全 文 ：早 目竹 的力李性憾 特点 反浏试方 孩研 究
于文吉 江 泽 慧
(中国林业科学研究院 北京 1 0 0 0 1 9)
摘要 通过该项研究结 果表明 ,采用 3 点弯曲方 法与顺纹压剪方法测定的竹材弦面剪切 强度所得结
果有着良好的拟合性 ; 早 园竹的力学性能在三度竹时达到最高峰 , 四度竹 的弹性模量显著下 降 , 杭弯
强度和弹性模量略有下降 ;采用 3 种方 法测试 ( 沿竹青方竹黄和弦向加压 ) 结果表明 , 3 种测试数值结
果具有 良好的相关性 。 对早园竹采用不 同刚试方法所得的力学结果表明 ,对少径级竹材可 以参照单向
纤维增强材料的方法浏 定其力学性能 , 为 小径竹材力学性能测 试以及相关标准的制定提供可 以借鉴
的 方法 。
关键词 早园竹 力学性能 弹性模量 竹材性能
A bs t r a e t T h e m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s a n d t e s t m e t h o d s o f P勿 l l os t a c勿 5 P ar e c o x w e r e s t u d i e d i n t h i s p a p e r ·
T h e r e s u l t s h o w e d t h a t t h e m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f P h
.
P r a e e o x w e r e t h e b e s t w h e n i t w a s 3 y e a r s o ld
.
T h e
t e s t i n g r e s u l t s o f M O R
,
M O E a n d 5 5 f r o m t h r e e d i f f e r e n t m e t h o d s ( p r e s s u r e d i r e e t i o n in o u t l a y e r
,
i n n e r
l a y e r a n d t a n g e n t i a l ) h a d a g o o d r e l a t i v i t y
.
K e y w o r d s P h
.
P ar e c o x ; m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s ; m o d u l u s o f e l a s t i e i t y ; e u lm P r o P e r t y
一个新 的思路和参考 。
1 前言
我 国竹类 资源极 为丰富 , 竹类面积约为 4 0 万
h m
Z ,共有竹子 40 多属 4 0 多种 。 除了毛竹等径级大
的竹种 以外 ,我国还有很多中小径级 的竹种 ,主要是
笋用竹 、 绿化竹 、 造纸用竹等 ,特别是笋用竹林 ,随着
人们对绿色食品的追求发展迅速 。为保持笋用林的可
持续发展 , 每年都会大量更新竹林 ,采下来的竹材径
级小 ,得不到有效利用 。
由于目前小径竹材的综合利用尚未形成规模 , 因
此对其竹材的物理力学性质的相关研究较少 。而小径
竹材大规模工业化利用的前提取决其材性指标 。为给
工业化利用提供基础理论支持 ,本研究对 目前产量较
大的笋用竹一早园竹竹材的力学性质进行初步研究 。
目前对于小径级 的竹材力学性能测试尚无国家
标准 ,现行的《竹材物理力学性质实验方法 》适用于胸
径为 5 0 m m 以上 的竹材 , 而 早园竹 的直径 只有 30
m m 左右 ,上述标准并不适用 。 根据小径竹材的特点 ,
参考现行的竹材测试标准和玻璃纤维增强材料国家
标准 ,对早园竹的抗弯强度 、 弹性模量 、 剪切强度进行
了测试和分析 , 以期为小径级竹材的测试与利用提供
一 2 0 一
2 实验材料与方法
2
.
1 实验材料
本研究所用的早 园竹采 自浙江德清县早园竹笋
用林 ,竹龄分别为 2 、 3 、 4 龄 3 个龄级 , 每个龄级取外
观均匀通直的早园竹 3 株 ,平均胸径 25 ~ 35 m m , 平
均株高 2 . s m 。 每株竹材取样部位在距离地面 0 . s m
处以上 ,经过 3 个月 自然气干后 ,各取 3 个节间长 ,制
取抗弯强度 、 剪切强度试件 。
2
.
2 试样制作
抗弯强度和弹性模量的测量数据采用一个试件 ,
剪切强度的测量采用一个试件 。抗弯强度和剪切强度
各按 3 个方向即竹青方向 ( qy 一加压时竹青为受压
面 ) 、 竹黄方向 h( y 一加压时竹黄为受压面 ) 、 弦向 x( y
一加压时弦面为受压面 ) 。 将竹筒沿生长方 向采用双
片锯锯切成宽 4 m m 、 长 为节间长 、 厚度为竹壁 的竹
条 , 然后在同一竹条上按顺序截取 3 个试件 ,分别为
q y
、
h y
、 x y
, 每组分别取 1 0 个试件 , 试件长 4 8 m m 、 宽
4 m m
、 厚为竹壁厚 ,抗弯强度的跨度按 10 倍的竹材
厚度计算 。
DOI : 10. 13640 /j . cnki . wbr . 2003. 02. 006
剪切强度的取样顺序和方法与抗弯强度相似 ,试
件长 25 m m 、 宽 4m m 、 厚为竹壁厚 ,剪切强度的跨度
按 4 倍的竹材厚度计算 。
2
.
3 计算方 法
抗弯强度 : 参照 G B / T 1 93 6 . 1 / 9 1 木材抗弯强度
试验方法按下式计算 :
, 5 - 5 5
16巧432n089
招只攀扑
一3 P · LZb · h Zf6 一抗弯强度 , M P a ; L一跨距 , m m ; b一试样宽度 , m m ; h一试样厚度 , m m ; 抗弯强度试样的加载速度为 2 m m / m in 。 实验完毕后 ,从 3 个破坏试件上各截取 30 m m 长的竹块进行称量 ,计算试件的含水率 。弹性模量按下式计算 : 二度 三度 四度圈 1 竹龄对早园竹竹材力学性质的影响一L · P4 b · h · fE f一弯曲弹性模量 , G P a ; P一载荷 一挠度曲线上初始直线段的载荷增量 , N ; f一与载荷增量 P 相对应的跨距中点处的挠度增量 , m m ;其余同式 ( 1 ) 。剪切强度 :三点弯曲剪切强度实验参照 国家标准 G B 3 3 5 7一 8 2《单向纤维增强塑料层间剪切强度实验方法 》进
行 。 跨距取标准厚度的 4 倍 ; 即 L 一 h4 ;实验加载速度
Zm m /m in ;跨距 以及加载上 压头 的位置准确 至 0 . 5
m m ;采用连续加载的形式直至试样破坏 ,记录最大
载荷 。 计算公式如下 :
刊卜 翻OR
~
. - 砌 E
刊、 - 5 5
- -一- ,一- 一盛一- 一 ,一- 一 Jq y X y
14208646208
塑扑招只
加压部位
圈 2 加压方向对 2 龄早园竹竹材力学性质的影响
尸合On`O乙
层d八U摇刘朴只一一,h3一b一潇任一T S二一层 间剪切强度 , M P a ; P一试样破坏时最大载荷 , N ; b一试样宽度 , m m ; h一试样厚度 , m m ; 实验完毕后 ,从 3 个破坏试件上各截取 30 m m 长的竹块进行称量 ,计算试件的含水率 。 - 劝卜 MOR州. 卜 如E, 当一 5 5q y加压部位3 实验结果与分析 图 3 加压方向对 3 龄早因竹竹材力学性质的影响
3
.
1 不 同竹龄早 园竹力学强度变化规律
从图 1可以看出 ,竹龄对早园竹的力学性能有比
较显著的影响 。 从整体性能来看 , 竹材的力学性能在
三度竹达到最高值 , 四度竹材的力学性能明显下降 。
抗弯强度和弹性模量值下降比较 明显 ,趋势一致 ;剪
切强度随竹龄的变化不明显 。 图 2 的结果显示 ,二度
竹材沿竹青方向加压与竹黄方向加压对 比 , 抗弯强
度、 弹性模量 、剪切强度的数值接近 , 弦向加压与其它
两种加压方式相 比较 ,各种力学指标呈 明显增大趋
势 。 H y 与 q y 之所以数值相近 , 与二度竹材的内部维
管束的木质化程度有着密切关系 ,竹青 、 竹黄加压所
测得的数据趋于一致 。 从图 3 结果来看 , 剪切强度与
抗弯强度的变化趋势与二度竹材基本一致 ,弹性模量
则有较大差异 ,沿竹青方向加压的弹性模量明显低于
沿竹黄方向加压的弹性模量 ,反应出三度竹材靠近竹
一 2 1 一
0 23 0年 第 ` 卷 第 “ 期 咯举价称延讯 v o!. ` N o. ; 2鸳
表 1不同竹龄的早 园竹竹材的力学性质
竹龄 加压方向 平均值 最大值
1 2
.
0 0
变异系数
9 5 6
08 1
一 0. 1 1
1 1 14
1
.
1 2
一 0. 3 1
1 2
.
4 0
1
.
1 6
0
.
7 9
7
.
9 5
一 0. 1 6
0
.
04
8
.
60
0
.
08
0
.
0 2
9
,
1 6
0
.
9 1
0
.
7 3
1 3
.
2 0
一 0 . 3 7
0
。
5 1
1 0
.
5 6
一 0 . 5 6
0
.
5 2
1 5
.
5 2
0
.
4 4
O
、
2 7
峰度
一 0 . 8 9
一 0 . 8 3
一 0 . 5 3
一 0 . 2 6
0
.
0 9
一 0 . 6 7
一 0 . 0 7
2
.
7 4
0
.
6 6
一 0 . 6 1
一 1 . 2 6
一 1 . 3 7
0
.
1 4
一 0 . 5 8
一 0 . 9 6
一 0 . 5 9
1
.
1 3
0
.
26
0
.
3 3
一 1 . 51
一 1 . 22
一 0 . 7 6
一 1 . 4 8
一 1 . 2 7
一 0 . 5 6
一 1 . 3 8
一 0 . 4 3
0
.
4 0
0
.
7 4
0
.
0 7
9186205437.10
.7.32&8.599..
.77
样本数
3 0
M O E
01
1Cj自月任生0084COq`…,:q口一丫Oé内卜à9IJ1一少月,l, .土月仕1.ō
50837能12964.13.720.76&8.94.58. .79
变量
M O R
9
.
8 4
1 1
.
5 9
M O R
1 3
.
6 3
1 1 8 4
M O R
1 9 3 0
1 3
.
8 5
M O R
1 4
.
5 2
1 1
.
5 4
M O R
1 1
.
3 5
1 1
.
9 7
M O R
1 9
.
8 8
1 3
.
5 5
M O R
1 2 3 4
1 0
.
7 5
M O R
8
.
5 0
1 0
.
7 5
M O R
1 3
.
4 8
1 3
.
0 4
1 0
.
0 6
1
.
0 7
0 9 1
1 0
.
6 9
2
.
9 4
0
.
9 9
1 4
.
86
2
.
5 3
0
.
8 3
1 0
.
9 8
2
.
8 8
1
.
0 5
1 1
.
6 5
1
.
0 7
1
.
28
1 5
.
5 8
2
.
6 3
1
.
0 7
1 0
.
2 9
3
.
3 9
2
.
0 2
1 0
.
7 5
2
.
3 7
2
.
1 3
1 3
.
8 1
5
,
8 4
1 4 7
标准差
0
.
9 7
8
.
1 3
9
.
9 0
1
.
1 9
9
.
9 5
9
.
9 0
1
.
8 4
5
.
0 2
1 2
.
7 0
0
.
8 7
9
.
4 7
9
.
9 0
1
.
0 0
9
.
3 7
9
.
9 0
1
.
4 3
1 5
.
0 3
1 1
.
7 0
1
.
3 6
7
.
5 6
7
.
9 0
1
.
1 3
4
.
8 4
7
.
8 0
2
.
1 4
6
.
8 5
1 0
,
1 0
最小值
8
.
6 0
1 1
.
7 4
9 8
一 1 2 9
义3(姚沉袋(OF肛E双跳c50S
M
场yH御勒脚吻卿乃乙勺`O白`n山O0翻O,d八j。口,dc勺LJA几月任班注工月4连ùō占
注 :竹龄分别为二度 、 三度 、 四度 ; h y 一 沿竹黄到竹青方向加压 , qy 一 沿竹青到竹黄方向加压 , xy 一 沿竹材弦向加压 ; M O R一
抗弯强度 , M O E 一弹性模量 , 5 5 一剪切强度 。
户nl勺j.儿,工
q自11C刁 .二,且一.一今- MDR
曰 . 一 切E
, 些尸 5 5
, 二、 , XY
招划补只
二度 三度
竹龄
四度
1640256042
场 q y X y
加压方向
图 5 不 同加压方向对早园竹竹材抗弯强度的影响
图 4 加压方向对 4 度早园竹竹材力学性质的影响
一 2 2 一
青部位与靠近竹黄部位相 比 ,抗变形能力明显增强 ,
三度竹材在不同加压方式下的剪切强度趋于一致 。 由
图 4 看出 , 四度竹材抗弯强度与剪切强度值随加压方
式而引起的变幅趋小 , 加压方式对弹性模量的影响则
越来越大 ,说明随着竹龄的增加以及竹材木质化程度
的增强 , 竹青与竹黄处竹材抗弯强度以及剪切强度性
能渐趋一致 ,靠近竹青处竹材的抗变形能力与靠近竹
黄处相 比越来越强 。
表 2 不同加压方式下早园竹竹材力学性能的 S p ea r m a n 相关性分析
抗弯强度 弹性模量 剪切强度
Q Y H Y Q Y X Y Q Y X Y
1
.
0 0 0 0 0 0
.
3 6 9 0 3 O
、
3 2 0 6 2 1
.
0 0 0 0 0 一 0 . 1 4 9 8 2 0 . 2 1 6 9 8 1 ` () 0 0 0 0 0 . 8 6 9 1 3 0 . 6 8 7 9 0
0
.
0 0 0 3 0
.
0 0 2 1 0
.
1 5 8 7 0
.
0 4 0 0 0
.
0 0 0 1 0
.
0 0 0 1
Q Y 0
.
3 6 9 0 3 0 0 0 0 0 一 0 . 0 5 5 8 2 一 0 . 1 4 9 8 2 0 0 0 0 0 0 . 4 7 8 5 2 0 . 8 6 9 1 3 0 0 0 0 0 0 . 6 3 4 7 9
0
.
0 0 0 3 0
.
6 0 1 3 0
.
1 5 8 7 0
.
0 0 0 1 0
.
0 0 0 1 0
.
0 0 0 1
0
.
3 2 0 6 2 一 0 . 0 5 5 8 2 1 . 0 0 0 0 0 0 . 2 1 6 9 8 0 . 4 7 8 5 2 0 0 0 0 0 0 . 6 8 7 9 0 0 . 6 3 4 7 9 0 0 0 0 0
0
.
0 0 2 1 0
.
6 0 1 3 0
.
0 4 0 0 0
.
0 0 0 1 0 0
.
0 0 0 1 0
.
0 0 0 1 0
一卜~ YH
州 . 一 QY
, 二卜 XY
只d01ódnù匕q`n1人,
月ó
貂塑补只
二度 三度
竹龄
四度
图 6 不 同加压方向对竹材弹性模皿的影响
从方差分析结果来看 ,二度竹材株间差异对抗弯
强度的影响相对较小 , 对弹性模量以及剪切强度的影
响显著 。 加压方向对所有力学性质指标影响显著 。 三
度竹材的株间差异对抗弯强度和剪切强度影响显著 ,
对弹性模量影响相对较小 ,加压方向对抗弯强度影响
更为显著 ; 四度竹材的株间差异对所有力学性能影响
显著 ,对弹性模量和剪切强度影响更为显著 , 加压方
向对所有力学性能影响显著 , 与株间差异相 比 , 加压
方向对抗弯强度的影响大于株间差异对其影响 。
3
.
2 不 同测 试方 法对早园竹竹材力学性能相关性的
影响分析 (见表 2)
4 结论
l 6
14
1 2
1 0
8
6
4
2
0
一杏一 YH
,月卜 QY
, 广卜 xY
二度 三度
竹龄
四度
图 7 不 同加压方向对竹材剪切强度的影响
( )I 早园竹的力学性能在三度时达到最高峰 , 四
度竹材的弹性模量值显著下降 ,抗弯强度和弹性模量
略有下降 , 二度竹材的力学性能指标沿径向变化不明
显 。
( 2) 采用 3 种测试方法 (沿竹青 、 竹黄和沿弦向
加压 )所得结果表明 , 3 种测试方法所得的测试结果
具有较高的平行度 ,可以互为参照 。
( 3) 沿竹青方向加压与沿竹黄方 向加压所得数
值基本一致 ; 沿弦向加压所得数值高于竹青与竹黄加
压方向 。 ☆
毅刘只粉
2 3 一