广东省4个竹种物理力学性能研究_黄俊杰.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（04）：25-32广东省4 个竹种物理力学性能研究黄俊杰 谭敬尹 胡传双 涂登云 宋 杰*程奥凯 （华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642）摘要：以麻竹、毛竹、小叶龙竹和粉单竹为研究对象，考察了竹龄（16年生）对竹材物理性质和力学性能的影响规律，并探究了竹材的结构构造，以期为广东省原竹的合理采伐和加工利用提供依据。研究结果表明：随着竹龄的增大，竹材的密度、顺纹抗压性能、顺纹抗弯性能、抗冲击性能和径向环刚度均呈先上升后下降的趋势，然而干缩率变化并不明显。4个竹种中，有竹节的麻竹拥有优异的环刚度性能；毛竹拥有优异的顺纹抗压强度和横纹抗压强度；小叶龙竹拥有优异的顺纹抗压弹性模量和抗冲击性能；粉单竹拥有优异的顺纹抗弯性能。46年生小叶龙竹的节间长度虽短，但其直径、壁厚和径厚比略显优势，且其纤维体积分数呈明显的径向梯度分布。关键词：麻竹；毛竹；小叶龙竹；粉单竹；结构构造；物理性质；力学性能；竹龄中图分类号：TS6 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）04-0025-08DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202304005Research on the Physico-Mechanical Properties of Four Bamboo Species in Guangdong ProvinceHUANG Jun-jie TAN Jing-yin HU Chuan-shuang TU Deng-yun SONG Jie CHENG Ao-kai(College of Materials and Energy,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,P.R.China)Abstract:This article investigated the effects of bamboo age(16 years old)on the physico-mechanical properties of Dendrocalamus Latiflorus,Phyllostachys pubescens,Dendrocalamus barbatus and Bambusa chungii.Meanwhile,the structural features of bamboo timber were also studied in order to provide a basis for the rational harvesting and processing of raw bamboo in Guangdong Province.The results showed that the density,parallel-to-grain compressive resistance,parallel-to-grain flexural resistance,impact toughness and radial ring stiffness all tended to increase and then decrease with increasing age,but the dry shrinkage did not change significantly.Among the four species,Dendrocalamus Latiflorus had excellent ring stiffness properties;Phyllostachys pubescens had excellent parallel-to-grain compressive strength,perpendicular-to-grain compressive strength,and parallel-to-grain compressive strength of round bamboo;Dendrocalamus barbatus had excellent parallel-to-grain compressive modulus and impact toughness;and Bambusa chungii had excellent parallel-to-grain flexural resistance.In the study of the structural features,it was found that although the internodes of 46 year old Dendrocalamus barbatus were short,their diameter,wall thickness,and diameter to thickness ratio were slightly superior and their fibre volume fraction showed a clear radial gradient distribution.Key words:Dendrocalamus Latiflorus;Phyllostachys pubescens;Dendrocalamus barbatus;Bambusa chungii;Structural features;Physical properties;Mechanical properties;Bamboo age相较于木材，竹材具有机械性能高、生长周期短、分布广泛、产量高、固碳能力强等特点1-3，只需36年就可以采伐使用4，在抵消温室气体排放碳的同时，能提供大量的碳封存效益5，减轻我国对木材资源的依赖6，助力实现“碳达峰”和“碳中和”战略目标7。竹材在建筑、造纸、家具等领域表现出极大的开发潜力8-10，目前，有关竹材的研究主要集中在竹刨花板11、竹基材料12、竹木复合材料13等，且多针对毛竹的性能和应用14，对其他竹种的研究较少。广东省竹资源丰富15，第九次森林资基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2020B020216002）作者简介：黄俊杰，男，研究方向为竹家具设计与工艺E-mail:*通讯作者：宋 杰，男，讲师，研究方向为家具设计与制造E-mail:收稿日期：2022-09-08林 产 工 业26第60卷源清查数据显示16，广东省竹林面积为44.62 万hm2，其中小叶龙竹、麻竹、粉单竹等杂竹占61.3%。中国林业和草原统计年鉴2019 数据显示，广东省竹产业产值仅占全国总产值的1.18%17。如不能对杂竹进行充分的开发与研究，可能因其竹龄、秆型结构等方面的因素而影响产品的质量18，或因经济效益低下被焚烧、遗弃，造成环境污染19。目前对广东省竹种还缺乏较为系统的研究，对竹材的理化性质与力学性能的相关研究也通常忽略竹青和竹黄的影响20。对广东省竹种的材性进行研究，探寻其潜在的应用领域，不仅可为竹产业提供理论支撑，丰富国内竹种数据库，对于推进广东省贫穷地区的乡村振兴发展也具有重要意义。本研究以广东省内的麻竹、毛竹、小叶龙竹和粉单竹为研究对象，测试并分析了各竹种在圆竹状态与块状状态下的抗压、抗弯、抗冲击等力学性能，以及密度、干缩率等物理性质随竹龄的变化。在此基础上，以小叶龙竹为代表，通过其节间长、直径、壁厚、径厚比、纤维体积分数等探究小叶龙竹的秆型结构，为广东省竹林的合理采伐和加工利用提供基础数据支撑21。1 材料与方法1.1 材料小叶龙竹（Dendrocalamus barbatus）于2021年12月和2022年4月采自广州市黄埔区沙田岭（230725N，1124844E）；毛竹（Phyllostachys pubescens）于2021年12月采自韶关市仁化县麻塘村（226907N，1122301E）；麻竹（Dendrocalamus Latiflorus）和粉单竹（Bambusa chungii）分别于2022年1 月和2022 年3 月采自云浮市新兴县云龙村（2587N，113747E）。这些竹材生长在亚热带季风气候环境中，年平均温度21 （最高为7月28.4，最低为1月13.3），年平均降雨量为1 623.61 899.8 mm，年平均相对湿度为约77%。分散随机选取成熟无缺陷的胸径（从伐根至1.3 m处的直径）为100 mm以上的16 年生竹株，其中13年生各取5 株，46 年生各取15 株。同时，随机选取成熟无缺陷的直径不小于50 mm 且名义直径极差不大于10 mm 的16 年竹株，从离地约0.5 m的竹节处进行采集。其中，13 年生各取3 株，46 年生各取10 株。选择距地约1.5 m高处截取长度约3 m含8 段以上竹节的竹段及其节间试样（保留竹青和竹黄）。在恒温恒湿房下平衡2 周以上至水分平衡。1.2 试验设备电子万能试验机（UTM5504），深圳三思纵横科技股份有限公司；电子万能材料试验机（岛津AG-X Plus），日本岛津公司；电子简支梁冲击试验机（XJJD-50），承德市金建检测仪器有限公司；体式显微镜摄影系统（S8APO/DFC295），德国徕卡公司；显游标卡尺（DL91150），上海量具刃具厂。1.3 试验方法1.3.1 物理性质和力学性能测定按照我国建筑行业标准JG/T 1992007 建筑用竹材物理力学性能试验方法 测试块状竹材的力学性能，包括顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、横纹抗压强度、顺纹抗弯强度和抗弯弹性模量。按照林业行业标 图1 试验材料图Fig.1 Experimental materials 图2 力学性能试验图Fig.2 Mechanical properties test charts黄俊杰，等：广东省4 个竹种物理力学性能研究27第4期准LY/T 25642015 圆竹物理力学性能试验方法 测试圆竹的密度、干缩性、顺纹抗压强度、径向环刚度等物理力学性能。采用标准GB/T 1043.12008 简支梁冲击性能的测定 测定块状试样的抗冲击性能。由于含水率是影响竹材力学性能的重要因素，在试样破坏后，立即在破坏区附近采集质量不低于1.5 g的试样进行含水率测试。在力学性能测试前，需将被测试材调整至标准含水率（12%）。1.3.2 结构构造测定小叶龙竹秆型笔直、节间细长，是一种良好的材用竹。本研究采用随机取样法在同一片竹林中随机挑选出16年生完整无缺陷的小叶龙竹，测量其离地约 1.5 m处的胸径及胸径处节间长，包括51根1年生、46根2年生、38根3年生、50根4年生、42根5年生和75根6年生。另测量记录从采伐地中随机挑选的13年生各5株、46年生各15株的各节间中部位置的直径、厚度以及各节间长度，并计算径厚比。考虑到竹材纤维体积分数存在梯度变化，将小叶龙竹横截面沿厚度方向分为4 个区域。分别用320 目和600 目的砂纸对横截面进行抛光处理。用体视显微镜获取小叶龙竹横截面图像，运用Adobe Photoshop软件调节图像中纤维区域与基体之间的色差，再用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0 进行处理。首先使用图像相对应的标尺，将其调整为8 位灰度图，以利于通过色差计算基体区域的像素点数量，然后计算图像处理后白色部分即纤维在横截面上所占面积，白色面积占总截面面积比即为纤维体积分数。每组取15 个样品。2 结果与分析2.1 密度16年生麻竹、毛竹、小叶龙竹和粉单竹的基本密度、气干密度和全干密度如图4所示。整体而言，4个竹种的密度随竹龄增加先增大后减小，于第4年达到极值。其中，毛竹的密度最大，其基本密度、气干密度和全干密度最大值分别为0.70、1.11 g/cm3和0.77 g/cm3。其余3个竹种不同竹龄密度相当，1年生小叶龙竹的密度为最小，其基本密度、气干密度和全干密度分别为0.49、0.90 g/cm3和0.52 g/cm3。2.2