竹黃對毛竹材抗彎性能的影響1)

王冰冰 章怡 王傳貴

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)作為我國主要優(yōu)勢竹種，具有天然可再生、強度高、生長周期短、產(chǎn)量優(yōu)等優(yōu)勢[1-3]。隨著目前越來越緊缺的木材資源，我國近些年開始提倡“以竹代木，以竹符合”的思想[4-5]，毛竹可用于制造竹木復(fù)合材、竹集成材、膠合板、室內(nèi)裝飾材料等產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)、家具、運輸、包裝等不同領(lǐng)域[6-10]。然而，由于竹材的梯度結(jié)構(gòu)，竹青、竹黃、竹肉的性能存在差異，使得毛竹的工業(yè)利用率不到75%[11]。因此，合理利用竹資源，提高竹材資源的利用率，需要解決竹黃對竹材力學(xué)等方面的影響，做到適材適用。

竹材的抗彎強度、抗彎彈性模量是度量竹材抵抗外力的能力和竹材適用性的重要指標[12]。目前，針對竹材抗彎性能的測試，從不同角度已有較多相關(guān)的研究，分析了不同因素對竹材抗彎強度、抗彎彈性模量的影響[13-15]；但已有研究成果，較多集中在不同因素對竹材抗彎強度、抗彎彈性模量影響的差異，關(guān)于不同因素對毛竹抗彎性能具體影響程度(比例)量化的相關(guān)研究較少。為此，本研究以毛竹材竹黃為研究對象，引入“竹黃對抗彎性能削弱率”的概念，分析竹黃對毛竹材抗彎強度和抗彎彈性模量的影響程度，旨在為提高竹材利用率提供參考。

1 材料與方法

試樣材料：以2020年10月—11月上旬采集的安徽省六安市金寨縣的毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford cv. Pubescens)為試驗材料；選取1度竹(1～2年生)、2度竹(3～4年生)、3度竹(5～6年生)各5株胸徑大致相近且無霉變?nèi)毕莸拿?，齊地伐倒后取自距地面第10～16節(jié)竹筒，在整竹節(jié)處截斷作為試材，然后對試材進行編號。試材采伐后，運回實驗室，放在空曠通風的位置氣干待用。

試件制備：按照國家專利“CN103512884A一種界定竹黃與竹肉的方法”對本試驗中1度竹試件、2度竹試件、3度竹試件中的一半試樣進行竹黃的去除，竹黃為距離內(nèi)壁20%的位置。一組試件為去除竹黃的試件，對照組為不去除竹黃的正常試件(以下去除竹黃的試件簡稱“無竹黃”，未去除竹黃的試件簡稱“有竹黃”)，試件尺寸均為160 mm(長)×20 mm(寬)×t(竹壁厚度)。

抗彎強度和抗彎彈性模量的測試：試驗參照國家標準GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》[16]中三點彎曲的方法進行測量，測定指標有抗彎強度、抗彎彈性模量(見圖1)。

圖1 試驗加載示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 竹黃對毛竹材抗彎強度的影響

2.1.1 不同竹齡時竹黃對毛竹材抗彎強度的影響

竹材在壁厚方向，其外層為竹青，表面光滑、組織致密、質(zhì)地堅硬，常附有一層蠟質(zhì)層；竹黃質(zhì)地較脆，組織疏松，橫向強度較低[17]。由表1可見：3種竹齡均為無竹黃的抗彎強度比有竹黃的抗彎強度大。隨著竹齡的增加，有竹黃和無竹黃的抗彎強度均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中3度竹的抗彎強度較大，有竹黃的為160.6 MPa、無竹黃的為175.7 MPa。Chen et al.[18]研究表明，竹青中所含較多纖維，而薄壁細胞較少，竹黃中卻恰恰相反，纖維只占到15%，薄壁細胞含量較高，所以竹青抗彎強度大，而竹黃部分強度小。竹黃對于竹材的抗彎性能貢獻小，竹黃的存在會削弱毛竹的抗彎強度，故無竹黃的抗彎強度比有竹黃的數(shù)值大。本研究對不同竹齡有無竹黃的毛竹抗彎強度方差分析表明，1度竹、2度竹、3度竹的F值，分別為10.429、17.412、24.342，有無竹黃對1度竹、2度竹和3度竹的影響極顯著(P<0.01)，說明竹黃對不同竹齡毛竹的影響均為極顯著。

表1 不同竹齡時有無竹黃的毛竹材抗彎強度

為了表征竹黃對毛竹抗彎強度的影響程度，引入“竹黃削弱率”(本研究表明，竹黃對毛竹抗彎性能具有削弱作用，故引用竹黃削弱率的大小表示竹黃對毛竹抗彎強度、抗彎彈性模量的削弱程度)。

其公式為：LPb=[(Pb,w-Pb,y)/Pb,y]×100%；LEb=[(Eb,w-Eb,y)/Eb,y]×100%。式中：LPb為竹黃對毛竹材抗彎強度的削弱率，LEb為竹黃對毛竹材抗彎彈性模量的削弱率，Pb,w為無竹黃的毛竹材抗彎強度，Eb,w為無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量，Pb,y為有竹黃的毛竹材抗彎強度，Eb,y為有竹黃的毛竹材抗彎彈性模量。

經(jīng)計算，隨著竹齡的增加，竹黃的削弱率依次為9.4%、6.8%、6.0%，呈現(xiàn)降低趨勢；說明在1度竹～3度竹的范圍內(nèi)，隨著毛竹竹齡的增加，竹黃對毛竹抗彎強度的削弱作用在減弱。

2.1.2 不同高度時竹黃對毛竹材抗彎強度的影響

由表2可見：在同一竹筒處，隨著竹齡的增加，有竹黃和無竹黃的毛竹材抗彎強度呈現(xiàn)增加的趨勢，這與前面的分析相一致。1度竹、2度竹、3度竹，均在第16竹筒處無竹黃的抗彎性能表現(xiàn)最好，毛竹材抗彎強度分別為154.3、161.6、176.0 MPa；在第10竹筒處，無竹黃的抗彎性能表現(xiàn)最差，毛竹材抗彎強度分別為146.0、147.5、161.0 MPa。無論有無竹黃，在第10竹筒～第16竹筒間，毛竹的抗彎強度呈現(xiàn)增加的趨勢，但是變化不明顯。其中，竹齡相同的不同高度處，無竹黃的毛竹材抗彎強度均大于有竹黃的毛竹材抗彎強度。由此可見，去掉竹黃的毛竹材抗彎性能更好。竹材的梯度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為，從竹黃到竹青，維管束占比呈上升趨勢、薄壁細胞占比呈下降趨勢[19]。因此，竹青、竹肉在彎曲過程中，由于竹青、竹肉維管束較多，彎曲應(yīng)變較大，竹黃由于薄壁細胞較多，彎曲過程中彎曲應(yīng)變較小，會削弱毛竹的整體抗彎強度，導(dǎo)致其抗彎性能降低[20-22]。

表2 不同高度時有無竹黃的毛竹材抗彎強度

由表3可見：在1度竹和2度竹中，竹黃在高度上對毛竹材抗彎強度的削弱率變化不明顯；在3度竹中，隨著毛竹高度的增加，削弱率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。在1度竹、2度竹、3度竹中，竹黃對第14節(jié)竹筒處的抗彎強度性能影響較不穩(wěn)定。

表3 不同高度時竹黃對毛竹材抗彎強度的削弱程度

2.2 竹黃對毛竹材抗彎彈性模量的影響

由表4可見：除了3度竹中第14節(jié)竹筒有竹黃的毛竹比無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量高外，在1度竹、2度竹、3度竹，不同高度的無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量均比有竹黃的彈性模量高。

在第10、12、16節(jié)竹筒處，隨著竹齡的增加，有竹黃和無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量均呈現(xiàn)增加的趨勢；在第14節(jié)竹筒處，有竹黃和無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量變化不穩(wěn)定。在同一竹齡，隨著毛竹高度的增加，有竹黃和無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量呈現(xiàn)增長趨勢，只是變化不明顯。這一趨勢與有竹黃和無竹黃在不同竹齡和不同高度上毛竹材抗彎強度的變化趨勢基本一致。

表4 不同竹齡不同高度時有無竹黃的毛竹材抗彎彈性模量

由表5可見：隨著竹齡的增加，竹黃對毛竹材抗彎彈性模量的削弱率在降低。在1度竹、2度竹、3度竹中，竹黃在高度上對毛竹材抗彎彈性模量的削弱率變化不明顯，但是竹黃對第14節(jié)竹筒處的抗彎彈性模量影響較不穩(wěn)定，表現(xiàn)為此處竹黃的削弱率會降低。

表5 不同竹齡不同高度時竹黃對毛竹材抗彎彈性模量的削弱程度

3 結(jié)論

同一竹齡，在第10～16竹筒間，隨著高度的增加，有竹黃和無竹黃的毛竹材抗彎強度和抗彎彈性模量呈逐漸增加趨勢，但是變化不大。

隨著竹齡的增加，有竹黃試件和無竹黃試件的抗彎強度和抗彎彈性模量均增加，其中3度竹中，有竹黃的毛竹材抗彎強度為160.6 MPa、無竹黃的毛竹材抗彎強度高達175.7 MPa。在對于強度要求較高時，可剔除竹黃使用，改善竹材性能。

竹黃的存在會削弱毛竹材抗彎強度和抗彎彈性模量。竹黃對1度竹的抗彎強度和抗彎彈性模量的削弱作用最大，對3度竹的削弱作用最小。對3度竹抗彎強度的削弱率為6.0%，對抗彎彈性模量的削弱率為8.0%，因此在對竹材抗彎性能要求不高的場所，毛竹可選用3度竹不去除竹黃使用，提高竹材利用率。