竹黄对毛竹材基本密度和顺纹抗压强度的贡献率1)

章怡 王冰冰 王传贵

(安徽农业大学，合肥，230036 )

竹材因其材质坚硬强韧，生长周期短，物理力学性能优良的特点，被广泛应用于建筑结构领域[1-3]。竹材的基本密度和顺纹抗压强度，是衡量其使用性能的两项重要指标。然而在实际竹产品加工过程中，因为竹黄组织疏松、质地脆弱、力学强度低[4-6]通常被废弃处理，加剧了竹资源的浪费。近年来，国内外对影响竹材物理力学性能因素的研究较多[7-11]，并且许多研究认为：不同种竹材密度直接影响顺纹抗压性能[12]；毛竹不同径向部位密度梯度对力学性能有不同影响[13]；维管束分布结构直接影响顺纹抗压性能[14]；竹黄具有一定的顺纹抗压力学性能，可以被广泛应用到新型竹木复合材料中，提高竹资源的利用率[15]。但是，关于不同竹龄、不同高度的竹黄与基本密度和顺纹抗压强度关系的研究较少。

为此，在借鉴已有研究[16-17]基础上，本研究以采集的安徽省六安市金寨县的毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)为研究对象，选择节间长度在200 mm以上的8节竹间，加工出基本密度试件、顺纹抗压强度试件，参照国家标准GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》，分别测试保留竹黄和去除竹黄的毛竹材基本密度和顺纹抗压强度；以竹黄对竹材基本密度贡献率、竹黄对竹材顺纹抗压强度贡献率为评价指标，分析不同竹龄、不同高度竹黄对毛竹材的基本密度和顺纹抗压强度的影响；旨在为将竹黄实际应用于竹木复合材料、提高毛竹材的利用率、推动竹质资源可持续发展提供参考。

1 材料与方法

试验材料选用安徽省六安市金寨县的1度竹(1～2年生)、2度竹(3～4年生)、3度竹(5～6年生)毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)试材各5株，每株从离地约1.5 m的整节处向上截取2 m长的竹段，从中选择无明显缺陷及竹青无损伤、节间长度在200 mm以上的8节竹间，从上往下进行标号(1～8)，将试件气干至含水率12%～15%以供使用。

在竹环东西南北4个方向上对称取样，加工出8个尺寸为10 mm(长)×10 mm(宽)×t(竹壁厚度)的基本密度试件、8个20 mm(长)×20 mm(宽)×t(竹壁厚度)的顺纹抗压强度试件。按照国家专利CN103512884A《一种界定竹黄与竹肉界线的方法》[18]对1～6年生毛竹进行划分，竹黄为距离内壁约20%的范围，各取4个试件采用“逐级削减法”进行刨削和打磨，去除竹黄[19]。参照国家标准GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[20]测定竹材力学性能，顺纹抗压强度试验加载速度为匀速5 mm/min。

为定量表征竹黄对竹材的影响程度，本研究定义“竹黄贡献率”，竹黄贡献率表示竹黄对于竹材性能的贡献程度。竹黄的物理力学贡献率计算方法：

竹黄对基本密度贡献率=[(ρqcVqc-ρqhVqh)/(ρqcVqc)]×100%；ρqc为试件全材(整体)的基本密度，Vqc为试件全材(整体)的体积，ρqh为试件去除竹黄的竹材基本密度，Vqh为试件去除竹黄的竹材体积。

竹黄对顺纹抗压强度贡献率=[(σqcSqc-σqhSqh)/(σqcSqc)]×100%；σqc为试件全材(整体)的顺纹抗压强度，Sqc为试件全材(整体)的受压面截面积，σqh为试件去除竹黄的竹材顺纹抗压强度，Sqh为试件去除竹黄的竹材受压面截面积。

2 结果与分析

2.1 竹黄对竹材基本密度的贡献率

对有无竹黄试件，将含水率调整至12%后，测定不同竹龄、不同高度的竹材基本密度(见表1)。由表1可见：去黄毛竹试件的基本密度小于未去黄的毛竹试件，说明竹黄对毛竹基本密度具有一定增强作用。对于不同竹龄，毛竹的基本密度随着竹龄的增长而增大，其中1度竹毛竹与2度竹毛竹差异较大，而2度、3度竹毛竹差异并不明显。对于同一竹龄内的试件，毛竹的基本密度随高度的增长整体呈上升趋势，其中，毛竹竹黄的密度也随高度增加呈增大趋势。随着竹干纵向部位的增高，竹黄对基本密度的贡献率整体呈增大趋势。

随着竹龄和竹干纵向高度的增加，毛竹竹黄的密度均大于去竹黄试件密度，且在同一竹龄内，竹黄的密度越大，竹黄对基本密度的贡献率越大(见表1)。竹黄主要由多层薄壁细胞组成，胞壁增厚形成石细胞[21]，随着竹龄和高度增大，胞壁相应加厚[22]。冼杏娟等[23]研究表明，竹纤维(厚壁细胞)所占面积比例由内层向外层逐渐增大。竹黄在毛竹材中比例较小，由表1可见，竹黄基本密度与去黄材试件基本密度之间的差异性并不显著，所以毛竹竹黄对基本密度的影响并不大。

表1 不同竹龄、不同高度的竹材基本密度

2.2 竹黄对竹材顺纹抗压强度的贡献率

毛竹的力学性能与其微观结构和物理性能紧密相关[24-25]。本研究对有无竹黄试件，将含水率调整至12%后，测定不同竹龄、竹干纵向高度的顺纹抗压强度(见表2)。去黄毛竹试件的顺纹抗压强度显著小于未去黄试件，说明竹黄对顺纹抗压强度也有增强作用。随着竹龄和竹干纵向高度的增加，竹黄对顺纹抗压强度的力学贡献率整体呈上升趋势。

表2 不同竹龄、不同高度的竹材顺纹抗压强度

对1、2度毛竹在同一竹间上的顺纹抗压强度进行成对样本T检验(见表3)表明，2、3度竹毛竹在竹龄方面顺纹抗压强度的差异并不显著，故将2、3度竹毛竹归纳为一组，并分析在不同高度时竹黄的力学贡献率。由表4可见，随着竹干纵向高度的增加，毛竹竹黄对顺纹抗压强度的贡献率呈增大趋势，第1节竹间、第3节竹间、第5节竹间、第7节竹间高度，竹黄对顺纹抗压强度贡献率分别为16.54%、16.83%、17.74%、18.03%。将2、3度竹毛竹归纳为一组，第1节竹间、第3节竹间、第5节竹间、第7节竹间高度，2、3度竹毛竹间竹黄对基本密度贡献率分别为9.79%、11.23%、12.34%、14.57%。结果表明，随着高度增加，竹黄的顺纹抗压贡献率和基本密度贡献率具有一致增加的趋势，且竹黄对基本密度的贡献率越大，则其对顺纹抗压强度的贡献率也越大；随着高度的增加，竹黄对基本密度的贡献率增长趋势显著，但竹黄对顺纹抗压强度的贡献率增长趋势较为缓慢。2、3度竹毛竹间竹黄对基本密度的贡献率，与竹干纵向高度对顺纹抗压强度的贡献率、竹黄对顺纹抗压强度的贡献率均差异显著(P<0.05)。密度是影响顺纹压缩性能的直接指标[26]，通过竹黄对基本密度贡献率的趋势可以反映出竹黄对顺纹抗压强度贡献率的趋势。

表3 2、3度竹毛竹高度之间竹材顺纹抗压强度差异性T检验结果(P值)

表4 2、3度竹毛竹归纳后不同高度时毛竹竹黄对顺纹抗压强度的贡献率

表5 2、3度毛竹竹黄对基本密度贡献率及对顺纹抗压强度贡献率之间差异性分析结果

维管束的分布密度是影响竹材压缩性能的结构因素之一[14]。在李荣荣等[15]的研究中测得竹黄部位维管束平均面积为2.41×105μm2，且薄壁细胞占比较大(为69.45%)；彭博[27]测得竹黄部位顺纹抗压强度为44.83 MPa，试件在去除竹黄部位后对抗压强度差异不明显。毛竹在受力过程中主要由纤维细胞承载，薄壁细胞可以在受力过程中起到传递、吸收的作用，同时薄壁细胞也拥有很好的压缩性能[28]。而毛竹竹黄因其维管束面积占比较小，薄壁细胞占比较大，因此对毛竹材的顺纹抗压强度有促进作用。密度直接影响力学性能，且由表5可见，竹黄对顺纹抗压强度的贡献率与竹黄对基本密度的贡献率具有显著相关性，随着竹干高度的增加，竹黄对顺纹抗压强度的力学贡献率与对基本密度的贡献率呈现相似的上升趋势，因此竹黄对毛竹材基本密度和顺纹抗压强度均有促进作用。

3 结论与讨论

毛竹竹黄对其基本密度和顺纹抗压强度均有增强作用，且竹黄在不同高度上对基本密度和顺纹抗压强度的贡献率具有相同的趋势，都是随高度的增加而增大。

随着竹龄的增加，毛竹竹黄对基本密度的贡献率呈先减后增趋势，1度竹毛竹为12.51%、2度竹毛竹为11.09%、3度竹毛竹为12.87%；随着竹干纵向高度的增加，毛竹竹黄对基本密度的贡献率呈增大趋势。毛竹竹黄的密度随着竹龄和竹干纵向高度的增加而增大，在高度上竹黄的密度越大，竹黄对基本密度的贡献率越大。

随着竹龄的增大，毛竹竹黄对顺纹抗压强度的贡献率呈先减后增趋势，1度竹毛竹为17.83%、2度竹毛竹为16.84%、3度竹毛竹为17.73%；随着竹干纵向高度的增加，毛竹竹黄对顺纹抗压强度的贡献率呈增大趋势。2、3度竹毛竹在竹龄上的顺纹抗压强度差异并不显著，2、3度竹毛竹间竹黄对顺纹抗压强度的力学贡献率与竹干高度呈现正相关，且与竹黄对基本密度的贡献率趋势一致。

综上所述，毛竹竹黄因其对基本密度和顺纹抗压性能均有增强作用，可以被广泛应用在竹木复合材料中，有利于减少竹资源浪费。同时，因为2度竹毛竹的顺纹抗压强度与3度竹毛竹差异并不显著，2度竹毛竹的顺纹抗压力学性能已经趋于稳定，因此在考虑竹林经济效益和竹产品使用性能时，适合采伐2度毛竹材。