全 文 ：第 !" 卷 第 #$ 期
% $ # $ 年 #$ 月
林 业 科 学
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./01!"!*/1#$
2345!% $ # $
气干和饱水状态下毛竹 ! 种力学性质的比较!
王汉坤#! %6余6雁#6喻云水%6田根林#6孙丰波#
"#1国际竹藤网络中心6北京 #$$#$%& %1中南林业科技大学6长沙 !#$$$!#
摘6要!6以毛竹为研究对象!测试不同年龄毛竹顺纹抗剪强度(顺纹抗压强度(弯曲模量和顺纹拉伸弹性模量在
气干状态"北京!含水率 @_#和饱水状态下之间的差异!由此探索竹材力学性能的含水率依赖特性$ 结果表明% 上
述 ! 种力学性能指标对含水率变化的敏感程度不同!顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度受含水率的影响程度最大!弯
曲模量次之!顺纹拉伸弹性模量最小& ! 种力学性能指标对含水率变化的敏感程度均随着竹龄的增大而降低!但是
受影响的程度不同!其中顺纹抗压强度从气干到饱水态的降幅受竹龄的影响最小!最大和最小降幅之间的差值只
有 81"_!顺纹剪切强度和顺纹拉伸模量次之!弯曲模量最大!差值为 #!1??_$
关键词%6毛竹& 力学性能& 基本密度& @_含水率& 饱和含水率
中图分类号! &?@#17666文献标识码!,666文章编号!#$$# =?!@@"%$#$##$ =$##7 =$A
收稿日期% %$$@ =## =%$& 修回日期% %$$7 =$8 =8#$
基金项目% 十一五科技支撑课题"%$$@F,D,7F$## (国家自然科学基金重点项目"8$?8$$?"# (国际竹藤网络中心基本科研业务费项目$
!余雁为通讯作者$
I#6%&5&’-K(#/Z#+5M(<"&/-<&*!5#%(5’-($#4N&6,##
+/3(5;-5LY5-(3&/3)&’+5&’(3)’&’(
i9N<\9N^JN#! %6OJ O9N#6OJ OJNPLJH%6+H9N WMN0HN#6&JN aMN"#M()*"%)$*+-)$61")*"%.-%3$98--$)? !$*$)63"+4+)5 #$$#$%& %M1")*%$6F-,*’ I)+G"%#*0-./-%"#*%0$)? U"&’)-6-5061’$)5#’$ !#$$$!#
;,$’5&<’%6*/SMPM9S3L L9PTMMN >/3JPMU /N 3/;R9SHN<4LM;/HP4JSMUMRMNUMN3M/>UH>MSMN4;M3L9NH390RS/RMS4HMP/>
T9;T//JN4H0N/Z5(N 4LMRSMPMN4R9RMS! >/JS^ HNUP/>;M3L9NH390RS/RMS4HMP/>T9;T//ZH4L >/JS9JNUMS9HSYUSHMU "FMHeHNMSMN4;/HP4JSMUMRMNUMN3M/>4LM;5+LMSMPJ04P
PL/Z4L944LM>/JS;M3L9NH390RS/RMS4HMP/>T9;T//MQLHTH4MU UH>MSMN4PMNPH4H[H4V4/;/HP4JSM3L9NPLM9SHNH39N40V9>M34MU TV;/HP4JSM3/N4MN4! 4LMN HPTMNUHN<;/UJ0JP9NU >/0/ZMU
TV0/N4LM9T/[M;M3L9NH390RS/RMS4HMP4/;/HP4JSM3L9NSMUJ3MU ZH4L 4LMHN3SM9PM/>T9;T//9S/;$1A VM9S4/!1A VM9S# TJ494UH>MSMN4PRMMU! 9;/NS94H//>3/;RSMPPH[MP4SMN<4L R9S90M0>S/;9HSYUSHMU 4/P94JS94MU P494MHP/N0V81"_! 4LMN Z9PPLM9SHN;/UJ0JP>/0/ZMU TVTMNUHN<;/UJ0JPZH4L 9;9QH;J;[90JM/>#!1??_5
=(0 >#53$%6T9;T//& ;M3L9NH390RS/RMS4HMP& T9PH3UMNPH4V& @_ ;/HP4JSM3/N4MN4& P49JS94MU Z94MS3/N4MN4
66木质纤维素材料中的水分存在于从植株生长到
原料加工利用整个过程!对材料的力学性能有重要
的影响$ 木材力学特性与含水率之间关系是个复杂
而长期的课题!已经研究得相当广泛和深入"WSMMN
"*$6M! #7@"& #7@@& 成俊卿!#77@& i9N<"*$6M! #777&
E/eH;9"*$6M! %$$!#$ 已有研究表明% 在纤维饱和
点以下!木材几乎所有的力学性能均随着含水率的
降低而增大"X949N "*$6M! %$$8& 刘一星等!%$$!#!
但到达峰值所对应的含水率则存在较大差异$ 例
如!顺纹抗拉和横纹抗拉强度在含水率#$_‘#%_
之间达到峰值!但顺纹(横纹压缩强度!弯曲模量!弯
曲强度峰值所对应的含水率仅为 !_& 顺纹(横纹拉
伸模量!顺纹压缩模量!顺纹剪切强度峰值所对应的
含水率为 "_ "ESM4P3L;9NN "*$6M! #77"#$ 此外!木
材不同力学性能指标在纤维饱和点内对含水率变化
的敏感 "响应 # 程度不同 "(PLH;9SJ "*$6M! %$$#&
&JUHe/N/"*$6M! %$$!#% 含水率平均每变化 #_!顺纹
压缩强度变化 "_!弯曲强度变化 A_!弯曲模量变
化 %_!顺纹抗拉强度只有 #_ "+P/J;HP! #77# #$
3美国木材手册4中数据表明!从气干态"X’#%_#
到饱水态!木材不同力学性能指标的降幅差异较大%
顺纹抗压强度为 !%1A_(顺纹抗剪强度为 8$1$_(
弯曲模量为 %81?_(顺纹抗拉强度为 #"1?_"WSMMN
"*$6M! #777#$
林 业 科 学 !" 卷6
竹材与木材同属木质纤维素材料!也存在所谓
的纤维饱和点"辉朝茂等!#77@#$ 周芳纯"#77@#的
研究表明% 竹材所有的力学性能指标均随含水率的
增大而减小!在8$_‘!$_之间趋于稳定!但竹材不
同力学性能指标对含水率变化的敏感程度是否相
同!目前未见国内外有这方面的相关研究报道$ 由
于竹材的结构和木材显著不同!是一种以竹纤维为
增强体(薄壁细胞组织为基质的天然纤维增强复合
材料!特别是其纤维密度沿径向梯度分布!又使其具
有天然功能梯度材料的特点!因此木材力学性能与
含水率之间关系的结论未必完全适合于竹材$ 基于
以上理由!我们开展了从宏观到细胞水平的竹材力
学性能水分依赖特性的系统研究!以期为竹材及其
制品的合理利用提供指导依据$ 本文作为该研究的
一部分!目标是在宏观水平探明竹材几种主要力学
性能指标对含水率变化敏感程度的差异!以及造成
上述差异的主要影响因子$
#6材料与方法
?@?A样品制备
毛竹"J’06-#*$&’0#"?,6+##于 %$$? 年 7 月采集于
浙江富阳!共选择 $1A!#1A!%1A!!1A 年 ! 个竹龄!每个
竹龄选 @ 株!共 8% 株$ 试样的制取参照国家标准
WFh+#A?@$ =#77A$ 顺纹拉伸和三点弯曲试样各 "!
个!顺纹压缩试样 #"$ 个!顺纹剪切试样 7" 个$
?@DA试验方法
参考 WFh+#A?@$ =#77A 的规定进行顺纹抗压
强度(顺纹抗剪强度(抗弯强度(顺纹拉伸弹性模量
! 种力学性能指标的测试$ 弯曲模量和顺纹拉伸弹
性模量试样首先平衡至含水率为 @_后进行测试!
之后相同试样浸水至饱和 "含水率在@$_ ‘#8$_
之间#!进行第 % 轮测试$ 测试设备为美国 (NP4S/N
公司的 AA@% 电子万能力学试验机$ 顺纹抗剪强度
和顺纹抗压强度试样则随机分为 % 组!分别测试含
水率为 @_以及饱水状态下的力学性能$ 测试设备
为济南试金的 iDiY)#$$D电子万能力学试验机$
%6结果与分析
D@?A气干态和饱水态下毛竹力学性能之间的差异
从图 # 可以看出% 同一竹龄下!毛竹饱水试样
的力学性能均要明显低于气干试样$ 顺纹拉伸弹性
模量(弯曲模量(顺纹抗剪强度(顺纹抗压强度 ! 个
指标大致随着竹龄的增大而增大!其中顺纹抗剪强
度和顺纹抗压强度的变化趋势较为稳定$ 顺纹拉伸
弹性模量和弯曲模量则存在反常现象!以竹龄为
#1A 年的性能最好!这可能是所测试的 %1A!!1A 年
试样的基本密度恰好偏低造成的$ 同时!本文分析
了气干和饱水状态下毛竹力学性能与基本密度之间
关系$ 结果表明% 顺纹拉伸弹性模量(弯曲模量(顺
纹抗剪强度(顺纹抗压强度均随密度的增大而近似
线性增大"图 %#!其中顺纹抗压强度与密度之间的
线性相关性最高!弯曲模量次之!顺纹拉伸弹性模量
最差$ 值得注意的是!上述 ! 种力学性能指标与密
度在饱水态下的相关性均要好于气干态!其原因有
待分析研究$ 在基本密度一致的条件下!气干试样
的力学性能要明显高于饱水试样$
图 #6竹龄对气干态和饱水态下毛竹力学性能的影响
aH<5#6+LMM>M34/>T9;T//9T9;T//JNUMS9HSYUSHMU 9NU P94JS94MU P494M
D@DA毛竹不同力学性能指标的含水率依赖特性
从表 # 可知% 毛竹顺纹拉伸弹性弹性模量对含
水率变化的敏感程度与竹龄密切相关!随竹龄的增
大而减小$ $1A 年生的毛竹饱水态下的顺纹拉伸弹
$%#
6第 #$ 期 王汉坤等% 气干和饱水状态下毛竹 ! 种力学性质的比较
图 %6气干和饱水状态下毛竹力学性能与基本密度之间关系
aH<5%6+LMSM094H/NPLHR TM4ZMMN ;M3L9NH390RS/RMS4HMP9NU T9PH3UMNPH4V/>T9;T//JNUMS9HSYUSHMU 9NU P94JS94MU P494M
性模量比气干态下小 %!1#@_!降幅最大!而 !1A 年
生的降幅只有 #A1@"_!不同竹龄的平均降幅为
#71?7_$ 竹龄对弯曲模量含水率依赖特性的影响
规律与纵向拉伸弹性模量相似!也是随着竹龄的增
大而减小"表 %#$ 从 $1A 到 !1A 年!弯曲模量从气
干态到饱水态的降幅在#@1@$_‘881A?_之间!平
均值为 %81!?_!大于拉伸弹性模量的 #71?7_!表
明毛竹弯曲模量对含水率变化的敏感程度要大于拉
伸弹性模量$
表 ?A竹龄对毛竹顺纹拉伸弹性模量从气干态到
饱水态降幅的影响
B&,C?AB"((44(<’#4,&6,## &9($#/’"(3(<5(&$-/9
5&’-# #4*#/9-’+3-/&*’(/$-*(6#3+*+$45#6
&-5L35-(3’# $&’+5&’(3$’&’(
竹龄
F9;T//
9顺纹拉伸弹性模量
-/N气干 ,HSYUSHMU 饱水 &94JS94MU P494M
降幅
DM3SM9PHN<
S94H/h_
$1A 71%$ g$17? ?1%? g#188 %!1#@
#1A ##1@# g#1@$ 7188 g$1@? %$1@#
%1A #$1?! g#1"? @1@8 g#1#@@ #@18#
!1A ##1@" g#1A7 #$1?" g#1"? #A1@"
平均值 XM9N #$17$ 71$A #71?7
66表 8 表明% 不同竹龄毛竹顺纹抗剪强度从气干
态到饱水态的降幅在8@1@"_‘8#1@A_之间!平均
值为 8$1@!_!对含水率变化的敏感程度要显著大于
顺纹拉伸弹性模量和弯曲模量$ 虽然顺纹抗剪强度
从气干态到饱水态的降低幅度也是随着竹龄的增大
而减小!但影响的程度却小于顺纹拉伸弹性模量和弯
曲模量!最大"$1A 年#和最小"!1A 年#降幅之间的差
值只有 ?1$#_$ 毛竹顺纹抗压强度从气干态到饱水
态的平均降幅为 8$1#A_"表 !#!显著大于顺纹拉伸
弹性模量的 #71?7_和弯曲模量的 %81!?_!略小于
顺纹抗剪强度的 8$1!@_$ 虽然降幅也是随着竹龄的
增大而减小!但最大"$1A 年#和最小"!1A 年#降幅之
间的差值最小!只有 81"_!表明竹龄对毛竹顺纹抗压
强度的水分依赖性影响最小$
表 DA竹龄对毛竹弯曲模量从气干态到饱水态降幅的影响
B&,CDAB"((44(<’#4,&6,## &9($#/’"(3(<5(&$-/9
5&’-# #4,(/3-/9 6#3+*+$45#6 &-5L35-(3
’# $&’+5&’(3$’&’(
竹龄
F9;T//
9弯曲模量
FMNUHN<;/UJ0JPhW:9
气干 ,HSYUSHMU 饱水 &94JS94MU P494M
降幅
DM3SM9PHN<
S94H/h_
$1A @1$7 g$1?A A1!$ g#1$% 881A?
#1A 71A8 g#1?7 ?1?A g$1@? %#17?
%1A 71%% g#1#@@ ?1!8 g#1#% #71A%
!1A #$17% g$1?? @1@" g$1?% #@1@$
平均值 XM9N 71!! ?18" %81!?
表 EA竹龄对毛竹顺纹抗剪强度从气干态到
饱水态降幅的影响
B&,CEAB"((44(<’#4,&6,## &9($#/’"(3(<5(&$-/9
5&’-# #4$"(&5-/9 $’5(/9’"%&5&*(*’# 9&-/45#6
&-5L35-(3’# $&’+5&’(3$’&’(
竹龄
F9;T//
9顺纹抗剪强度
&LM9SHN气干 ,HSYUSHMU 饱水 &94JS94MU P494M
降幅
DM3SM9PHN<
S94H/h_
$1A #!1$? g%1@"? % "1$7 g$1@"A " 8@1@"
#1A #?1?? g81"AA 7 #$1"8 g#1"#! @ 8?17"
%1A #@1"@ g%1!!? 7 #$1@$ g#18%" A 8"1#8
!1A #717A g%1$?" 7 #%178 g#1A?" $ 8#1@A
平均值 XM9N #?1"% #$1## 8$1!@
#%#
林 业 科 学 !" 卷6
表 FA竹龄对毛竹顺纹抗压强度从气干态到
饱水态降幅的影响
B&,CFAB"((44(<’#4,&6,## &9($#/<#6%5($$-K(
$’5(/9’"%&5&*(*’# 9&-/3(<5(&$-/9 5&’-# 45#6
&-5L35-(3’# $&’+5&’(3$’&’(
竹龄
F9;T//
9顺纹抗压强度 ’/;RSMPPH[M
P4SMN<4L R9S90M04/<9HNhX:9
气干 ,HSYUSHMU 饱水 &94JS94MU P494M
降幅
DM3SM9PHN<
S94H/h_
$1A A"18? g!1$#! $ 8$1?! g!5$8? # 8$1"
#1A ?#1A" g@1!A7 8 !"1A! g"5?77 8 8%1#
%1A ?A1#? g@1@@? # A$1$# g#%5$A" " %71!
!1A @817" g"1!!8 % AA1#A g75$%$ 7 %@1A
平均值 XM9N ?#1?" !A1"# 8$1#A
图 86毛竹力学性能的降幅随基本密度变化的分布
aH<586+LMM>M34P/>T9PH3UMNPH4V/N 4LMUM3SM9PHN;M3L9NH390RS/RMS4HMP/>T9;T//>S/;9HSYUSHMU 4/P94JS94MU P494M
66综上所述!毛竹几种主要力学性能指标对水分
的依赖程度不同!其中顺纹抗剪强度和顺纹抗压强
度对含水率的变化最敏感!弯曲模量居中!拉伸弹性
模量最小!这个规律大致与木材相似$ 上述现象与
植物细胞壁不同组分的力学性能对水分的依赖差异
性有关$ O9;9;/4/等 "%$$%#认为!植物细胞壁内
纤维素微纤丝的力学性能对水分变化不敏感!但木
质素和半纤维素基质则较为敏感$ 纵向拉伸时!微
纤丝承担了绝大部分载荷!因此细胞壁的抗拉性能
对含水率变化的响应较小& 而压缩或剪切破坏时!
木质素和半纤维素基质也承担了相当大的载荷!贡
献增大!导致细胞壁的压缩或剪切性能对含水率变
化的响应较大$ 弯曲模量的受力模式介于压缩和拉
伸之间!因此其对含水率变化的依赖程度介于两者
之间$ 值得注意的是!毛竹上述几种力学性能指标
对含水率变化的敏感程度均与竹龄密切相关$ 竹龄
越大!力学性能对水分变化的敏感程度越小$ 考虑
到竹材基本密度与竹龄之间存在紧密联系!从幼竹
到成熟竹材!基本密度一般稳定增大$ 下面将探讨
毛竹几种力学性能指标含水率依赖特性与基本密度
之间的关系$ 此外!竹龄对毛竹上述 ! 种力学性能
指标的含水率依赖特性的影响程度也是不同的!其
中顺纹压缩强度从气干态到饱水态的降幅受竹龄的
影响最小!最大"$1A 年生#和最小降幅"!1A 年生#
之间的差值只有 81"_!顺纹剪切强度和顺纹拉伸
模量次之!分别为 ?1$#_ 和 @18%_!弯曲模量受竹
龄影响最大!差值为 #!1??_$
D@EA基本密度对毛竹力学性能含水率依赖特性的
影响
从图 8 中可以看出% 毛竹几种主要力学性能指
标从气干态到饱水态的降幅均随基本密度的增加而
减小!表明基本密度越大!力学性能对水分变化越不
敏感!依赖性越小$ 我们猜测这主要是因为毛竹纤
维细胞壁力学性能对水分变化的敏感性小于薄壁组
织细胞$ 竹材基本密度越大!对水分变化相对不敏
感的竹纤维在毛竹中所占的比例越大!表现出宏观
力学性能对水分变化就越不敏感$ 对于这个假设!
目前还不能通过试验直接证明!但可以从细胞壁力
学的角度给予解释$ 从复合材料的观点出发!植物
细胞壁是一种以纤维素微纤丝为增强相!木质素和
半纤维素复合体视为无定形基相的天然纤维增强复
合材料$ 镶嵌其中的微纤丝是细胞壁承受载荷的主
体!并且力学性能对水分变化不敏感!而木素h半纤
维素基质则敏感得多$ 通过复合材料细观力学理论
不难证明!微纤丝角越小!微纤丝承受的载荷更多!
细胞壁整体力学性能对水分变化就越不敏感$ 由于
毛竹纤维的微纤丝角小于 #$n!而薄壁组织则在
8$ ‘!$n左右 "-HMPM!#77@#!因此其力学性能对水分
%%#
6第 #$ 期 王汉坤等% 气干和饱水状态下毛竹 ! 种力学性质的比较
变化的敏感程度要低于后者$ 当然!上述猜测还需
要试验证明$
86结论
## 毛竹 ! 种力学性能指标对含水率变化的敏
感程度存在显著差异$ 其中顺纹抗剪强度和顺纹抗
压强度强度对含水率变化最敏感!从气干态到饱水
态的平均降幅均在 8$_以上!其次为弯曲模量!为
%81A!_!顺纹拉伸弹性模量对含水率的变化最不敏
感!仅为 #71?7_&
%# 毛竹 ! 种力学性能指标对含水率变化的敏
感程度与竹龄(基本密度密切相关$ 竹龄和密度越
大!从气干态到饱水态的降幅越小!性能越稳定$
8# 竹龄对毛竹 ! 种力学性能指标含水率依赖
特性的影响程度不同!其中顺纹抗压强度从气干态
到饱水态的降幅受竹龄的影响最小!最大和最小降
幅之间的差值只有 81"_!顺纹抗剪强度和顺纹拉
伸弹性模量次之!弯曲模量受竹龄影响最大!差值
为 #!1??_$
!# 根据本研究的试验结果提出了竹纤维力学
性能对含水率变化的敏感性小于薄壁组织细胞的假
设!上述假设还需要相关试验验证$
参 考 文 献
成俊卿5#77@5木材学5北京% 中国林业出版社! !@?1
辉朝茂! 杨宇明5#77@1材用竹资源工业化利用5昆明% 云南科技出
版社! @! =7#1
刘一星! 赵广杰5%$$!1木质资源材料学5北京% 中国林业出版社!
#8! =%$"
周芳纯5#77@1竹林培育学5北京% 中国林业出版社!8"8 =8?71
WSMMN Di! )[9NPGi! F9SSM4GD! "*$65#7@@1:SMUH34HN<4LMM>M34/>
;/HP4JSM3/N4MN4/N 4LM>0MQJS90RS/RMS4HMP/>D/J<09PYaHSUH;MNPH/N
0J;TMS5i//U aHTMS&3H!%$"## % #$? =#8#1
WSMMN Di! -HN^ ’-! DMF/NHP,-! "*$6M#7@"1:SMUH34HN<4LMM>M34/>
;/HP4JSM3/N4MN4/N 4LM >0MQJS90RS/RMS4HMP />P/J4LMSN RHNM
UH;MNPH/N 0J;TMS5i//U aHTMS&3H!#@"## % #8! =#A"1
WSMMN D i! iHN9NUVG)! ESM4P3L;9NN D )5#7771 XM3L9NH390
RS/RMS4HMP/>Z//U5a/SMP4:S/UJ34P-9T/S94/SV! a/SMP4&MS[H3M!
b&D,1
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9NU ;M3L9NH390RS/RMS4HMP/>eJ[MNH0MSJTTMSZ//U "V"G"$ 8%$#+6+")#+#
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SM094H/N 4/4LM0/NZ//U5i//U &3H+M3LN/0!
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!责任编辑6石红青"
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