竹黄对毛竹材抗弯性能的影响1)

王冰冰 章怡 王传贵

(安徽农业大学，合肥，230036)

毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)作为我国主要优势竹种，具有天然可再生、强度高、生长周期短、产量优等优势[1-3]。随着目前越来越紧缺的木材资源，我国近些年开始提倡“以竹代木，以竹符合”的思想[4-5]，毛竹可用于制造竹木复合材、竹集成材、胶合板、室内装饰材料等产品，被广泛应用到建筑结构、家具、运输、包装等不同领域[6-10]。然而，由于竹材的梯度结构，竹青、竹黄、竹肉的性能存在差异，使得毛竹的工业利用率不到75%[11]。因此，合理利用竹资源，提高竹材资源的利用率，需要解决竹黄对竹材力学等方面的影响，做到适材适用。

竹材的抗弯强度、抗弯弹性模量是度量竹材抵抗外力的能力和竹材适用性的重要指标[12]。目前，针对竹材抗弯性能的测试，从不同角度已有较多相关的研究，分析了不同因素对竹材抗弯强度、抗弯弹性模量的影响[13-15]；但已有研究成果，较多集中在不同因素对竹材抗弯强度、抗弯弹性模量影响的差异，关于不同因素对毛竹抗弯性能具体影响程度(比例)量化的相关研究较少。为此，本研究以毛竹材竹黄为研究对象，引入“竹黄对抗弯性能削弱率”的概念，分析竹黄对毛竹材抗弯强度和抗弯弹性模量的影响程度，旨在为提高竹材利用率提供参考。

1 材料与方法

试样材料：以2020年10月—11月上旬采集的安徽省六安市金寨县的毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)为试验材料；选取1度竹(1～2年生)、2度竹(3～4年生)、3度竹(5～6年生)各5株胸径大致相近且无霉变缺陷的毛竹，齐地伐倒后取自距地面第10～16节竹筒，在整竹节处截断作为试材，然后对试材进行编号。试材采伐后，运回实验室，放在空旷通风的位置气干待用。

试件制备：按照国家专利“CN103512884A一种界定竹黄与竹肉的方法”对本试验中1度竹试件、2度竹试件、3度竹试件中的一半试样进行竹黄的去除，竹黄为距离内壁20%的位置。一组试件为去除竹黄的试件，对照组为不去除竹黄的正常试件(以下去除竹黄的试件简称“无竹黄”，未去除竹黄的试件简称“有竹黄”)，试件尺寸均为160 mm(长)×20 mm(宽)×t(竹壁厚度)。

抗弯强度和抗弯弹性模量的测试：试验参照国家标准GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[16]中三点弯曲的方法进行测量，测定指标有抗弯强度、抗弯弹性模量(见图1)。

图1 试验加载示意图

2 结果与分析

2.1 竹黄对毛竹材抗弯强度的影响

2.1.1 不同竹龄时竹黄对毛竹材抗弯强度的影响

竹材在壁厚方向，其外层为竹青，表面光滑、组织致密、质地坚硬，常附有一层蜡质层；竹黄质地较脆，组织疏松，横向强度较低[17]。由表1可见：3种竹龄均为无竹黄的抗弯强度比有竹黄的抗弯强度大。随着竹龄的增加，有竹黄和无竹黄的抗弯强度均呈现增加的趋势，其中3度竹的抗弯强度较大，有竹黄的为160.6 MPa、无竹黄的为175.7 MPa。Chen et al.[18]研究表明，竹青中所含较多纤维，而薄壁细胞较少，竹黄中却恰恰相反，纤维只占到15%，薄壁细胞含量较高，所以竹青抗弯强度大，而竹黄部分强度小。竹黄对于竹材的抗弯性能贡献小，竹黄的存在会削弱毛竹的抗弯强度，故无竹黄的抗弯强度比有竹黄的数值大。本研究对不同竹龄有无竹黄的毛竹抗弯强度方差分析表明，1度竹、2度竹、3度竹的F值，分别为10.429、17.412、24.342，有无竹黄对1度竹、2度竹和3度竹的影响极显著(P<0.01)，说明竹黄对不同竹龄毛竹的影响均为极显著。

表1 不同竹龄时有无竹黄的毛竹材抗弯强度

为了表征竹黄对毛竹抗弯强度的影响程度，引入“竹黄削弱率”(本研究表明，竹黄对毛竹抗弯性能具有削弱作用，故引用竹黄削弱率的大小表示竹黄对毛竹抗弯强度、抗弯弹性模量的削弱程度)。

其公式为：LPb=[(Pb,w-Pb,y)/Pb,y]×100%；LEb=[(Eb,w-Eb,y)/Eb,y]×100%。式中：LPb为竹黄对毛竹材抗弯强度的削弱率，LEb为竹黄对毛竹材抗弯弹性模量的削弱率，Pb,w为无竹黄的毛竹材抗弯强度，Eb,w为无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量，Pb,y为有竹黄的毛竹材抗弯强度，Eb,y为有竹黄的毛竹材抗弯弹性模量。

经计算，随着竹龄的增加，竹黄的削弱率依次为9.4%、6.8%、6.0%，呈现降低趋势；说明在1度竹～3度竹的范围内，随着毛竹竹龄的增加，竹黄对毛竹抗弯强度的削弱作用在减弱。

2.1.2 不同高度时竹黄对毛竹材抗弯强度的影响

由表2可见：在同一竹筒处，随着竹龄的增加，有竹黄和无竹黄的毛竹材抗弯强度呈现增加的趋势，这与前面的分析相一致。1度竹、2度竹、3度竹，均在第16竹筒处无竹黄的抗弯性能表现最好，毛竹材抗弯强度分别为154.3、161.6、176.0 MPa；在第10竹筒处，无竹黄的抗弯性能表现最差，毛竹材抗弯强度分别为146.0、147.5、161.0 MPa。无论有无竹黄，在第10竹筒～第16竹筒间，毛竹的抗弯强度呈现增加的趋势，但是变化不明显。其中，竹龄相同的不同高度处，无竹黄的毛竹材抗弯强度均大于有竹黄的毛竹材抗弯强度。由此可见，去掉竹黄的毛竹材抗弯性能更好。竹材的梯度结构表现为，从竹黄到竹青，维管束占比呈上升趋势、薄壁细胞占比呈下降趋势[19]。因此，竹青、竹肉在弯曲过程中，由于竹青、竹肉维管束较多，弯曲应变较大，竹黄由于薄壁细胞较多，弯曲过程中弯曲应变较小，会削弱毛竹的整体抗弯强度，导致其抗弯性能降低[20-22]。

表2 不同高度时有无竹黄的毛竹材抗弯强度

由表3可见：在1度竹和2度竹中，竹黄在高度上对毛竹材抗弯强度的削弱率变化不明显；在3度竹中，随着毛竹高度的增加，削弱率呈现先减小后增加的趋势。在1度竹、2度竹、3度竹中，竹黄对第14节竹筒处的抗弯强度性能影响较不稳定。

表3 不同高度时竹黄对毛竹材抗弯强度的削弱程度

2.2 竹黄对毛竹材抗弯弹性模量的影响

由表4可见：除了3度竹中第14节竹筒有竹黄的毛竹比无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量高外，在1度竹、2度竹、3度竹，不同高度的无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量均比有竹黄的弹性模量高。

在第10、12、16节竹筒处，随着竹龄的增加，有竹黄和无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量均呈现增加的趋势；在第14节竹筒处，有竹黄和无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量变化不稳定。在同一竹龄，随着毛竹高度的增加，有竹黄和无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量呈现增长趋势，只是变化不明显。这一趋势与有竹黄和无竹黄在不同竹龄和不同高度上毛竹材抗弯强度的变化趋势基本一致。

表4 不同竹龄不同高度时有无竹黄的毛竹材抗弯弹性模量

由表5可见：随着竹龄的增加，竹黄对毛竹材抗弯弹性模量的削弱率在降低。在1度竹、2度竹、3度竹中，竹黄在高度上对毛竹材抗弯弹性模量的削弱率变化不明显，但是竹黄对第14节竹筒处的抗弯弹性模量影响较不稳定，表现为此处竹黄的削弱率会降低。

表5 不同竹龄不同高度时竹黄对毛竹材抗弯弹性模量的削弱程度

3 结论

同一竹龄，在第10～16竹筒间，随着高度的增加，有竹黄和无竹黄的毛竹材抗弯强度和抗弯弹性模量呈逐渐增加趋势，但是变化不大。

随着竹龄的增加，有竹黄试件和无竹黄试件的抗弯强度和抗弯弹性模量均增加，其中3度竹中，有竹黄的毛竹材抗弯强度为160.6 MPa、无竹黄的毛竹材抗弯强度高达175.7 MPa。在对于强度要求较高时，可剔除竹黄使用，改善竹材性能。

竹黄的存在会削弱毛竹材抗弯强度和抗弯弹性模量。竹黄对1度竹的抗弯强度和抗弯弹性模量的削弱作用最大，对3度竹的削弱作用最小。对3度竹抗弯强度的削弱率为6.0%，对抗弯弹性模量的削弱率为8.0%，因此在对竹材抗弯性能要求不高的场所，毛竹可选用3度竹不去除竹黄使用，提高竹材利用率。