（木材科学与技术专业论文）分级竹帘人造板的力学性能研究.pdf

摘要 摘要 我国的竹篾( 竹帘) 人造板加工企业多将性质变异较大的竹篾混合利用， 但是这往往难以傲到材料的高效利用。本研究的主要目的是通过竹篾分级、 不同等级竹帘层压板的力学性质研究和分级竹帘人造板抗弯弹性模量的模 拟预测研究，初步获得竹篾的分级方法、分级竹帘层压板的重要力学性质、 抗弯用竹帘人造板板坯结构设计的模拟方法，为竹篾的分级利用建立基础。 为实现该目的，本文选择我国蓄积量最大的毛竹( p h y l l o s t a c 砂s p u b e s c e n s ) 为试验材料，主要做了以下三项工作：不同部位竹材物理力学性质测试分析 以及竹篾分级方法的制定：分级竹帘层压板的部分重要力学性质研究；分级 竹帘人造板( 竹帘层压板和竹帘胶合板) 的抗弯弹性模量的模拟预测及其验 证。 首先将毛竹轴向分段、径向分层取样系统测试了不同部位毛竹的基本性 质( 包括基本密度、气干密度、弦向干缩率、l 顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉 强度等) ，主要结果有：不同部位毛竹的基本密度的平均值在 o 4 8 7 - 0 9 0 4 9 c m j 之间，气干密度的平均值在o 6 3 7 一1 1 4 2g c m 3 之间；不同 部位毛竹的弦向气于干缩率的平均值在2 0 0 49 7 之间，弦向全干千缩率的 平均值在48 2 8 6 0 之f 划。不同部位毛竹的顺纹抗拉弹性模量的平均值在 8 4 9 3 2 4 9 g p a 之间，顺纹抗拉强度平均值在1 12 8 9 3 3 1 4 9 m p a 之间。毛竹 的气干密度、基本密度、弦向干缩率、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度从 竹青向竹黄方向变异很大，呈逐渐降低的趋势。 在不同部位竹材性质测试的基础上，分析了竹材、木树物理力学性质的 差异，建立了毛竹的物理力学性质1 孑密度之问关系的拟合方程并针对将竹 壁分成6 层等厚竹篾工艺生产的竹篾，根据竹材的抗拉弹性模量分别制定了 分4 级、3 级和2 级等3 种力学分级方法。 借鉴竹帘胶合板的成熟生产工艺，在实验室里制成了不同等级的竹帘星 压板，分别研究了其抗弯和抗压等力学性质，结果表明等级问的力学性质差 异很大：最高等级层压板的抗弯弹性模量的平均值2 0 7 8 6 g p a ，是最低等级 6 9 3 lg p a 的3 倍；最高等级层压板的抗弯强度的平均值2 0 5 2 6 4 m p a 是最低 等级9 8 4 4 3 m p a 的2 倍；最高等级层压板的抗弯比例极限的平均值 12 7 0 9 m p a ，是最低等级5 9 7 0 m p a 的2 倍：最高等级层压板的抗压强度的 平均值9 4 4 2 5 m p a ，是最低等级5 2 1 2 4m p a 的2 倍。由于不同等级竹帘层 压板的力学性质差异大，因此竹篾分级有利于适材适用，具有很大的必要性。 t i 塑茎一 _ _ j _ 一一 老化处理后2 级竹帘层压板的厚度平均值增加比率最低( 4 ) ，i 级 和i i i 级竹帘层压板的厚度增加率较高，分别为1 1 和1 2 。利用老化处理 前的初始厚度计算力学性质，i 级、i i i 、2 级竹帘层压板的抗弯强度保 留率分别为1 0 7 、7 2 和6 3 ( 都在5 0 以上) ：抗弯弹性模量的保留率 都在1 0 0 以上。利用老化处理后的实际尺寸计算力学性质，i 级、! i i 级、 2 级竹帘层压板的抗弯强度保留率分别为8 8 、5 3 和5 8 ：i 级、i i i 级、2 级竹帘层压板的抗弯弹性模量保留率分别为8 2 、6 9 和9 0 ； i 级、i i i 级、2 级竹帘层压板的顺纹抗压强度保留率都很高，分别为8 4 、8 2 和8 0 。从以上的数据比较可以看出：竹篾分级之后，带有少量 竹青的i 级竹篾和带有少量竹黄的2 级竹篾各自压成的竹帘层压板并未比 i i l 级竹帘层压板的耐老化性能差。相反，i 级竹帘层压板的抗弯强度保留率 在3 种层压板中是最高的，抗弯弹性模量的保留率在i i i 级和2 级之间； 2 级竹帘层压板的抗弯强度保留率与i i i 级竹帘层压板的相当，而弹性模量 的保留率最高，厚度变化率最小。 在2 1 破坏荷载的应力水平，通过对i i 级、l 级两个等级的低含水率 ( m c ：5 - 7 ) 的竹帘层压板的抗弯蠕变比较研究，初步得出如下结论：用 幂律方程来拟合竹帘层压板的蠕变因子和时阳j 的关系，效果很好，判定系数 r 2 都在0 ，8 9 以上。除了在层压板边缘所取试样( b 4 ) 之外，两个等级的竹 帘层压板试样经过相同的蠕变时问之后其蠕变因子差异都很小。而且，两个 等级的竹帘层压板的抗弯蠕变性能都比较好：5 个试样的蠕变因子的平均值， 经过6 0 天之后为0 1 6 ，估计经过1 年之后为o 2 6 ，估计经过1 0 年之后为 o 4 9 ，估计经过5 0 年之后为o 7 5 。即使对于5 个试样中蠕变性能最差的b 4 而言，其蠕变变形也很小，经过6 0 天之后其蠕变因子为0 2 4 ，经过9 0 天之 后为o 2 7 ，估计经过1 0 年之后其蠕变因子为07 9 ，估计经过5 0 年之后为 1 2 7 。但是，估计值的准确性尚需进一步验证。 最后，本文将m o n t e c a r l o 技术、梁的抗弯理论和层积品的截面转换的 简化分析方法结合起来，对一种分级竹帘人造板的抗弯弹性模量进行了模拟 预测，并对其在两种受力情况下( 应力与表层纹理方向平行、应力与表层纹 理方向垂直) 的抗弯弹性模量的模拟预测结果进行了试验验证，结果表明模 拟预测的抗弯弹性模量的平均值与实测结果差异都很小( 误差在5 以下) ， 这初步表明利用m o n t e c a r l o 技术和层积品的截面转换的简化分析方法结合 起来模拟预测分级竹帘人造板的抗弯弹性模量是可行的。该模拟技术将为新 的竹帘人造板的研制提供一种可供借鉴和参考的板坯结构设计的方法，有利 于节约新的竹帘人造板设计开发的成本和时间，对分级竹帘人造板的发展、 i i i 摘要 竹材的优化利用具有重要的意义。 关键词分级，毛竹，竹帘，力学性质，抗弯，抗压，加速老化，蠕变因子 蒙特卡罗技术( m o n t e c a r l ot e c h n i q u e ) v a b s t r a c t - _ _ _ - _ - - _ ，- _ - _ _ _ - _ _ - _ - - ， - _ _ _ _ 一一 s t u d i e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g r a d e dm o s ob a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t e b yy uh u a q i a n g d i r e c t e db yp r o f j i a n gz e h u i w o o ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h o u g h t h eg r e a tv a r i a t i o no ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m o s ob a m b o o ( p h y l l o s t a c h y sp u b e s e e n sm a z e l ) i sk n o w n ，t h eb a m b o os t r i p sa r e m i x e dt o g e t h e ri nm a n u f a c t u r i n gt h eb a m b o os t r i pc o m p o s i t ei nm a n yb a m b o o f a c t o r i e s m i x i n gm e t h o di sc o n x e n i e n tb u th a r dt oa c c o m p l i s ht h eo p t i m i z a t i o n u s eo ft h eb a m b o om a t e r i a l t h em a j o rp u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st oa c c o m p l i s h t h eo p t i m i z a t i o nu s eo ft h eb a m b o om a t e r i a lt h r o u g hb a m b o os t r i pg r a d i n ga n d s c i e n t i f i c a l l yd e s i g n i n go ft h e b a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t e t h ef o l l o w i n gj o b s h a x ，eb e e nd o n ei no r d e rt or e a l i z et h i s p u r p o s e ：t e s t i n g a n da n a l y z i n gt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f b a m b o om a t e r i a la td i f f e r e n tl o c a t i o n ，a n d s e e k i n gf o rr e a s o n a b l eb a m b o os t r i p ( b a m b o oc u r t a i n ) g r a d i n gr u l e s ；t e s t i n ga n d a n a l y z i n g s o m em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p a r a l l e l m o s ob a m b o oc u r t a i n l a m i n a t e dp a n e l s ；s i m u l a t i n gt h eb a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t et op r e d i c tt h em o e t h eb a s i cp r o p e r t i e s ( i n c l u d i n gb a s i ca n da i r d r i e dd e n s i t y t h es h r i n k a g e r a t e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h et e n s i l em o d u l u so fe l a s t i c i t yp a r a l l e lt og r a i n ) o fm o s ob a m b o oa td i f f e r e n t1 0 c a t i o n sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t e n s i l em o d u l u so fe l a s t i c i d p a r a l l e l t o g r a i nd e c l i n e d m o s tr a p i d l ) f o r mt h e o u t e rt ot h ei n n e rp a r to ft h eb a m b o ow a l l ，t h a tc o m p a r e dw i t ht h es o f t w o o dt h e t e n s i l es t r e n g t ho fi n n e ra n do u t e rp a r to fb a m b o oi s h i g h e r ，a n dt h et e n s i l e m o d u l u so f e l a s t i c i t yp a r a l l e lt og r a i no fi n n e rp a r ti s l o w e r s oi ti ss u i t a b l et o g r a d et h eb a m b o os t r i p sa c c o r d i n gt ot h et e n s i l em o d u l u so fe l a s t i c i t yp a r a l l e lt o g r a i n f o r t h ec r a f to fc u t t i n gt h eb a m b o o , v a i li n t o6 s t r i p s w i t ht h es a m e t h i c k n e s s t h eg r a d i n gs y s t e mo f4 3a n d2g r a d e sa r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t h ep a r a l l e lb a m b o oc u r t a i nl a m i n a t e dp a n e l so fd i f f e r e n t g r a d e sw e r e m a n u f a c t u r e di nt h e l a b o r a t o r yu s i n g t h em a t u r e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y o f b a m b o oc u r t a i np l y w o o d ，a n dt h eb e n d i n ga n dc o m p r e s s i o np r o p e r t i e sh a v eb e e n s t u d i e dr e s p e c t i v e l yt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tg r a d e so f p a r a l l e l b a m b o oc u r t a i n p a n e l sd i f f e rg r e a t l 3 ：t h em o eo ft h eh i g h e s tg r a d e l a m i n a t e dp a n e li sa b o u tt h e3t i m e st h a to ft h em i n i m u mg r a d e ；t h eb e n d i n g v a b s t r a c t s t r e n g t h ，t h ep r o p o r t i o n a ll i m i to fb e n d i n g ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hp a r a l l e l t o g r a i no ft h eh i g h e s tg r a d el a m i n a t e dp a n e l a r ea p p r o x i m a t e l y2t i m e st h o s eo f t h em i n i m u mg r a d e t h eg a pi nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( e s p e c i a l l ym o e ) o f d i f f e r e n tg r a d e so fp a r a l l e lb a m b o oc u r t a i nl a m i n a t e dp a n e li s b i g t h e r e f o r e t h ec o n s t r u c t i o no fb a m b o os t r i p g r a d i n gs y s t e mi sn e c e s s a r ya n dh e l p f u lf o r b a m b o ou t i l i z a t i o np r o p e r l ya n de f f i c i e n t l y t h ea c c e l e r a t e d a g e i n g t e s t so ft h e p a r a l l e l b a m b o oc u r t a i nl a m i n a t e d p a n e l s o f g r a d ei i i i a n di 2w e r ec a r r i e do u ti na c c o r d a n c et oa s t m d 1 0 3 7 - 9 6 a t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea g e i n gr e s i s t a n c eo ft h e p a n e l m a n u f a c t u r e dw i t ht h eb a m b o os t r i p so f g r a d ei ( w i t hal i t t l eb a m b o oe p i d e r m i s w h i c hw e t t a b i t i t yi sb a d ) a n dp a n e l sm a n u f a c t u r e dw i t ht h eb a m b o os t r i p so f g r a d ei 2 ( w i t hal i t t l eb a m b o op i t hw h i c hw e t t a b i l i t yi sb a d ) i sn o tb a d t h eb e n d i n gc r e e pf a c t o ro ft h ep a r a l l e lb a m b o oc u r t a i nl a m i n a t e dp a n e l s o f g r a d ei i a n di 、1w e r es t u d i e di na c c o r d a n c et oe n v115 6 t h em a i n c o n c l u s i o ni sa st h ef o l l o w i n g ：b a m b o op a n e l sa b s o r b e da n dd e s o r b e dm o i s t u r e s l o w l y ；t h e r e i sl i t t l ed i f f e r e n c ei n c r e e p f a c t o rb e t x e e nt h et w o g r a d e s o f p a r a l l e lb a m b o oc u r t a i nl a m i n a t e dp a n e l sr m c ：5 7 、a tas t r e s sl e v e lo f2 1 o0 f n l a x i na d d i t i o n ，p o w e rl a wf u n c t i o n sc a n 、e l ld e f i n et h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c r e e pf a c t o ra n dt h ec r e e pt i m e c o m p a r e dw i t h w o o da st le l la ss o m es t r u c t u r a l c o m p o s i t el u m b e r ，t h e m o ea n dm o ra n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h e h i g h g r a d ep a r a l l e l c u r t a i n l a m i n a t e dp a n e li s h i g h e r ；t h es t r e n g t ho f t h el o w g r a d ep a n e l si sm e d i u mb u t t h em o ei sl o w e r h o wt ou s et h el o w g r a d eb a m b o os t r i p s r e a s o n a b l y isa p r o b l e mt o b es o l v e d i ft h es t r u c t u r eo ft h eb a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t ew a s d e s i g n e ds c i e n t i f i c a l l ya n de a c hg r a d eo f t h eb a m b o os t r i p sw a su s e de f f i c i e n t l y t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tw o u l db ep r o m o t e d w i t hm o n t e c a r l ot e c h n o l o g y ，t h e b e n d i n gt h e o r y o ft h e b e a m s ，a n dt h es i m p l i f i e da n a l 3 ，s i sm e t h o do fs e c t i o n t r a n s f o r m a t i o nf o rl a y e r e d u pc o m p o s i t e ，t h em o eo fb a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t e w i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ei s p r e d i c t e d t h ev a l i d a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h em e a no f m o es i m u l a t e da n dm e a s u r e df o rak i n do fb a m b o oc u r t a i np l y w o o da r ea l m o s t t h es a m e s om o n t e c a r l ot e c h n o l o g yi sav a l i dw a yt o p r e d i c tt h em o e o ft h e b a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t e i naw o r d ，p r i m a r yw o r ki n d i c a t e dt h a tg r a d e db a m b o oc u r t a i nc o m p o s i t e s s u r e l yo f f e rap r o m i s i n gf u t u r ef o rs t r u c t u r a lu s e v k e yw o r d s m o s ob a m b o o ，b a m b o oc u r t a i n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e n d i n g c o m p r e s s i o n ，a c c e l e r a t e da g i n g c r e e pf a c t o r ，m o n t e 。c a r l ot e c h n i q u e v i 致谢 致谢 本论文是在我的导师江泽慧教授的耐心指导和教诲下完成的，从论文的 立题、研究内容的确定一直到论文的撰写和修改的整个过程都凝结着江老师 的汗水和智慧。值此论文完成之际，谨向江老师表示内心无尽的感激和敬意： 副导师姜笑梅研究员在试材采集、试验方案设训、试验、论文撰写和修 改的整个过程对我都进行了耐心的、具体的指导提出了宝贵的建议。在此 表示深深的感谢和敬意。 王金林、王正、秦特夫、傅峰、费本华、刘君良、于文吉、孙正军和任 海青等各位老师对我论文结梅和试验方蒸设计都提出了大量宝贵的意见幻 建议，候祝强、骆秀琴、段新芳、e 喜明、李学立、赵荣军、郭起荣、邢旁二 婷、王志娟等各位老师对我的j = 文工作也给予了很大的支持。在此一并表示 衷心的感谢。 德国汉堡大学的wl i e s e 教授赠送了大量的竹材文献资料，在此表示 感谢和敬意。在试验过程中，国际竹藤网络中心的领导和工作人员都给予了 无私的支持和无偿的帮助。在热匝制板过程中王天佑研究员、曹忠荣研究员 和罔月副研究员给予了耐心指导，在材性测试过程中赵有科、许明坤、阎淮 鹏、王朝晖、王戈、周宇、殷亚方、余雁等博士都给予了大力支持。同h 寸， 覃道春、刘杏娥、刘晓丽、张哀升、杨忠、周海宾、黄安民等博士研究生对 我试验 二作也给予了大量无私1 0 帮助，在此一并表示诚挚的谢意。 在蜉变试验设备的研制和茹变测试过程中，闩本专家c a n a k a j 先牛、我 所的王维新研究员和吕斌高：1 一郡给f 了大力支持、提出了宝贵的建议。另外 龙玲和孙学东工程嗬在蠕变发圣制作过程中也给予了 艮大的帮肚= 召二此表刁i 蛾挚的感谢。 感谢浙江新昌福大竹木有：艮公司的陈鸿斌等同志在试材采集过程中的 热心帮助，感谢林科院院木工厂和机械公司的领导和员工在试材制作和试验 设备加工过程中的帮助和支持= 另外，院研究生处和木材所的领导老师们在我学习和工作中给予了大量 的支持和亲切的关怀，他们为保证本论文的顺利进行做了大量辛苦的：r 作。 在此表示衷心的感谢。 我的妻子和家人为了我的学、i k 承受着生活的压力、做出了巨大的奉献。 我只有加倍地努力学习、二l 作二能报答他们。 再次感谢各位支持、帮助和关心我的人。 筇1 草引高 1 1 研究背景 第1 章引言 我国的木材资源有限，无i ：爸森林的覆盖率还是人均占有量都低于世界的 平均水平。随着我国经济的高速增长，必然牵动了原材料( 当然包括木材) 的 需求：国内木材资源每年呈递减之势，从19 9 8 年洪灾之后，我国政府丌始 实施天然林保护工程，商品术材的年产量已经逐渐递减【】“。 我国有竹类植物3 5 个属，近4 0 0 个种，现有竹林面积约7 2 0 万公顷， 其中纯竹林4 2 0 万公顷，原始高山竹丛3 0 0 万公顷pj 。充分合理利用竹材资 源将有利于缓解木材的供需矛盾。目前，我国竹材应用已经初具规模，竹材 年采伐量约8 0 0 9 0 0 万吨，其中商品材约6 0 0 万吨 】，针对竹材的特点丌发 出了竹树胶合板、竹材集成搦、竹地板、竹材刨花板、竹片拼接装饰板、竹 木复合材料等产品的生产工艺、技术和设备，并成功地实行了丁：业化生产， 在定程度上缓解了木材供应不足的矛盾。但是市场竞争| _ | 趋激烈，竹利产 品始终面临着木材胶合板和铜板的挑l 戋。提高产品性能、优化利用竹榭是 提升产品竞争力的有效手段之 ： 大量研究1 6 l 副表明竹材沿伯壁厚度方向和高度方向变异大，然而我国的 竹材加工企业在生产竹编胶合板、竹帘胶合板、竹篾层压板、竹碎料板和竹 刨花板等产品时，多将性质变异较大的竹材单元混合利用，这样虽然便利， 但往往难以做到材料的优化利用。如果将竹材按照性质差异大小分成不同等 级，然后分类利用，则能够带来一些好处： i ) 可以用优等竹材生产性能高的产品，低等竹材生产性能低的产品， 将不同性能的产品分别利用，做到适材适f j 、材尽其用； 2 ) 如果不分级，高低性能的材料混合在一起，使得i 殳计应力只能根据 性能低的材料来确定，因此设计应力很低，这样高性能材料就得不到有效利 用：分级后材料变异小，产品性能更加均匀一致，则设计应力普遍得到提高。 3 ) 有利于将不同等级的竹篾合理配置，使不同等级的竹材得到高效利 用、产品的结构得到优化，同时也提高了产品的性能。 4 ) 使得竹木复合效果更佳。如果用模量和强度均高的外层竹与低模量 和低强度木材复合的话，则会显著提高复合产品的强度和弹性模量。因此， 竹篾分类利用为高模量高强度竹木复合材料的生产开发提供了基础。 因此，如果在加工中考虑竹材的差异而将材料分级，则有希望促进竹材 董i - 誊引，。 的高效利用、提高竹材产品性能及竞争力。 1 2 研究内容、目的和意义 由于我国竹材中毛竹的蓄积量最大，因此选择毛竹为试驻材料：该研究 的主要目的是：通过竹篾分级、分级竹帘人造板的力学性质分析和抗弯弹性 模量的模拟预测，初步获得竹篾的分级方法、分级竹帘层压板的重要力学性 质、抗弯用竹帘人造板板坯结构设计的模拟方法，为竹篾的努级利用建立基 础。 为了实现该目的，必须回答3 个基本问题： 1 ) 列竹麓如何分级? 2 1 利用分级竹篾生产的分级竹蔑( 竹帘) 层压板( 竹篾全部平行层积) 的力学性质及其差异如何? 3 1 竹篾分级之后，各级们篾如何合理组坯使用才能达到圣级竹蔑的最优 化利用? 针对以上3 个问题，本文对以下的内容进行研究： 1 1 系统研究不同部位毛竹材的物理力学性质，在分析其差异的基础上， 建立竹篾的分级系统； 2 ) 在实验室罩利用分级竹篾分别压制单向竹帘层压板，研究分析其力学 陛质( 包括耐老化和抗弯蠕变性质) ； 3 ) 探索分级竹帘人造板抗弯弹性模量的模拟预测方法，以】立用于竹帘人 造板的科学组坯设计。并且拟在实验室里压制一种组坯方式的竹帘皎合板， 通过将其实测的抗弯弹性模量与模拟结果的比较，对模拟的可靠性进行验 证。 研究的意义在于： 1 ) 竹篾分级系统的建立，为分级竹帘人造板的优化设计、竹材的优化利 用建立了基础。 2 ) 对分级竹帘层压板的力学性质研究将能初步回答竹篾分级有无必要 的问题：如果各级竹帘层压板的力学性能差异很小则竹篾分级没有必要：反 之，如果等级之间差异大则竹篾分级就很有必要，有利于适材适用。而且， 对分级竹帘层压板的力学性质研究有利于增加对分级竹帘层压板性能的了 解和认识，也为新的竹帘人造板设计开发提供基础资料，同时也为其在工程 结构领域的应用设计提供参考。 3 ) 有效的分级竹帘人造板抗弯弹性模量的模拟预测技术将为分级竹帘 人造板的板坯设计提供模拟预测方法，将会节约新产品开发的时间和成本， 2 第1 章引苦 有利于促进新的分级竹帘人造板的设计开发、竹材的高效利用。 1 3 文献综述 1 3 1 竹材 1 3 1 1 竹材的解剖特征 竹材的解剖特征与其物理力学性质密切相关，并直接影响其加工利用。 竹材解剖构造与木材差别很大，竹利由节和节问组成，竹秆的外部是由 几层表皮细胞组成，最外部覆盖着蜡层，秆内部是由无数的薄壁细胞和维管 束组成，竹材节间细胞都是轴向细胞，没有木材中的横向射线细胞。早在 1 9 j 5 年，温太辉惮l 等对中国竹类的维管束解剖形态进行了研究。6 0 年代初 期，李正理等对我国1 4 个属2 4 种竹秆维管束解剖形态进行了研究，把中心 一侧增生纤维股的现象做为划分丛生竹与散生竹的依据，此研究推进了利用 解剖特征为依据对竹材的系统分类的进程【”l 。1 9 7 1 年，g r o s s e r 和l i e s e 根 据竹材横截面维管束的形状、大小和排列等特征，对1 4 个属5 2 种竹材进行 研究后，提出开放型、紧腰型、断腰型和双断腰型4 种维管束类型，并以此 为依掘将竹材分为4 个类群和两个亚群【“，”】。除此之外，l i e s e 对竹材微结 构还做了其它大量工作，主要包括竹节的构造、竹材纤维的超微构造、竹材 的分隔纤维结构、竹材细胞中的瘤层等方面 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。1 9 9 3 年，腰希申等采 用独特的炭化制样方法，研究了国产竹材3 3 属7 1 种的显微和超微结构，对 竹秆的表面微观形态，竹秆表皮层、皮层，外部、中部、内部维管束的类型， 导管、筛管、髓腔外围组织的组织比量等进行了观察、分析、测量并加以说 明；并以维管束的类型及其它解剖特征进行归纳分类，列出分属特征检索表， 该项研究对竹材分类、鉴别竹种具有重要价值【”i 。9 0 年代米，周芳纯等对 竹材的竹竿、竹节、竹壁的形态和构造，3 3 个竹种内部的组织比量、纤维 和导管形态特征沿竹壁厚度方向和竹秆高度方向的变异等进行了较为系统 的归纳总结【1 “。总之，对竹材解剖特征( 包括显微结构超微结构) 的研究已经 比较成熟。 1 3 1 2 竹材的物理性质 国内外对竹材的物理性质研究很多，重点在密度、含水率、吸水性和湿 胀干缩等方面，而在热学、电学、声学方面也有少量研究。密度是工程材料 重要的物理性质，与材料的力学性能关系密切。含水率、吸水性和湿胀干缩 对竹材的尺寸稳定性影响很大。因此竹材密度、含水率和吸水性、湿胀干缩 等方面的研究对其工程利用相当重要。 第1 章引言 1 3 1 2 1 密度 竹材的密度是指单位体积竹材的重量，重量常指炉干重或气干重，体积 指炉干、气干或生材体积，由此得到的密度有绝干密度、气干密度和基本密 度。竹秆部位、年龄、立地条件和竹种等因素对竹材密度都有影响，毛竹和 慈竹( n e o s i n o c 剐c l m l t sa f j _ i n i s ) 竹秆自基部至梢部，密度逐步增大：同一高 度的竹材，竹壁外侧密度比中部和内部的大：毛竹和慈竹的密度，l 6 年生 逐步提高，5 8 年生稳定在较高的水平上，8 年生以后有所下降；立地条件 好的竹材比立地条件差的密度低；分布在气温较低、雨量较少的北部地区的 竹类的竹材密度太，而分布在气温较高、雨量较多的南方地区的竹材密度较 小i 1 ”。 王朝晖对不同竹龄的毛竹材的微密度变异进行了研究，结果表明距离竹 表皮3 4 ，1 0 竹壁厚度处是竹材密度变异最大的位置，该结论对于了解竹材的 径向变异具有一定的意义1 6 j 。 1 3 1 2 2 含水率和吸水性 新鲜竹材的含水率与竹龄、部位和采伐季节有一定的关系。一般说来， 幼龄竹材比老龄竹材含水率高，自基部至梢部含水率逐步降低，竹壁外侧含 水率比中部和内部低，夏季采伐的竹材含水率比其他季节采伐的要高 2 0 1 。 平衡含水率是指在一定的温度和相对湿度条件下材料达到平衡状态时 的含水率。木材和竹材在使用过程中，环境的温度、相对湿度会有波动，将 会引起其含水率的变化，通常希望其含水率变化缓慢，因为大的含水率变化 将使材料的物理力学性能发生变化。m a n s u ra h m a d 2 。】对牡竹属的加尔各答 牡竹( d e n d r o c a l a m u ss t r i c t u s ) 的研究发现，加尔各答牡竹与西加云杉( p i c e a s i t c h e n s i s ) 的平衡含水率接近( 世界大部分地区常用西加云杉的吸附等温线 来估计木材的平衡含水率) 。对其他竹材平衡含水率的研究少见报道。 竹材吸水后，吸水量与竹材含水率( p ) 、浸水时间( t ) 、具有p = a + b i n t 的关系，其中，a 、b 是常数【20 1 。p e r a l t apn 【2 2 1 等人研究了五月季竹 ( p h y l l o s t a c h y sb a m b u s o i d e s ) 在不同温度和相对湿度条件下的径向水分扩散 规律，发现其扩散系数的变化在7 3 1 0 - 1 2 _ 7 8 1 0 “1 平方米秒之间，在高含 水率范围内扩散系数较大，并且随温度增加而增加，扩散系数与温度的关系 符合a r r e n i u s 方程，在解析过程中扩散系数几乎是吸湿过程中的2 倍。 1 3 1 2 3 干缩 从目前来看，对竹材的不同年龄、不同部位和不同方向的干缩率研究较 多。竹材的径向和弦向干缩差别不大，轴向最小。毛竹从气干到全干状态， 平均干缩缩系数( 含水率降低l 的平均干缩率 分别为：弦向0 1 8 2 ： 第1 章引言 径向0 18 9 ；纵向o 0 2 4 3 1 。f 司一高度竹壁的内外层的干缩程度也有差异， 竹青部分纵向干缩小，而横向部分的干缩最大；竹黄部分纵向干缩较竹青大， 但横向部分的干缩明显比竹青小。据报道，与木材只有在纤维饱和点以下时 爿干缩不同，竹材一旦干燥即开始收缩，但是当含水率在7 0 一4 0 之间时， 收缩停止，在此范围以下收缩又丌始，在2 5 以下时干缩最大p ”】： 1 3 1 3 竹材的力学性质 1 9 9 6 年，李源哲等【”】研究了我国的毛竹、红竹( p h y l l o s t a c h y si r i d e s c e n s ) 、 淡竹( p h y l l o s t a c h y sn i g r a v a rh e n o n i s ) 、刚竹( p h y l l o s t a c h y ss u p h u r e a ) 、撑 篙竹f b a m b u s ap e r v a r i a b i l i s ) 、青皮竹( b a m b u s at e x t i l i s ) 和粉单竹( b a m b u s a c h u n g i i ) 等7 个主要竹种，测定了各试验竹的直径、竹节长度和竹壁厚度的 变异，并分别对温材和气干材的各项物理力学性质进行研究，分析了生长地 形、竹龄及高度等对竹材物理力学性质的影响。19 9 9 年，张宏健【2 4j 等研究了 云南4 种典型材用丛生竹的宏观解剖结构与主要物理力学性质的关系：2 0 0 1 年，王朝晖i 6 l 、于文吉1 2 5 1 对毛竹的力学性质变异进行了详细的研究。冼含娟 等_ j 对毛竹和撑蒿竹的研究结果显示：竹材维管束从竹壁外层向内逐渐减 少，从束和一根纤维的横截面看，内层纤维的中，b 孔腔的空间及细胞间隙 要大一些，因此竹材的密度自表皮向内层逐渐降低，内层密度约为外层的6 0 ，抗弯和抗拉强度和弹性模量亦随之降低，通过大量试验，冼杏娟建立了 不同竹壁位置的纤维体积含量与竹材试件的抗拉弹性模量估计的经验方程。 叶民权1 1 9 9 5 年对竹材力学性质进行了新的探索，将毛竹壁分割成内中外3 部分，测定了各部分的维管束顺纹抗拉强度、竹材的顺纹抗拉强度、维管束 的数量和面积百分数，并得到对竹壁外、中、内单元竹材抗拉强度估计的经 验公式。杨云芳等将毛竹材视为维管束增强的单向复合材料，研究了竹材维 管束和薄壁细胞含量沿壁厚和竹竿高度的变异，并得到其顺纹抗拉弹性模量 分别为2 7 6 0g p a i 6 0 6g p a ，抗拉强度分别为5 4 76 8m p a 和7 46 0m p a 2 6 1 。 上述研究结果表明竹材的力学性质较复杂，主要表现在： 1 ) 不同部位竹材力学性质不一致。毛竹、撑篙竹和粉单竹的力学性质， 基本是从基部至梢部，逐渐增高。红竹、淡竹、刚竹、青皮竹上下部位差异 不大，无一定的规律性。 2 ) 含水率变化引起力学性质的变化。竹材的顺压、顺纹抗拉、顺纹剪 切、静曲强度及模量等力学性质与含水率关系明显，随含水率的增高而降低， 但当竹材处于绝干条件下时，因质地变脆强度反而下降：而横纹抗拉、纵劈 和弦向静曲等强度与竹材含水率关系不明显 2 7 1 。 3 ) 不同竹龄竹材的力学性质不一致。竹材的力学强度一般随竹龄的增 星! 芏! l 互一 _ 一 。 长而提高，至一定年龄后达到稳定，但当竹秆老化变脆时强度反而下降。不 同竹种达到稳定的年限不一样，如毛竹需生长至6 年以上；而淡竹、撑篙竹 则仅生长至2 年以上即趋于稳定”。 另外，竹材和木材一样，其应力一应变具有随时问而变化的性质( 即粘 弹性) 。陈士英等2 8 1 比较研究了竹材p f 胶刨花板、u f 胶竹材刨花板和木质 刨花板在高、低湿度下蠕变性能的差异，结果表明竹材刨花板抗蠕变性能较 好，在较高的相对湿度情况下竹材刨花板的残余变形比木材刨花板低。 1 3 1 4 竹材的化学性质 1 3 1 4 1 竹材化学组成 竹材的化学组成与木材类似，主要由纤维素( 4 0 6 0 左右) 、木质素 ( 1 6 3 4 ) 和半纤维素( 1 4 2 5 ) 构成，另外还有少量的抽提物和灰分含 量等 2 9 , 3 0 1 。竹材的化学组成随竹材种类、部位和生长年龄而不同，世界竹 藤对此有详细介绍【”王文久l “i 、张齐生( ”】和j i n x i n gl i n t ”f 等对此也进行 过研究和总结。 竹材的化学组成及其含量与年龄有一定的关系。王文久【3 2 1 对云南省5 种 丛生竹的研究表明，同一竹种不同年龄竹材的同种化学成分多有明显变化， 但不同种问未发现有共同的变化规律。张齐生1 等依据不同年龄毛竹的化学 组分变化，将毛竹材质生长中的化学成分变化分为3 个主要阶段：( 1 ) 1 4 年， 木素、综纤维素等大分子物质的增长期；( 2 ) 5 7 年，综纤维素、木素都在 较高水平的稳定期：( 3 ) 8 年生毛竹的综纤维素含量降低，灰分及抽出物含量 增加，材质生长进入下降期。j i n x i n g