刁倩倩， 楊利梅， 宋光喃， 孫正軍， 劉 煥， 張秀標(biāo)*

(國際竹藤中心，北京 100102)

研究與設(shè)計(jì)

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條力學(xué)性能研究3

刁倩倩， 楊利梅， 宋光喃， 孫正軍， 劉 煥， 張秀標(biāo)*

(國際竹藤中心，北京 100102)

研究了不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋拉伸、順紋和橫紋壓縮、徑向抗彎及徑向和弦向拉伸剪切等力學(xué)性能，分析了各項(xiàng)力學(xué)性能與密度等級(jí)之間的關(guān)系及其破壞模式。結(jié)果表明：各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試值隨密度等級(jí)的增大而增大，密度分級(jí)能夠在一定程度上優(yōu)化規(guī)格竹條的力學(xué)性能。順紋壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橫紋壓縮強(qiáng)度，徑向拉伸剪切強(qiáng)度稍大于弦向拉伸剪切強(qiáng)度。相同密度等級(jí)的規(guī)格竹條，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)具有一定的差異性，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)規(guī)格竹條進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化分級(jí)。

規(guī)格竹條；密度分級(jí)；力學(xué)性能；優(yōu)化分級(jí)

我國是世界上竹材資源最豐富的國家[1]，享有“竹子王國”的美譽(yù)，而我國的木材資源相對(duì)匱乏，因此科學(xué)合理地開發(fā)竹材資源已成為有效緩解我國木材供需矛盾的關(guān)鍵[2-3]。竹材具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，但作為一種天然生物質(zhì)材料，其還具有尖削度大、中空壁薄、各向異性明顯等特點(diǎn)[4-6]，如何高效合理地利用竹材已成為研究的重點(diǎn)[7-9]。木材的分級(jí)技術(shù)已十分成熟，但竹材的分級(jí)技術(shù)尚處于嘗試階段。20世紀(jì)80年代，馬乃訓(xùn)等[10]就對(duì)毛竹竹材質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與方法進(jìn)行了研究，之后江澤慧等[11-12]根據(jù)竹層積材的分級(jí)方法及竹材規(guī)則加工與分級(jí)方法申請(qǐng)了專利，宋光喃[13-14]通過對(duì)規(guī)格竹條的密度進(jìn)行分級(jí)，按照0.05 g/cm3的密度區(qū)間將規(guī)格竹條分為D50、D55、D60等9個(gè)密度等級(jí)。

本試驗(yàn)以按密度分級(jí)的規(guī)格竹條為研究對(duì)象，測(cè)量了不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的力學(xué)性能[15]，比較和分析了竹材在不同方向上力學(xué)性能的差異性和破壞模式，研究結(jié)果可為以規(guī)格竹條為基本加工單元的竹制品設(shè)計(jì)、制造和性能優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為4年生毛竹制造的規(guī)格竹條，購自浙江省新昌縣沙溪鎮(zhèn)嘉誠竹制品廠，規(guī)格竹條縱向長度L為2 100 mm，弦向?qū)挾萕為20 mm，徑向厚度H為 6 mm，其氣干狀態(tài)下含水率為9.1%。

宋光喃等按氣干密度將規(guī)格竹條分為9個(gè)密度等級(jí)，相鄰等級(jí)密度間隔為0.05 g/cm3，分級(jí)結(jié)果見表1。由于D85、D90等密度等級(jí)較高的規(guī)格竹條數(shù)量較少，因此本試驗(yàn)選用D50～D80密度等級(jí)的規(guī)格竹條。

表1 竹條密度等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) g·cm-3

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

英斯特朗萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5582)，試驗(yàn)機(jī)配備的載荷傳感器有10 kN和100 kN，其相應(yīng)的精度為±10 N和±100 N；精密推臺(tái)鋸(Festool-CS70)；游標(biāo)卡尺(日本三豐)，精度0.01 mm。

1.3 試件制備及力學(xué)性能測(cè)試

抗彎曲試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)的試件制備及性能測(cè)試方法參考GB/T 15780-1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》，規(guī)格竹條拉伸剪切試件的制備和性能測(cè)試參考ASTM D906 《Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Plywood Type Construction in Shear by Tension Loading》。

1.3.1 順紋拉伸強(qiáng)度

考慮規(guī)格竹條寬度有限，因此只對(duì)其進(jìn)行順紋拉伸試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將試件加工成280 mm(L)×10 mm(W)×6 mm(H)的矩形試件，再將其加工成啞鈴型，具體尺寸如圖1所示，試件抗拉段要求無竹節(jié)，每個(gè)密度等級(jí)中各取15個(gè)試件。試件在測(cè)試過程中采用引伸計(jì)測(cè)量其應(yīng)變，試驗(yàn)時(shí)首先預(yù)加載至10 N，然后再以3 mm/min的速率勻速加載，并在最大破壞載荷的50%左右移除引伸計(jì)，高密度等級(jí)(D65～D80)竹條在500 N移除引伸計(jì)，低密度竹條(D50～D60級(jí))在300 N移除引伸計(jì)，引伸計(jì)移除后繼續(xù)測(cè)試，直至試件破壞。

圖1 順紋拉伸試件示意圖

1.3.2 順紋和橫紋抗壓強(qiáng)度

抗壓試驗(yàn)試件尺寸為20 mm(L)×20 mm(W)×t mm(H)，其中t代表竹條厚度，試驗(yàn)中t的理論值均為6 mm。在每個(gè)密度等級(jí)中各挑選10根無缺陷的規(guī)格竹條，在每根規(guī)格竹條上的不同位置截取3個(gè)試件，即每個(gè)密度等級(jí)中共有30個(gè)試件，其中順紋壓縮和橫紋壓縮試件各15個(gè)?？箟嚎s試件的尺寸示意圖如圖2所示。試驗(yàn)過程中首先預(yù)加載至10 N，然后再以4 mm/min的載荷加載速率勻速進(jìn)行加載，直至試件破壞，破壞時(shí)間為(60±30)s。

1.3.3 徑向抗彎彈性模量與強(qiáng)度

抗彎試驗(yàn)試件尺寸為160 mm(L)×10 mm(W)×6 mm(H)，跨距為120 mm。在每個(gè)密度等級(jí)中各取15個(gè)試件，在每個(gè)試件上進(jìn)行徑向(竹黃面朝上)抗彎彈性模量測(cè)試，然后再對(duì)試件進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試。將試件置于試驗(yàn)裝置上，先預(yù)加載至70 N，再以10 N/s的速度加載至200 N，重復(fù)6次，以后3次的試驗(yàn)結(jié)果平均值計(jì)算100～200 N之間的彈性模量值；抗彎強(qiáng)度測(cè)試在抗彎彈性模量測(cè)試之后，以10 mm/min的載荷加載速率加載，使試件在(60±30)s內(nèi)破壞。徑向抗彎試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖2 壓縮試件

圖3 徑向抗彎試驗(yàn)裝置

1.3.4 徑向和弦向拉伸剪切強(qiáng)度

拉伸剪切試驗(yàn)的試件尺寸為125 mm(L)×20 mm(W)×6 mm(H)，兩槽間距離為25 mm，試件基本尺寸及試驗(yàn)裝置如圖4、圖5所示，每個(gè)密度等級(jí)中徑向和弦向試件各15個(gè)。將試件垂直夾持在抗拉夾具上，預(yù)加載至10 N，然后再以1 mm/min的速率加載直至破壞。

圖4 徑向拉伸剪切試件尺寸及試驗(yàn)裝置

圖5 弦向拉伸剪切試件尺寸及試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋拉伸測(cè)試不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋抗拉彈性模量和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條順紋抗拉彈性模量和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

密度等級(jí)彈性模量平均值/GPa變異系數(shù)/%最小值/GPa最大值/GPa強(qiáng)度平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/GPa最大值/GPaD5039817472885115694176933177396D5543516703115436407188947458397D60532817480578787884470258938D655381149414625809298768869206D70597153835677684591684558910647D7561111615387028647102786529598D807141274650778824697073369155

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋拉伸彈性模量和強(qiáng)度的變化如圖6和圖7所示，從圖中可以看出彈性模量和強(qiáng)度的平均值均隨密度等級(jí)的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，圖7所示的D50～D75等級(jí)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，D80級(jí)的拉伸強(qiáng)度要比D75等級(jí)小。在所有密度等級(jí)的規(guī)格竹條中彈性模量最大值出現(xiàn)在D80等級(jí)，不同密度等級(jí)的規(guī)格竹條彈性模量的變異系數(shù)最大值出現(xiàn)在D50等級(jí)，變異系數(shù)值為17.47%，其彈性模量范圍為2.88～5.11 GPa。D50和D55密度等級(jí)規(guī)格竹條強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，D50等級(jí)的強(qiáng)度范圍為33.17～73.96 GPa，D55等級(jí)的強(qiáng)度范圍為47.45～83.97 GPa，主要原因可能是在規(guī)格竹條加工過程中竹青和竹黃的去留比例不一致造成的。從表2還可以看出相鄰等級(jí)規(guī)格竹條的抗拉彈性模量和強(qiáng)度范圍均有部分重合。結(jié)合圖6所示的抗拉彈性模量隨密度等級(jí)增大而增大的趨勢(shì)，可以看出不同密度等級(jí)在一定程度上可以使其抗拉性能得到優(yōu)化，但要得到精細(xì)優(yōu)化可控的規(guī)格竹條，還需要在密度分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行以應(yīng)力或模量進(jìn)行精細(xì)化分級(jí)，從而得到力學(xué)性能更加精確的規(guī)格竹條。

圖6 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條順紋拉伸彈性模量

圖7 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條順紋拉伸強(qiáng)度

2.2不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋和橫紋壓縮強(qiáng)度測(cè)試

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋和橫紋壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條順紋和橫紋壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

密度等級(jí)順紋平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/MPa最大值/MPa橫紋平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/MPa最大值/MPaD501870738156220475961237400797D55230344519512355750927649800D602542637237029678731206693977D65275249824093109104512778081271D70292046125493044110776010001154D75305150826083052123373910621355D80321792928943461126351410221331

由表3可以看出，各個(gè)密度等級(jí)規(guī)格竹條的順紋抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)均小于10%，橫紋壓縮強(qiáng)度的變異系數(shù)最大值為12.77%。在順紋壓縮過程中D60、D65、D70等級(jí)的變化范圍分別為23.70～29.67 MPa、24.09～31.09 MPa、25.49～30.44 MPa，相鄰兩密度等級(jí)規(guī)格竹條的壓縮強(qiáng)度范圍均有部分重合。

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條順紋和橫紋壓縮強(qiáng)度變化如圖8所示，從圖中可以看出隨著密度等級(jí)的增加，順紋和橫紋壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，密度分級(jí)在一定程度上可以優(yōu)化其壓縮性能。在同一密度等級(jí)中順紋壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橫紋壓縮強(qiáng)度，主要原因是竹材沿縱向有維管束、薄壁組織等，而橫向則無此類支撐結(jié)構(gòu)的細(xì)胞。

圖8 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條壓縮強(qiáng)度

2.3 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的徑向抗彎測(cè)試

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的徑向抗彎彈性模量和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表4。

不同密度等級(jí)的徑向抗彎彈性模量和強(qiáng)度變化曲線如圖9和圖10所示，從圖中可以看出抗彎彈性模量和強(qiáng)度隨密度等級(jí)的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但D75等級(jí)的彈性模量低于D70和D80等級(jí)，D65等級(jí)的強(qiáng)度稍高于D70等級(jí)。

表4 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條徑向抗彎彈性模量和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

密度等級(jí)彈性模量平均值/GPa變異系數(shù)%最小值/GPa最大值/GPa強(qiáng)度平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/MPa最大值/MPaD50728117557885182641083705910018D55795704736895897945185699533D6091411911205797106771389920813915D6510087309201120124346781145714073D7010667758701261123657861051413814D7510214799151101127715071192013777D8011255209721235130446571144514329

圖9 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條徑向抗彎彈性模量

圖10 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條徑向抗彎強(qiáng)度

由表4可知，不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的徑向抗彎彈性模量的變化范圍為5.78 ～12.35 GPa，強(qiáng)度的變化范圍為70.59～143.29 MPa。D60等級(jí)的強(qiáng)度變異系數(shù)最大為13.89%，強(qiáng)度范圍為92.08～139.15 MPa，D65等級(jí)的強(qiáng)度范圍為114.57～140.73 MPa，相鄰等級(jí)的彈性模量和強(qiáng)度值均有部分重合。

2.4不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的徑向和弦向拉伸剪切測(cè)試

不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的徑向和弦向拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條徑向和弦向拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

密度等級(jí)徑向平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/MPa最大值/MPa弦向平均值/MPa變異系數(shù)/%最小值/MPa最大值/MPaD5031512262583662391936184315D5531713382373872331439192290D6032315502343822341661187304D653486902663672851634218358D703828443093893002023225443D753566573514403101337243356D8038918143123823201633260373

從表5中可以看出，不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的拉伸剪切強(qiáng)度均較低，徑向拉伸剪切強(qiáng)度范圍為2.58～3.89 MPa，弦向拉伸剪切強(qiáng)度范圍為1.84～3.73 MPa。從D50到D80等級(jí)，規(guī)格竹條的徑向和弦向拉伸剪切強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，如圖11 所示，不同密度等級(jí)的徑向拉伸剪切強(qiáng)度值要大于弦向拉伸剪切強(qiáng)度值。

圖11 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條拉伸剪切強(qiáng)度

2.5 不同密度等級(jí)規(guī)格竹條的力學(xué)性能破壞模式

試件順紋拉伸試驗(yàn)的破壞模式如圖12所示。在試件順紋拉伸過程中，主要是先從中間部分的竹黃面斷裂，由于靠近竹黃處的維管束與靠近竹青處的維管束相比分布較疏松，從竹青到竹黃處密度逐漸變稀疏，因此在試驗(yàn)過程中竹黃處先出現(xiàn)裂紋，然后逐漸擴(kuò)展至竹青處。低密度等級(jí)規(guī)格竹條的破壞模式如圖12a所示，可以看出其斷裂面比較整齊，呈“一”字型，主要原因是低密度等級(jí)規(guī)格竹條的竹青和竹黃處密度相差不大。較高密度等級(jí)規(guī)格竹條的破壞模式如圖12b所示，可以看出其斷裂面呈現(xiàn)“T”或“L”型的破壞模式，這主要是由于竹青和竹黃處密度相差較大。

圖12 試件順紋拉伸試驗(yàn)破壞模式

試件順紋和橫紋壓縮試驗(yàn)的破壞模式如圖13和圖14表示。從試件的破壞模式看，順紋壓縮破壞主要為竹纖維之間的斷裂破壞，破壞層一般位于竹青和竹黃的中間部分，如圖13a、13b所示，試件被壓潰時(shí)主要表現(xiàn)為向竹青側(cè)彎曲；而橫紋壓縮破壞主要是由于竹黃側(cè)密度較低，承受強(qiáng)度較低，所以竹黃側(cè)先出現(xiàn)裂痕被壓潰，然后逐漸擴(kuò)展至整個(gè)徑切面，試件被壓潰時(shí)均向竹黃面彎曲，與順紋壓縮向竹青面彎曲的情況正好相反。

圖13 順紋壓縮破壞模式

圖14 橫紋壓縮破壞模式

在徑向抗彎試驗(yàn)過程中，由于規(guī)格竹條的竹青面朝下，其破壞主要先從竹青處開始出現(xiàn)裂紋，之后裂紋逐漸擴(kuò)展，直至破壞，如圖15a所示，而圖15b、15c則分別從不同方向展示了徑向抗彎試驗(yàn)的破壞模式。

圖15 試件徑向抗彎曲試驗(yàn)破壞模式

徑向和弦向拉伸剪切破壞模式如圖16、圖17所示，弦向拉伸剪切破壞面積要比徑向拉伸剪切破壞面積大，但在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，弦向的拉伸剪切強(qiáng)度稍小于徑向的拉伸剪切強(qiáng)度，這主要是由于弦向的破壞層位于竹青和竹黃之間的某一層，在該破壞層中密度分布均勻，而徑向的破壞層則是貫穿于整個(gè)竹青竹黃部分的徑切面，而竹青處維管束分布密集，密度較大，因此在拉伸剪切破壞時(shí)受到的阻力相對(duì)較大，因此其強(qiáng)度要比弦向拉伸剪切強(qiáng)度大。

圖16 徑向拉伸剪切破壞模式

圖17 弦向拉伸剪切破壞模式

3 結(jié)論與討論

(1)不同密度規(guī)格竹條的各力學(xué)性能指標(biāo)均值均隨密度等級(jí)的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，密度分級(jí)能夠在一定程度上優(yōu)化規(guī)格竹材的力學(xué)性能。

(2)不同密度規(guī)格竹條的抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均大于縱向剪切強(qiáng)度，且順紋壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橫紋壓縮強(qiáng)度，徑向拉伸剪切強(qiáng)度稍大于弦向拉伸剪切強(qiáng)度，說明竹材具有較好的抗拉、抗彎和抗壓性能，但縱向抗剪能力較弱。

(3)相同密度等級(jí)的規(guī)格竹條，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)具有一定的差異性，因此在制備竹產(chǎn)品時(shí)，對(duì)強(qiáng)度沒有要求的可以優(yōu)先采用密度分級(jí)的方法，而對(duì)強(qiáng)度有要求時(shí)，分級(jí)方法還需要優(yōu)化，包括基于密度的模量分級(jí)以及基于模量的密度和強(qiáng)度分級(jí)等。

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[13] 宋光喃，孫正軍，劉煥榮，等.規(guī)格竹條密度及模量分級(jí)[J].木材加工機(jī)械，2016(5)：40-43.

[14] 宋光喃.船舶用分級(jí)膠合竹層板的設(shè)計(jì)、制造及評(píng)價(jià)[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2016.

[15] 武秀明，孫正軍，許敏敏，等.竹木復(fù)合板與竹木復(fù)合層積材的抗彎性能[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42(6)：18-21.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

StudyontheMechanicalPropertiesofDimensionBambooStripsofDiffeentDensityGrades

DIAOQian-qian，YANGLi-mei，SONGGuang-nan，SUNZheng-jun，LiuHuan，ZHANGXiu-biao*

(International Centre for Bamboo and Rattan，Beijing 100102，China)

The mechanical properties of dimension bamboo strips of different grades，including tension along the grain，compression along the grain and perpendicular to the grain，radial bending resistance and radial and chordwise tensile shearing，are studies，and the relationship between each mechanical property and density grade and the damage mode are analyzed.The result shows that each mechanical property test value increase with the rise in the density grade and that the density grade can optimize the dimension bamboo strips to a certain degree.The compression intensity along the grain is much greater than that perpendicular to the grain.Each mechanical property indicator of the dimension bamboo strips of the same density grade presents certain difference and fine optimized grading of dimension bamboo strips is required based on the actual situation.

dimension bamboo strip；density grading；mechanical properties；optimal grading

TS621

A

2095-2953(2017)12-0015-07

2017-07-21

國際竹藤中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(1632015001)；國際竹藤中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(1632015004)

刁倩倩(1990-)，女，河北滄州人，碩士研究生，主要從事竹質(zhì)工程材料的研究，E-mail：13671293302@163.com。

*通訊作者：張秀標(biāo)(1983-)，男，安徽阜陽人，助理研究員，博士，主要從事竹藤材深加工利用技術(shù)的研究，E-mail：zhangxb@ icbr.ac.cn。