；3.厚度方向；4.维管束方向。

由图13可知，横纹V向抗剪强度与含水率成负相关，横纹V向抗剪强度与基本密度成正相关。当含水率提高10%时，则横纹V向抗剪强度降低约7%；当基本密度提高10%时，则横纹V向抗剪强度提高约15%。含水率在12%时的横纹V向抗剪强度平均值为24.1 MPa，分别约为顺纹V向抗剪强度、顺纹H向抗剪强度的1.9、2.9倍。因为横纹抗剪破坏是载荷使维管束、纤维等断裂分离，顺纹抗剪破坏是载荷使维管束、纤维等两两分离。

图12 横纹V向抗剪强度试验载荷曲线

a.横纹V向抗剪强度(y5);b.含水率12%时的横纹V向抗剪强度(y6)。

2.4 横纹H向抗剪强度

横纹H向抗剪强度试验如图14所示，载荷曲线如图15所示。随着上夹具的下降，载荷逐渐增大，达到最大值后出现屈服阶段，再上升后又缓慢下降，然后突然下降至零，该破坏形式为塑性屈服破坏。

1.上夹具；2.载荷加载方向；3.维管束方向；4.厚度方向。

由图16可知，横纹V向抗剪强度与含水率成负相关，横纹V向抗剪强度与基本密度成正相关。当含水率提高10%时，则横纹H向抗剪强度降低约5%；当基本密度提高10%时，则横纹H向抗剪强度提高约14%。含水率在12%时的横纹H向抗剪强度平均值为23.2 MPa，略小于横纹V向抗剪强度。

图15 横纹H向抗剪强度试验载荷曲线

3 结论

含水率12%时的竹篼各方向抗剪强度从大到小为：横纹V向抗剪强度、横纹H向抗剪强度、顺纹V向抗剪强度、顺纹H向抗剪强度，且比例关系为横纹V向抗剪强度∶横纹H向抗剪强度∶顺纹V向抗剪强度∶顺纹H向抗剪强度=2.3∶2.2∶1.2∶1.0。

a.横纹H向抗剪强度(y7);b.含水率12%时的横纹H向抗剪强度(y8)。

当含水率增高10%时，对于顺纹抗剪强度，则顺纹V向抗剪强度降低约4%，顺纹H向抗剪强度降低约8%，均与含水率呈负相关；对于横纹抗剪强度，则横纹V向抗剪强度降低约7%，横纹H向抗剪强度降低约5%，均与含水率成负相关。当基本密度提高10%时，则顺纹V向抗剪强度提高约8%，顺纹H向抗剪强度提高约20%，横纹V向抗剪强度提高约15%，横纹H向抗剪强度提高约14%，均与基本密度呈正相关。

含水率、基本密度对竹篼抗剪强度的影响显著。当两种因素同时发生变化时，含水率对竹篼抗剪强度的影响覆盖基本密度对竹篼抗剪强度的影响，所以含水率是主要影响因素。

施加平行于厚度方向的载荷使维管束等顺纹分离，竹篼最易破坏。此结论可为竹篼清理设备关键部件的研发提供参考。竹林伐后所遗留的竹篼，在活性期限内，应尽早清理，因为其含水率随着时间的推移而降低，导致竹篼抗剪性能增强而加大清理难度。