全 文 ：木材加工　Ｔｉｍｂｅｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
９４　 ＰＲＡＣＴＩＣＡＬ　ＦＯＲＥＳＴＲＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
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梁山慈竹材质生成过程中的物理力学性质研究＊
杨　喜１，２　刘杏娥２　杨淑敏２　李贤军１
（中南林业科技大学　长沙　４１００００；２．国际竹藤中心　竹藤科学与技术重点实验室　北京　１００１０２）
［摘要］　研究了梁山慈竹在材质生成过程中的物理力学性质
的变化情况及其基本密度与力学性质相关性。结果表明：梁山
慈竹基本密度、气干密度与绝干密度随竹龄的变化趋势一致，
从２～５年生先减小后增大，３年生密度最小。３种密度皆随竹
秆高度的增加而增大。方差分析表明，竹龄与竹秆部位对梁山
慈竹的３种密度均有极显著影响。主要力学性能随竹龄变化
各不相同，表现为顺纹抗压强度和 ＭＯＥ随竹龄增加先增大后
减小，４年生时达最大；顺纹抗拉强度随竹龄增加有减小趋势；
ＭＯＲ和顺纹抗剪强度随竹龄增加变化较小；冲击韧性随竹龄
增加呈增大趋势。除冲击韧性外，梁山慈竹主要力学性能随竹
秆高度的增加而增大。方差分析表明，除 ＭＯＥ外，竹龄对力
学强度的影响不显著，竹秆部位对抗压强度、ＭＯＲ、ＭＯＥ、冲击
韧性的影响表现差异显著。抗压强度和 ＭＯＲ与基本密度的
相关性较好，其它力学性质与密度相关性较差。
［关键词］　梁山慈竹　丛生竹　物理力学特性　变异
丛生竹占我国竹林面积２０％以上，由于培育、材性和加工
技术等原因限制，未得到很好的开发利用。梁山慈竹（Ｄｅｎｄｒｏ－
ｃａｌａｍｕｓ　ｆａｒｉｎｏｓｕｓ），牡竹属，是优良丛生纸浆用材竹，潜在的大
型工业丛生用竹。竹材比强度大，韧性好，硬度大，其物理力学
性质是衡量竹材质量的重要指标，是竹材加工利用的基础。
Ｌｉｓｋａ［１］等对木材密度与力学性质进行研究，并对两者关系提
出直线和幂曲线模型。周芳纯［２］、马灵飞［３］等对竹材材性变
异，冼杏娟［４］等对竹材解剖结构与力学性能，Ｋａｍｒｕｚｚａｍａｎ［５］、
Ｊｕａｎ［６］等对丛生竹材物理力学变异进行了研究。国内梁山慈
竹的研究限于竹种纤维，解剖结构和生态效益等［７－８］方面，对
于力学变异规律的研究较少。本文研究了四川梁山慈竹不同
竹龄和不同部位的物理力学变异特性，以期为筛选和评定适宜
的建筑用丛生竹提供理论依据。
１　材料与方法
１．１　材料
１．１．１　试材采集　于四川长宁竹海镇，采集竹龄为２年生、３
年生、４年生和５年生梁山慈竹各２０根。
１．１．２　试件制作　试件的截取，参照《竹材物理力学性质试验
方法》中试件加工方法进行［９］。选择无明显缺陷及竹青无损伤
的两节竹筒，按照同一方向，先截取内径为２５ｍｍ的竹条２
＊公益性行业科研专项（２０１００４０５）和“十二五”国家科技支撑计划
项目（２０１２ＢＡＤ２３Ｂ０１）。
作者简介：杨喜，硕士生。主要研究方向：竹材材性研究。
责任作者：刘杏娥。
个，其余截取内径为１５ｍｍ的竹条若干。上下两节的劈制方
式一致。每一段试材自基部向上依次按基本密度、顺纹抗压强
度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、冲击韧性顺序截取，并制样。
试件端面应相互平行，并与侧面垂直，保留竹青、竹黄原
状。测定基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、弦向抗弯强
度和弦向抗弯弹性模量及顺纹抗拉强度试件的制作规格参照
《竹材物理力学性质试验方法》；测定冲击韧性试件参照木材学
国家标准［１０］。
１．２　试验方法
冲击韧性测定参照木材学国家标准，在ＪＢ－３００Ｂ冲击试
验机上进行；其它各力学性能测试方法参照《竹材物理力学性
质试验方法》，在Ｉｎｓｔｒｏｎ万能力学试验机上进行。
将试件放于温度２０℃、湿度６５％的恒温恒湿箱中，调整试
件含水率至９％～１５％时进行测定，为试验值。为了比较各力
学性质，抗压强度、抗剪强度、抗弯弹性模量需转换成含水率为
１２％时的值。
２　结果与分析
２．１　梁山慈竹密度变异
图１是不同竹龄不同部位梁山慈竹的基本密度、气干密度
与绝干密度的变化趋势图。３种密度的变化幅度：基本密度为
０．５３１～０．６５２ｇ／ｃｍ３，气干密度为０．５８８～０．７４４ｇ／ｃｍ３，绝干
密度为０．５７４～０．７１３ｇ／ｃｍ３。
由图可以看出，梁山慈竹基本密度、气干密度与绝干密度
随竹龄的变化趋势一致，从２～５年生先减小后增大，３年生密
度最小，２年生与４年生差异较小。３种密度在不同竹秆部位
的变化规律在所研究竹龄中一致，从竹秆上部到基部都呈逐渐
减小趋势，与其他竹种的研究结果一致［５－６，１１］，因其竹秆上部的
纤维比量大于基部和中部［１２－１３］。方差分析结果表明，竹龄与竹
秆部位对梁山慈竹的基本、气干与绝干密度均有极显著影响。
２．２　不同竹龄梁山慈竹的力学性质
不同竹龄梁山慈竹各力学性质值见表１。竹材的强度与
竹龄密切相关［５－６，１１－１６］。由表１可知，梁山慈竹各力学性能随竹
龄变化各不相同。顺纹抗压强度随竹龄增加缓慢增大，到４年
生时达到最大值，为６３．２８４ＭＰａ，随后下降。顺纹抗拉强度随
竹龄增大缓慢减小，３年生和４年生的比平均值为３０２．３６２
ＭＰａ。ＭＯＥ随竹龄的变化趋势和顺纹抗压强度一致，在４年
生竹材中达到最大值，为９０．８９７ＧＰａ，平均值为７９．６９２ＧＰａ。
梁山慈竹的 ＭＯＲ和 ＭＯＥ都要明显大于毛竹［１４］（ＭＯＲ、ＭＯＥ
分别是１８９．７ＭＰａ、１２．１ＧＰａ），大木竹［１５］（ＭＯＲ、ＭＯＥ分别是
１３９．０ＭＰａ、１２．６ＧＰａ），早园竹［１６］，雷竹［１７］及杉木［１８］等生物
DOI:10.13456/j.cnki.lykt.2012.11.046
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图１　梁山慈竹各部位基本密度、气干密度与绝干密度随竹性的变化趋势
表１　不同竹龄梁山慈竹各力学性质的平均值
竹龄
顺纹抗压
强度／ＭＰａ
顺纹抗拉
强度／ＭＰａ
ＭＯＲ
／ＭＰａ
ＭＯＥ
／ＧＰａ
顺纹抗剪
强度／ＭＰａ
冲击韧性
／ＫＪ·ｍ２
２年 ６０．５４１　 ３１１．４４７　３０１．６９６　７６．０４１　 １２．３１０　 ３　０７８．９０９
３年 ６１．９４５　 ２８４．７７７　３０８．６７５　８３．４６１　 １１．８２１　 ３　７９４．４７０
４年 ６３．２８４　 ２８４．５２３　３０２．７８２　９０．８９７　 １２．２３５　 ３　０４６．８２２
５年 ５８．５２１　 ２７５．５１　 ２９６．２９４　６８．３６７　 １３．２６４　 ４　１６２．６５６
均值 ６１．０７３　 ２８９．０６４　３０２．３６２　７９．６９２　 １２．４０８　 ３　５２０．７１４
质材料。顺纹抗剪强度随竹龄变化较小，从３～５年生逐渐增
加，比毛竹（１６．６ＭＰａ）小。冲击韧性随着竹龄的增加，呈增大
趋势，均值为３　５２０．７１４ＫＪ／ｍ２，比毛竹的冲击韧性（１０１　１２６
ｋＪ／ｍ２）大１０倍以上［１９］。
方差分析结果表明，除 ＭＯＥ外，竹龄对力学强度的影响不
显著（见表２），与以往对其它竹种的研究不太一致，可能的原因
有：竹株立地条件、气候条件的不同。
表２　梁山慈竹各力学性质方差分析
抗压强度 抗拉强度 ＭＯＲ　 ＭＯＥ 抗剪强度 冲击韧性
竹龄 ０．８９１　 ０．４１３　 ０．２４７ ．０００＊＊ ０．０４３　 ０．０７６
部位 ．０００＊＊ ０．１４８ ．０００＊＊ ．０００＊＊ ０．９５６ ．００２＊＊
　　注：　＊＊在０．０１水平显著相关，Ｓｉｇ．＜０．０１差异极显著。
为了具体分析竹龄与力学强度间的相关关系，拟合了各力
学性质与竹龄间的回归方程。由结果知，除了冲击韧性与竹龄
相关性较差外，其他力学性质与竹龄相关性很好。
抗压强度与年龄：ｙ＝－１．５４１　７ｘ２＋１０．３２ｘ＋４５．７６６，　　
Ｒ２＝０．８５３　６；
抗拉强度与年龄：ｙ＝４．４１４　３ｘ２－４１．７０　６ｘ＋３７５．４４，　　
Ｒ２＝０．９１４　５；
ＭＯＲ与年龄：ｙ＝－３．３６６　７ｘ２＋２１．３５７ｘ＋２７３．０６，
Ｒ２＝０．９０２　５；
ＭＯＥ与年龄：ｙ＝ －７．４８７　５ｘ２＋５０．８５４ｘ＋２．７８４１，
Ｒ２＝０．８４０　２；
抗剪强度与年龄：ｙ＝０．３７９　５ｘ２－２．３２８　９ｘ＋１５．４３５，　　
Ｒ２＝０．９９６　３；
冲击韧性与年龄：ｙ＝７２．２４５ｘ２－２４４．２３ｘ＋３　４２８，
Ｒ２＝０．４４７　５。
２．３　梁山慈竹各力学性质的纵向变异
由图２可以看出，除冲击韧性外，梁山慈竹主要力学性能
随竹秆高度的增加而增大，与前人的研究结果相一致［１１］；冲击
韧性随竹秆高度的增加而减小。同一竹秆从下部至上部，维管
束横断面积逐渐减小，维管束密度逐渐增大，且导管、筛管孔径
变小，自由水含量减少，使得各力学强度增大。梁山慈竹冲击
韧性随竹高变化趋势同莫弦丰等研究的毛竹冲击韧性与部位
变化情况相似［１６］。由于试件横截面尺寸小（竹壁厚在３６ｍｍ），
长厚比大，韧性强，冲击试验中出现弯曲等不稳定的现象。而
使试件弯曲所需冲击能量小于使其断裂所需能量，因此从竹秆
下部至上部冲击韧性表现出可能的减小趋势。
图２　力学性质随竹高部位的变化趋势
方差分析表明：竹秆部位对抗压强度、ＭＯＲ、ＭＯＥ、冲击韧性
的影响极显著；对抗拉强度和抗剪强度的影响不显著（见表２）。
２．４　基本密度对力学性质的影响
竹材密度是影响其力学性质的重要因子，对梁山慈竹各力
学性质与密度作回归分析，讨论密度与力学性质的相关性。
　抗压强度与基本密度：ｙ＝１１４．１５ｘ－７．０００　２，　Ｒ２＝０．５８４　２；
　ＭＯＲ与基本密度：ｙ＝８８６．５４ｘ－２２６．３１， Ｒ２＝０．６８２　１；
　冲击韧性与基本密度：ｙ＝－１４　４１７ｘ＋１２　１８３，Ｒ２＝０．４７６　４；
　ＭＯＥ与基本密度：ｙ＝３０３．４２ｘ－１０１．２５， Ｒ２＝０．４２８　５；
　抗拉强度与基本密度：ｙ＝２８９．５５ｘ＋１１６．３９， Ｒ２＝０．３１５　５；
　抗剪强度与基本密度：ｙ＝７．８６３　２ｘ＋７．７１８　４， Ｒ２＝０．１１９。
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图３　基本密度与抗压强度的线性关系
以基本密度与顺纹抗压强度相关性为例，从图３可以看
出，基本密度与抗压强度呈一元线性关系，除冲击韧性外，其他
力学性质皆随基本密度的增大而增强。基本密度与 ＭＯＲ相关
性最好，抗压强度其次，其他力学性质与密度的相关性较差，与
Ｊｕａｎ　ｅｔ　ａｌ．对瓜多竹研究结果一致［６］，但整体相关系数较低。
３　小结
梁山慈竹３种密度变化幅度分别为：基本密度０．５３１
０．６５２ｇ／ｃｍ３，气干密度０．５８８　０．７４４ｇ／ｃｍ３，绝干密度０．５７４
０．７１３ｇ／ｃｍ３。３种密度随竹龄的变化趋势一致，从２～５年生
先减小后增大，３年生密度最小。３种密度皆随竹秆高度的增
加而增大。方差分析表明，竹龄与竹秆部位对梁山慈竹的３种
密度均有极显著影响。
梁山慈竹主要力学性能随竹龄变化各不相同，顺纹抗压强
度和 ＭＯＥ随竹龄增加先增大后减小，４年生时达到最大值。
顺纹抗拉强度随竹龄增加有减小趋势；ＭＯＲ和顺纹抗剪强度
随竹龄增加变化较小；冲击韧性随竹龄增加呈增大趋势。梁山
慈竹力学性质除冲击韧性外，皆随竹秆高度的增加而增大。方
差分析表明竹龄对力学强度的影响不显著，竹秆部位对抗压强
度、ＭＯＲ、ＭＯＥ、冲击韧性的影响表现差异显著。
除冲击韧性外，其他力学性质皆随基本密度呈一元线性增
长。抗压强度和 ＭＯＲ与基本密度的相关性较好，其他力学性
质与密度相关性较差。
参考文献：
［１］　Ｌｉｓｋａ　Ｊ　Ａ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｅｎｓｉｔｙ
ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ［Ｍ］．Ｐｒｏｃ．ｔｈｅ　ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ｄｅｎｓｉｔｙ：Ａ　ｋｅｙ　ｔｏ
ｗｏｏｄ　ｑｕａｌｉｔｙ，ＰＰ：８９－９７．ＵＳＤＡ．Ｆｏｒｅｓｔ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｒｏｄ．
Ｌａｂ．，Ｍａｄｉｓｏｎ，ＷＩ．１９６５．
［２］　周芳纯 ．竹材的力学性质［Ｊ］．竹类研究１９９８（１）：２１２－２１９．
［３］　马灵飞马乃训 ．毛竹材材性变异的研究［Ｊ］．林业科学１９９７，３３
（４）：３５６－３６３．
［４］　冼杏娟 ．竹材的微观结构及其与力学性能的关系［Ｊ］．竹子研究
汇刊，１９９０，９（３）：１０－２３．
［５］　Ｍ．Ｋａｍｒｕｚｚａｍａｎ，Ｓ．Ｋ．Ｓａｈａ，Ａ．Ｋ．Ｂｏｓｅ．Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｇｅ　ａｎｄ　ｈｅｉ
　 　ｇｈｔ　ｏｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｂａｍｂｏｏ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ　Ｔｒｏｐｉｃａｌ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．２００８　２０（３）：２１１－２１７．
［６］　Ｊｕａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ　Ｃｏｒｒｅａｌ　Ｄ．，Ｊｕｌｉａｎａ　Ａｒｂｅｌáｅｚ　Ｃ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｇｅ
ａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｃｏｌｏｍｂｉａｎ　Ｇｕａｄｕａ　ａｎｇｕｓｔｉｆｏｌｉａ　ｂａｍｂｏｏ　ｍｅ－
ｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｃｉｅｎｃｉａ　Ｙ　Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉａ．２０１０，１２（２）：
１０５－１１３．
［７］　马灵飞，韩红，马乃训 ．丛生竹材纤维形态及主要理化性能［Ｊ］．
浙江林学院学报，１９９４，１１（３）：２７４－２８０．
［８］　方伟，黄坚钦，卢敏，等．１７种丛生竹竹材的比较解剖研究［Ｊ］．浙
江林学院学报，１９９８，１５（３）：２２５－２３１．
［９］　ＧＢ／Ｔ　１５７８０－１９９５．竹材物理力学性质试验方法［Ｓ］．
［１０］　ＧＢ／Ｔ　１９２８－２００９．木材物理力学性质试验方法［Ｓ］．
［１１］　Ｓａｔｔａｒ．Ｍ．Ａ．，Ｋａｂｉｒ．Ｍ．Ｆ，Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｊｅｅ　Ｄ．Ｋ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｇｅ
ａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｉ（Ｍｅｌｏｃａｎｎａ　Ｂａｃｃｉｆｅｒａ）ａｎｄ　ｂｏｒａｋ
（Ｂａｍｂｕｓａ　Ｂａｌｃｏｏａ）ｂａｍｂｏｏｓ　ｏｎ　ｔｈｅｉｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｂａｎｇｌａｄｅｓｈ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．１９９０，１９：
２９－３７．
［１２］　Ｌｉｅｓｅ．Ｗ，Ｗｅｉｎｅｒ．Ｇ．Ａｇｅｉｎｇ　ｏｆ　ｂａｍｂｏｏ　ｃｕｌｍｓ．Ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．
Ｗｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１９９６（３０）７７－８９．
［１３］　周覃一，任海清，李霞镇，等 ．毛竹材气干密度的变异研究［Ｊ］．
世界竹藤通讯，２００９，７（４）：１８－２１．
［１４］　汪佑宏，田根林，刘杏娥，等 ．不同海拔高度对毛竹主要物理力
学性质的影响［Ｊ］．安徽农业大学学报，２００７，３４（２）：２２２－２２５．
［１５］　苏文会，顾小平，马灵飞，等 ．大木竹竹材力学性质的研究［Ｊ］．
林业科学研究，２００６，１９（５）：６２１－６２４．
［１６］　于文吉，江泽慧 ．早园竹的力学性能特点及测试方法研究［Ｊ］．
世界竹藤通讯，２００３，１（２）：２０－２３．
［１７］　俞友明，金永明，於琼花，等 ．雷竹竹材物理力学性质变异规律
的研究［Ｊ］．竹子研究汇刊，２００４，２３（２）：５０－５４．
［１８］　骆秀琴，管宁，张寿槐，等 ．３２个杉木无性系木材密度和力学性
质的变异［Ｊ］．林业科学研究，１９９４，７（３）：２５９－２６２．
［１９］　莫弦丰，关明杰，朱一辛，等 ．毛竹的冲击韧性及冲击试样断口
形貌［Ｊ］．林业科技开发，２０１０，２４（１）：４５－４７．★