竹材物理力學(xué)性能研究

竹材結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能研究

匯報(bào)人：黃慧玲3150304——以毛竹、苦竹及雷竹為例祝雅園3150350凌璐璐3150347Contents目錄01020304研究背景竹材毛竹總結(jié)與展望05苦竹雷竹0607比較與分析一、研究背景

竹材是一種重要的森林資源，隨著竹材加工技術(shù)的發(fā)展，竹材在建筑行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，以竹代木是解決目前木材資源匱乏的最佳途徑。竹材具有材質(zhì)好、生長(zhǎng)快、周期短、產(chǎn)量高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，且生物可降解，有關(guān)其加工利用的研究相當(dāng)廣泛。作為一種天然纖維質(zhì)材料，其性能隨著竹齡的增加產(chǎn)生相應(yīng)的變化，甚至是老化。竹材的材質(zhì)老化伴隨著結(jié)構(gòu)上的改變，同時(shí)也會(huì)表現(xiàn)為竹材基本性質(zhì)及力學(xué)性能上的改變。二、竹材的基本結(jié)構(gòu)1、竹材的宏觀結(jié)構(gòu)

竹子是世界上生長(zhǎng)最快的植物，能在40-120天的時(shí)間內(nèi)達(dá)到成竹的高度（15~30米或40米）。竹材主要指竹子的竹稈，它是竹子利用價(jià)值最大的部分。竹稈是竹子地上莖的主干，竹稈外形多為圓錐體或橢圓體。竹稈由竹節(jié)和節(jié)間兩部分組成，竹稈的長(zhǎng)度、胸徑、竹壁厚度和竹節(jié)的數(shù)量，根據(jù)竹種不同，其差異很大。

竹節(jié)由稈環(huán)，籜環(huán)和竹橫隔壁組成，起著加強(qiáng)竹稈直立和水分、養(yǎng)分橫向輸導(dǎo)作用。竹稈的節(jié)間，竹材維管束排列互相平行，而在竹節(jié)處的維管束呈彎曲走向并且縱橫交錯(cuò)。橫隔壁把竹稈分隔成空腔，即髓腔。髓腔周圍的壁稱為竹壁。竹壁在宏觀上由三部分組成，自外而內(nèi)依次為竹皮、竹肉和髓環(huán)組織（髓環(huán)和髓）。竹皮是竹壁最外層，通常橫切面上看不見維管束的部分。竹肉是界于竹皮和髓環(huán)組織間的部分，橫切面上有維管束分布。維管束是在竹材橫切面上，見到的許多呈深色的菱形斑點(diǎn)，在縱切面上它呈順紋股狀組織。維管束在竹壁內(nèi)的分布一般自外而內(nèi)由密變疏。竹肉內(nèi)側(cè)與竹腔相鄰的部分為髓環(huán)，其上也無維管束分布。在生產(chǎn)習(xí)慣上，常將竹壁厚度的不同組織由外至內(nèi)稱之為竹青、竹肉和竹黃三個(gè)部分。2、竹材的微觀結(jié)構(gòu)

竹材的微觀構(gòu)造是指竹材內(nèi)部的細(xì)胞特征、細(xì)胞排列及組成成分。竹材由細(xì)胞組成，細(xì)胞是竹材顯微鏡下構(gòu)成竹材的基本形態(tài)單位?？梢园阎癫募?xì)胞分為表皮系統(tǒng)、基本系統(tǒng)和維管系統(tǒng)三部分。在解剖學(xué)上則進(jìn)一步細(xì)分為表皮、皮下層、皮層、基本組織、維管束和竹腔壁等六個(gè)部分。竹類植物維管束解剖結(jié)構(gòu)（Grosser,Liese）1.外方纖維股2.薄壁組織3.維管束外鞘4.初生韌皮部的篩管5.后生木質(zhì)部的2個(gè)大型導(dǎo)管6.小的后生木質(zhì)部分子7.細(xì)胞間隙（由原生木質(zhì)部深化而成，其中常具有1~2個(gè)環(huán)紋導(dǎo)管或填充體8.內(nèi)方纖維股三、毛竹（Phyllostachysheterocycla）

竹材力學(xué)性能是竹材加工利用的重要依據(jù)之一。根據(jù)竹材力學(xué)性能的不同可以確定竹材的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍$對(duì)竹材的培育(確定合理的砍伐時(shí)間具有現(xiàn)實(shí)意。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同竹種竹材的物理力學(xué)性能研究較多，主要側(cè)重于研究其密度、干縮性、強(qiáng)度等方面，通過力學(xué)性能測(cè)試，探討不同竹齡、竹稈部位、密度及含水率對(duì)竹材物理力學(xué)性能的影響。1、竹齡2、部位3、密度

竹材的密度是指單位體積竹材的重量,重量常指爐干重,體積指爐干、氣干或生材體,由此得到的密度是絕干密度、氣干密度和基本密度。竹稈部位、年齡、立地條件和竹種等因素對(duì)竹材密度都有影響,毛竹和慈竹(Neosinocalamusaffinis)竹稈自基部至梢部,密度逐步增大;同一高度的竹材,竹壁外側(cè)密度比中部和內(nèi)部的大;毛竹和慈竹的密度,1～6年生逐步提高,5～8年生穩(wěn)定在較高的水平上,8年生以后有所下降;立地條件好的竹材比立地條件差的密度低;分布在氣溫較低、雨量較少的北部地區(qū)的竹類的材密度大,而分布在氣溫較高、雨量較多的南方地區(qū)的竹材密度較小。王朝暉對(duì)不同竹齡的毛竹材的微密度變異進(jìn)行了研究,并認(rèn)為距離竹表皮3.4/10竹壁厚度處是竹材密度過變異最大的位置,該結(jié)論對(duì)于竹材破篾和竹篾分等具有重要的意義。4、含水率新鮮竹材的含水率與竹齡、部位和采伐季節(jié)有一定的關(guān)系。一般說來,幼齡竹材比老齡竹材含水率高,自基部至梢部含水率逐步降低,竹壁外側(cè)含水率比中部和內(nèi)部低,夏季采伐的竹材含水率比其他季節(jié)采伐的要高；

竹材的順壓、順紋抗拉、順紋剪切和靜曲強(qiáng)度及模量等力學(xué)性質(zhì)都與竹材的含水率息息相關(guān)。

隨含水率的增高而降低，但當(dāng)竹材處于絕干條件下時(shí)，因質(zhì)地變脆強(qiáng)度反而降低，而順紋抗拉，縱劈和弦向靜曲強(qiáng)度和含水率關(guān)系不明顯。四、苦竹(Pleioblastusamarus)

苦竹為多用途復(fù)軸混生型竹種,廣布于江蘇、安徽、江西和福建等丘陵山地。其竿不僅為良好的造紙?jiān)?還可制作簫、笙、管、笛等民間樂器,文房四寶中的筆管、風(fēng)鈴等各種竹制工藝品,各種果蔬花卉棚架,標(biāo)槍、旗桿等各種體育運(yùn)動(dòng)器材。其筍營(yíng)養(yǎng)豐富,尤其含糖苷較高,口味獨(dú)特,能增強(qiáng)食欲,具有清熱解毒、強(qiáng)身健體之功效。1.竿齡與竹材物理力學(xué)性質(zhì)

表1不同竿齡竹材物理力學(xué)性質(zhì)由表1得出結(jié)論：竿齡對(duì)基本密度、徑向干縮系數(shù)、弦向干縮系數(shù)、體積干縮系數(shù)、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、徑向抗彎強(qiáng)度、弦向抗彎強(qiáng)度影響極顯著?？嘀裰癫臍飧擅芏群土W(xué)性質(zhì)隨著竿齡的增大而增大；而徑向、弦向和體積干縮系數(shù)隨竿齡增加逐漸減少。從1年到2年、2年到3年期間,各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)的變化幅度較大,在2年以后,差異在不斷減少,3～5年趨于穩(wěn)定。

表23年生苦竹竹竿不同部位竹材物理力學(xué)性質(zhì)項(xiàng)目竹竿部位基部中部頂部平均值氣干密度/(g·cm-3)0.710.810.880.80弦向干縮系數(shù)/%0.650.600.580.61徑向干縮系數(shù)/%0.710.590.560.61體積干縮系數(shù)/%0.840.690.740.76順紋抗壓強(qiáng)度/MPa51.767.972.263.9順紋抗拉強(qiáng)度/MPa182.3222.3211.8205.4弦向抗彎強(qiáng)度/MPa6.59.211.18.92.竹竿部位與竹材物理力學(xué)性質(zhì)由表2得出結(jié)論:同一竹竿不同部位竹材的物理力學(xué)性質(zhì)是不同的。自竹竿基部至頂部,苦竹竹材體積干縮系數(shù)和含水率逐漸減少；基本密度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度及弦向抗彎強(qiáng)度逐漸提高。此結(jié)果與其他人對(duì)紅殼、雷竹等竹材的研究結(jié)果相類似?？嘀裰癫牡幕久芏?、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度隨竹齡增加而提高,徑向、弦向、體積干縮系數(shù)隨竹齡增加而減少。經(jīng)方差分析和均值多重比較,竿齡對(duì)苦竹竹材的物理力學(xué)性質(zhì)影響顯著。但苦竹竹材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)在2年以后,差異在不斷減少,3年以后的各項(xiàng)性質(zhì)差異均不顯著，物理力學(xué)性質(zhì)在3年以后趨于穩(wěn)定,并穩(wěn)定在較高水平；在竹林的培育中，苦竹竹材作為結(jié)構(gòu)用材的采伐竹齡應(yīng)在3～5年。竹竿部位與苦竹材物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。竹竿自基部至頂部,體積全干縮率和含水率逐漸減少,基本密度和力學(xué)強(qiáng)度逐漸提高。3.小結(jié)雷竹為禾本科竹亞科剛竹屬的優(yōu)良筍用竹種，出筍早，筍味鮮美。主要分布于浙江，江蘇與安徽南部也有少量分布。竹材的物理力學(xué)性質(zhì)是其重要的材質(zhì)指標(biāo)，而搞清雷竹材質(zhì)及其變異規(guī)律是其合理高效利用的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于雷竹高產(chǎn)栽培技術(shù)的研究很多，但對(duì)雷竹材質(zhì)變異的研究尚未見報(bào)道。對(duì)雷竹的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試與分析，為雷竹的有效合理利用提供科學(xué)依據(jù)。五、雷竹(Phyllostachyspraecox）1.竹齡與竹材物理力學(xué)性質(zhì)由表1得出結(jié)論：雷竹材基本密度、氣干密度和力學(xué)性質(zhì)隨著年齡的增大而增大；而徑向、弦向和體積干縮系數(shù)隨竹齡增加逐漸減少。并且從3個(gè)月～1年、1～2年期間,各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)的變化幅度較大，以后幾年的變化幅度較小。據(jù)表2結(jié)果表明：各極值點(diǎn)均在4～6年上,極值的極差較小,說明雷竹竹材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)在4～6年時(shí)較為穩(wěn)定,各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)達(dá)極值點(diǎn)。因此,在竹林培育中,雷竹的采伐年齡應(yīng)在4～6年。據(jù)表3結(jié)果表明:竹齡對(duì)基本密度、體積干縮系數(shù)、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、徑向抗彎強(qiáng)度、弦向抗彎強(qiáng)度影響極顯著。并且雷竹竹材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)在2年以后,各項(xiàng)性質(zhì)的差異在不斷減少,3年以后的各項(xiàng)性質(zhì)差異均不顯著,物理力學(xué)性質(zhì)在3年以后趨向穩(wěn)定。2.竹竿部位與竹材物理力學(xué)性質(zhì)由表5得出結(jié)論:同一竹竿不同部位雷竹材的物理力學(xué)性質(zhì)是不同的。從竹竿基部至頂部,雷竹竹材體積干縮系數(shù)和含水率逐漸減少；維管束密度、基本密度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度及弦向抗彎強(qiáng)度逐漸提高。其主要原因?yàn)橥恢窀蛷幕恐另敳?維管束橫斷面積逐漸縮小,維管束密度增大,導(dǎo)管孔徑變細(xì),自由水含量減少,密度增大,從而使力學(xué)性質(zhì)相應(yīng)提高。六、比較與分析基部毛竹苦竹雷竹氣干密度/(g·cm-3)0.920.71弦向干縮系數(shù)/%0.530.65徑向干縮系數(shù)/%0.480.71體積干縮系數(shù)/%0.840.641順紋抗壓強(qiáng)度/MPa7651.745.3順紋抗拉強(qiáng)度/MPa182.3175弦向抗彎強(qiáng)度/MPa109.61.3年生竹材不同部位物理力學(xué)性質(zhì)：中部毛竹苦竹雷竹氣干密度/(g·cm-3)0.880.81弦向干縮系數(shù)/%0.480.6徑向干縮系數(shù)/%0.440.59體積干縮系數(shù)/%0.690.634順紋抗壓強(qiáng)度/MPa6967.948.7順紋抗拉強(qiáng)度/MPa222186.9弦向抗彎強(qiáng)度/MPa113.51.3年生竹材不同部位物理力學(xué)性質(zhì)：頂部毛竹苦竹雷竹氣干密度/(g·cm-3)0.830.88弦向干縮系數(shù)/%0.460.58徑向干縮系數(shù)/%0.360.56體積干縮系數(shù)/%0.740.629順紋抗壓強(qiáng)度/MPa7172.253.6順紋抗拉強(qiáng)度/MPa211.8197.4弦向抗彎強(qiáng)度/MPa123.61.3年生竹材不同部位物理力學(xué)性質(zhì)：2.分析

由上述可以得知，隨著毛竹竹齡的增加，毛竹抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度都呈增大趨勢(shì)，但三年后的生竹材是趨于穩(wěn)定的，因此在不同部位的物理力學(xué)性能研究選擇了三年生竹材。

總體說來，毛竹的順紋抗壓強(qiáng)度是優(yōu)于苦竹和雷竹的，雷竹的順紋抗壓強(qiáng)度最差，與毛竹和苦竹有一定差距。毛竹的干縮系數(shù)不論弦向還是縱向都小于苦竹?？嘀竦捻樇y抗拉強(qiáng)度都優(yōu)于雷竹。從體積干縮系數(shù)看，雷竹都小于苦竹。比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，不論是毛竹、苦竹還是雷竹，幼齡竹的竹材力學(xué)強(qiáng)度低，之后逐步提高，而8年生后有下降趨勢(shì)。

竹竿順紋抗壓強(qiáng)度碎桿高而變化，隨竹竿高度增加，竹材的順紋抗壓輕度提高。一般來說，竹竿基部含水率最高，隨著相對(duì)高度增加，含水率逐步下降，至竹竿頂部含水率最低。

因此，雖然同屬于竹材，不同竹材各有優(yōu)勢(shì)，物理力學(xué)性質(zhì)也有所差別。七、總結(jié)與展望1、竹材材性變異不大,竹材學(xué)界、竹材工業(yè)界應(yīng)高度重視這個(gè)問題。有必要將材性差異很大的單元(如竹篾、竹碎料等)進(jìn)行分類,在對(duì)現(xiàn)有的竹材人造板生產(chǎn)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的基礎(chǔ)上將分類后的竹材單元按照復(fù)合材料進(jìn)行重組、加工、利用。這將能開發(fā)生產(chǎn)有廣泛用途的多種新的工程竹產(chǎn)品,有利于充分發(fā)揮竹材的優(yōu)點(diǎn)、極大限度地降低竹材的缺點(diǎn),促進(jìn)竹材的高效利用。2、在竹材材性研究方面已做得很多,目前有必要加強(qiáng)竹材人造板產(chǎn)品性能,開發(fā)竹材人造板新用途的研究。目前中國(guó)竹材人造板的用途主要有:車輛和船用竹膠合板,混凝土模板,竹地板和集裝箱底板等方面。木材工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛地將木材及其工程制品用于房屋、橋梁和船舶等建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。3、中國(guó)木材貧乏,但是竹類資源較豐富,而且竹材及其人造板的某些性能已經(jīng)超過了木材工程制品