竹材顺纹抗拉强度和弹性模量敏感性分析
毛竹竹材物理力学性能研究
毛竹竹材物理力学性能研究作者：李光荣辜忠春李军章来源：《湖北林业科技》2014年第05期摘要：为了解不同竹龄毛竹生材含水率、线性干缩率、气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度等物理性能，对其加工应用的影响，笔者以2-7年生毛竹为材料进行研究，结果表明：竹材的生材含水率、气干干缩率（弦向、径向、纵向）和全干缩率（弦向、径向、纵向）随着竹龄的增加呈减小的趋势；从基部到梢部竹材的生材含水率、线性干缩率均减小；竹材线性干缩率弦向>径向>纵向。
竹材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均随着竹龄的增加呈增大的趋势，尤其是3年生竹材的这些物理力学性能与2年生差异显著，但3年后生竹材差异不大；从基部到梢部竹材的气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度逐渐增加。
综合考虑毛竹的物理力学性能和竹林的经济效益，适合采伐的是3年后生竹材，锯截之后的竹材也应根据部位不同进行区分，以便于加工应用过程中合理利用，提高产品的理化性能和质量的稳定性。
关键词：毛竹；物理力学性能；干缩率；加工应用中图分类号：S795.7；TS664.03 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2014）05-0044-06竹材是一种重要的森林资源，随着竹材加工技术的发展，竹材在建筑行业的利用越来越广泛，以竹代木成为解决目前木材资源匮乏的最佳途径。
[1]竹材材质好，力学性能高，有关其加工利用的研究相当广泛。
作为一种天然纤维质材料，其性能随着竹龄的增加产生相应的变化，甚至是老化。
竹材的材质老化会伴随着微观构造上的变化[2]，同时也会表现为竹材基本性能及力学性能上的变化[3]。
毛竹（Phyllostachys pubescens）属禾本科（Gramineae）、竹亚科（Bambusoideae）、刚竹属（Phyllostachys），又名楠竹、茅竹、猫头竹、孟字竹等。
毛竹分布于秦岭、汉水流域至长江流域以南和台湾省，是我国分布面积最大，用途最广，经济效益最佳，生态适应性较强的竹种，也是我国最主要的材用竹种。
重组竹材料强度参数实验方案
重组竹纵向拉伸实验方案1. 实验目的对重组竹进行纵向抗拉实验，在比例极限内按应力与应变关系，肯定重组竹纵向抗拉弹性模量；按最大加载力与面积的关系，肯定重组竹纵向抗拉极限强度。
2. 实验设备本次实验所用设备有：SANS全能力学实验机、TDS-530静态数据收集系统。
3. 实验概述试件制作参考《建筑用竹材物理实验方式》JG/T 199-2021 关于竹材抗拉试件的相关要求，本次实验采用的竹材抗拉试件尺寸如图所示，夹头结尾到有效区间始端弧度依照标准半径R=280mm，有效区域长度L0=70 mm，宽度W0=8 mm，厚度T0=8 mm；试件总长度L=250 mm。
试件编号依次为：1-1,1-2……1-30。
，整个试样上各尺寸的相对误差，试样长度、宽度和厚度的允许误差为0.5mm不该大于0.1mm。
图纵向抗拉试件尺寸实验步骤（1）测量三次抗拉试件有效区域（中间段长度70 mm）宽度和厚度，取平均值并记录；标记抗拉试件有效区间中线，用于粘贴应变片及加载时调整试件的垂直度。
（2）在抗拉试件有效区间的中部一侧粘贴应变片。
实验采用的应变片栅格大小为20 mm×3 mm，灵敏系数为。
（3）将抗拉试件安装到实验机上，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据收集系统连接，测定收集仪电压与荷载转换系数K为。
（4）随机选取6个试件测定材料的弹性区间，最终肯定的弹性循环区间为1000~2000N；加载速度为50 N/s。
由程序控制的加载制度如下：1.力控制50 N/s，目标力控制1000 N（下限荷载值）；2.力控制50 N/s，目标力控制2000 N（上限荷载值）；3.力控制50 N/s，目标力控制800 N（倍下限荷载值）；4.力控制50 N/s，目标位移控制100 mm。
其中，步骤1~3循环6次。
（5）计算。
计算弹性模量和极限拉应力。
在六次循环加载中，取后四次平均值别离按式3-1计算弹性模量。
按式3-2计算抗拉强度。
竹材物理力学性能研究
随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干条件下时，因质地变脆强度反 而降低，而顺纹抗拉，纵劈和弦向静曲强度和含水率关系不明显。
四、苦竹(Pleioblastus amarus)
苦竹为多用途复轴混生型竹种,广布于江苏、安徽、江西和福建等丘陵山地。 其竿不仅为良好的造纸原料,还可制作箫、笙、管、笛等民间乐器,文房四宝 中的笔管、风铃等各种竹制工艺品,各种果蔬花卉棚架,标枪、旗杆等各种体 育运动器材。
经方差分析和均值多重比较,竿龄对苦竹竹材的物理力学性质影响显著。但苦 竹竹材的各项物理力学性质在2年以后,差异在不断减少,3年以后的各项性质差 异均不显著，物理力学性质在3年以后趋于稳定,并稳定在较高水平；在竹林的 培育中，苦竹竹材作为结构用材的采伐竹龄应在3～5年。竹竿部位与苦竹材物 理力学性质有关。竹竿自基部至顶部,体积全干缩率和含水率逐渐减少,基本密 度和力学强度逐渐提高。
管束的部分。竹肉是界于竹皮和髓环组织间的部分，横切面上有维管束分
布。维管束是在竹材横切面上，见到的许多呈深色的菱形斑点，在纵切面 上它呈顺纹股状组织。维管束在竹壁内的分布一般自外而内由密变疏。竹
肉内侧与竹腔相邻的部分为髓环，其上也无维管束分布。在生产习惯上，
常将竹壁厚度的不同组织由外至内称之为竹青、竹肉和竹黄三个部分。
五、雷竹(Phyllostachys praecox）
雷竹为禾本科竹亚科刚竹属的优良笋用竹种，出笋早，笋味鲜美。主要分布 于浙江，江苏与安徽南部也有少量分布。
竹材的物理力学性质是其重要的材质指标，而搞清雷竹材质及其变异规律是 其合理高效利用的基础。目前，国内关于雷竹高产栽培技术的研究很多，但 对雷竹材质变异的研究尚未见报道。对雷竹的物理力学性质进行了测试与分 析，为雷竹的有效合理利用提供科学依据。
竹材的力学性能及磨料磨损性能研究
在经 磨光 和 抛 光 后 的 试 件 横 切 面 上 沿 竹 黄 到 竹
青 的半径上等距设定 Ａ ， ，， ３个观察点 ， Ａ Ａ 共 以每个
点为 中心 ， 生 物 体 视 显 微 镜 的矩 形 视 野 内 （ ｒ × 在 ６ｍ ａ ８ ｍ） 把 纤维 细 胞 （ 括 视 野 边 上 的部 分 纤 维 细 胞 ） ａ ｒ ， 包 用 曲线 标记 出来 ， 统会 自动求 出纤 维 细 胞 的 面 积 Ｑ 系 并 除 以视野 面 积 即可 得 纤 维 比量 （ ） ％ 。每 个 视
１ 试 验方 法
试验 以 自然 风 干 的毛 竹 （ ｈｌ ｓ ｃｙ ｅ ｒ ｙｌ Ｐ ｙ ｏｔ ｈ ｓｈ ｔ ｏ ｃ ｌ ａ ｅｃ ｅ ｖｒ ｕ ｅｃｎ ） 研究 对 象 ， ａ ｂｓｅｓ 为 ｐ 试样 取 自 ２年 生 竹 的 两个
竹节 之 间 的 竹 干 。从 基 部 起 锯 成 ３等 份 ， 别 编 号 ， 分 获取 ３种竹 纤 维 密 度 试 样 。 为 了保 证 各 种 试 件 取 自 竹秆 上 相对 一 致 的位 置 ， 圆筒 剖 开 ， 称 取 材 ， 做 将 对 各
冲击 断 口具有 解 理 断 裂 特征 ， 为典 型 的脆 性 断裂 断 口。竹 纤 维 具 有 比基 体 高 的 耐 磨 性 ， 损 表 面 以 微 犁 切 和 微 磨
开 裂 为 主 要损 伤 特 征 。竹 材 的 耐磨 性 能 随 竹纤 维 含 量 的升 高 而 提 高 。
关键词 ：竹材 ；纤维 ；密度 ；力学性能 ；磨料磨损
２１ ０ １年 ７月
农 机 化 研 究
第 ７期
竹 材 的 力 学 性 能 及 磨 料 磨 损 性 能 研 究
孙俊 杰 ，王 智芹 ，王 宝 Leabharlann ，叶 伟 ，邓 志 华 ，马云 海
竹子材料最新研究报告
竹子材料最新研究报告竹子是一种常见的植物，具有许多优良的特性，比如生长快、可再生、强度高等。
近年来，越来越多的研究对竹子材料进行了深入的探索和应用，下面将介绍一份最新的竹子材料研究报告。
最新研究报告对竹子材料的力学性能进行了详细的研究和分析。
研究结果表明，竹子的抗弯强度和抗压强度明显高于木材，且具有较好的韧性。
竹子的抗弯强度高达100-130 MPa，抗压强度达到60-100MPa。
这表明竹子材料在建筑、制造等领域有很大的潜力，特别是替代传统的木材材料。
此外，报告还研究了竹材料的耐久性和抗腐蚀性能。
研究发现，竹子具有较好的耐候性和耐腐蚀性，尤其在潮湿环境下表现优异。
竹子的抗霉菌性能也得到了肯定，这为竹子在室内装饰等领域的应用提供了保障。
此外，竹子材料还具有良好的隔热性能。
研究发现，竹子的导热系数远低于钢材和混凝土，约为0.1 W/(m·K)，因此可以有效地减少建筑物的热传导，降低室内能源消耗。
在环保方面，竹子材料被认为是一种理想的可再生资源，对环境影响较小。
相比于木材，竹子的生长周期更短，种植面积更小，且不需要大面积的森林砍伐。
竹子的生长过程中可以吸收更多的二氧化碳，并释放出更多的氧气，具有很好的生态效益。
总的来说，竹子材料在力学性能、耐久性、抗腐蚀性、隔热性能方面都具有优势，且具有良好的环保性。
因此，将竹子材料应用于建筑、制造等领域有很大的潜力和前景。
然而，需要注意的是，竹子材料的加工和处理等技术还有待进一步研究和改进，以提高其应用的广泛性和可靠性。
加强竹子材料的研究和开发，将有助于推动可持续发展和环保建筑的实现。
竹材物理力学性能研究
对竹材进行压缩处理，使其密度增 大，提高其抗压和抗弯强度。
竹材的防腐处理
化学防腐
使用防腐剂对竹材进行处理，以 防止其受潮、腐烂和虫蛀。
生物防腐
利用生物制剂对竹材进行处理， 使其具有抗菌、防虫性能。
真空或压力处理
将竹材置于真空或压力环境下进 行处理，以消除内部水分和气体，
提高防腐性能。
竹材的复合化处理
本研究对于促进竹材在建筑、桥梁等工程领域的应用，推动绿色建筑和可持续发展 具有重要意义。
02
CHAPTER
竹材的基本物理特性
密度与孔隙率
密度
竹材的密度通常在0.4-0.9g/cm³之 间，其密度取决于竹种和生长环境。 密度是影响竹材物理力学性能的重要 因素之一。
孔隙率
竹材内部具有发达的孔隙结构，孔隙 率较高，一般在20%-30%之间。这种 孔隙结构对竹材的力学性能和加工性 能有一定影响。
冲击韧性
• 冲击韧性：冲击韧性是指材料在受到冲击负荷时的抵抗破裂和 延性的能力。竹材的冲击韧性较好，能够吸收较大的冲击能量， 这与其纤维结构有关。
疲劳性能
• 疲劳性能：疲劳性能是指材料在反复承受一定负荷时抵抗 疲劳破坏的能力。竹材的疲劳性能较好，能够在一定循环 次数的负荷下保持较好的完整性。
04
弯曲性能与弹性模量
弯曲性能
竹材在承受弯曲负荷时的性能表现，通常以弯曲强度和弯曲模量来衡量。弯曲强 度是指竹材在弯曲状态下所能承受的最大负荷，弯曲模量则是指竹材在受到外力 作用时抵抗变形的能力。
弹性模量
弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力的重要参数，通常以兆帕（MPa）表示。竹 材的弹性模量较高，能够达到20GPa左右，表明其具有较好的抗变形能力。
重组竹的力学性能试验
确定 了碳化和非碳化两种材料 的顺纹 抗拉、抗压强度及弹性模量 。试 验结果显示：重组竹顺纹拉伸应力一 应
变 呈 线 性 关 系 ；重 组 竹 顺 纹 压 缩 应 力一 应 变 关 系 则 经 历 了 弹性 阶段 、弹 塑 性 阶 段 与 塑 性 破 坏 阶 段 ；２种 材 料 的
抗拉强度均大 于抗 压强度：碳化 重组竹的拉伸 和压缩试验都 表现出材料 的脆 性性质，破坏无预兆 ；非碳化 试
竹
～一黼蛾一
图 ２ 碳 化 试 件 破 坏 Ｊ髟念
变／％ 图 ３ 碳 化 组 １ 抗 拉 试 验 应 力一 变 曲线
２．２ 非 碳 化 重 组 竹
非碳 化试 件 的拉伸 试验 破坏 形态 如 图 ４所示，图 ５为非 碳化 重组 竹顺纹 方 向抗拉 应 力一 应 变 曲线 。 由 图 ７中数据 结合 Ｘｔ￣（１）、（２）计 算 出非碳 化 重组竹 抗 拉弹性 模 量和抗 拉 强度，计 算 结果如 表 ２所示 。
２．３ 试 验 结 果 分析
３与 ５分别 为碳化 重组 竹抗 拉 试验 』、 一 ／、 变 Ｉｆｆｆ线 非碳 化 纠ｌ竹‘抗拉 试验 应 力一 ／、 变 曲线 ， 【｛Ｉ ３ ＿．ｊ ５ Ｉ—Ｊ 以看 ，币 纰竹 顺纹 拉仲 力 变 线性 变化 。
１付 找达 剑 由壹人 １＿ＩＩｆ＿ｆＩ、ｆ，什 随 ‘Ｊ：吆Ｉ 促 的竹 材 断裂 声 ，试件 沿 横 截 ｌ 发 生脆 性 断裂 两 种 纠．竹 批ｆＩＩ１ 验做 坏 模』 较 人 片 。 山 ２ 可知，碳 化后 的重 绀竹 断裂 ＿ 【『ｌ 较 为 Ｆ整，ｔ Ｉ． 直 于材 料顺纹 方 ， 儿 ｆ ｔ ｌ ‘条 线 ，这 址… ｊ 侄制 作 组竹 的过 ｆ 改 变 １厂竹材 【人ｊ 的吸 水 大人 降低 了材 料 的 变肜 能 ／『Ｊ所 敛 。从 图 ４ ｗ ， Ｉｔ－碳化 Ｉ，ｆ，Ｊ重组 竹 试件 断裂嘶 纹 向仃 ２个变 义 ｆＩ＇，ＪＩＯ， ￣斜 角 彤成 一个“Ｖ” 彤，断裂¨“参 不 齐 。埘 比 ２种 材料 的 力一 麻变 曲线 ｎ 以 ‘出， 跌化材 料的 极 限拉 Ｊ 及拉 变 较 碳化 材 料略 人，这 点 ｕ三 ｊ托 Ｉ试验 的破坏 彤念 合 。
8种丛生竹竹材物理力学性能研究
2.1 8 种丛生竹竹材物理性质
密度是竹材重要的物理性质，作为承重结构材料， 竹材的品质主要取决于密度［３］。一般来说，密度越大，竹 材的力学强度也相应增大，这对竹材作为建筑用材是有 利的。从表 ２ 可以看出，基本密度油丹竹最大 ０．７３６ｇ／ｃｍ３， 马来甜龙竹最小 ０．４８４ｇ／ｃｍ３， ８ 种丛生竹 竹材的基本密度从大到小依次为油丹竹 ＞ 粉丹竹 ＞ 泰 竹 ＞ 撑篙竹 ＞ 巨龙竹 ＞ 小叶巨竹 ＞ 麻竹 ＞ 马来甜龙竹。 全干密度表现出与基本密度相同的排列顺序，最大为油
２８ ２０ １１．３ １５．７ １９．４ １９．９ １１．４ １８．２
２３．５ ３０．３ ４４．１ ４８．１
３３ ３０．８ １５．１ ３０．５
５．４７ ６．５８ ３．７９ ４．２７ ９．３５ １１．０７ ６．０８ ７．６５
巨龙竹 小叶龙竹 撑篙竹 粉丹竹
麻竹 油丹竹
泰竹 马来甜龙竹
８３．０５ ８１．０５ ７６．３５ ７６．５５ ８６．２５ ５１．４ ６６．８５ ８９．０５
纹抗剪及抗弯强度等物理力学指标按照国家标准进行了综合分析和评价，结果表明：油丹竹的物理力 学性能最优，其次是粉丹竹、巨龙竹和泰竹，从性能上看，可以考虑把这 ４ 个竹种作为材用竹进行推广 种植。
关键词：丛生竹；竹材；物理性能；力学性能
竹材是一种重要的森林资源，也是我国南方产竹区 主要的建筑材料之一，利用竹材建造房屋已有 ２０００ 多 年历史。随着竹材加工技术的发展，竹材在建筑行业的 利用也从简单的单一竹材利用方式向复合化、高强度、 高性能、高附加值方向发展，而且竹子具有生长周期短、 产量高、成材快的特性，以竹代木无疑成为解决目前森 林资源日渐匮乏的最佳途径［１，２］。物理力学性质是竹材 基本的材性指标，也是衡量竹材质量的重要指标［３］。本 文对小叶龙竹等 ８ 种丛生竹竹材的物理力学性能进行 了研究，为其在建筑领域的合理高效利用提供理论依 据。
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竹材顺纹抗拉强度和弹性模量敏感性分析
摘要：竹材一种具备优异力学性能的天然材料。
本论文通过实验研究，分析了
竹材自身维管束密度和含水率对竹材顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹性模量的敏感程度，得出了各影响因素对竹材力学性能的影响，进一步得到了两种因素的影响水平。
从而得出结论：避免竹材潮湿对于保障竹材受力结构的刚度和稳定性都具有重要的意义。
关键词：顺纹抗拉强度；弹性模量；析因实验设计；析因分析
竹材具有强度高、弹性好、性能稳定、密度适中的特点，是自然界存在的一种具备优异力学性能的天然材料。
由于竹材的比刚度和比强度高于木材和普通钢铁，在建筑工程领域不仅可以应用于装饰装修，也广泛应用于承重结构。
1实验总体方案
本文根据原生竹材的基础性质，结合中华人民共和国建筑行业标准JG/T 199—2007[19]，进行实验的整体设计，设计的具体内容如下：
（1）通过江南XJL-03显微镜对竹材截面维管束进行观察，并拍照。
通过所拍照片分析其分布密度，面积及其形状；
（2）采用微机控制电子万能实验机对材料进行顺纹抗拉强度实验以及顺纹抗拉弹性模量实验。
对得到的数据进行分析，得出结论；
（3）通过对竹材的维管束分布密度以及含水率进行分组对照实验，得到不同含水率和不同的维管束分布密度对竹材顺纹抗拉强度不同的力学性质，包括顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹性模量。
实验分为四组，分别为：
第一组：维管束分布密度稀疏，不浸泡水；
第二组：维管束分布密度稀疏，浸泡48h；
第三组：维管束分布密度密集，不浸泡水；
第四组：维管束分布密度密集，浸泡48h。
为了了解竹材维管束分布密度以及试件含水率对竹材顺纹抗拉强度实验和顺纹抗拉弹性模量有无影响，现将竹材截面维管束及含水率因素引入到实验中。
为了建立竹材的细观力学模型，我们假定：
（1）假定竹条内的维管束和基体部分都是均质的；
（2）假定竹条内的维管束是纵向连续的、均质的；
（3）假定在试件的有效长度范围内，维管束分布沿试件长度不发生变化；
（4）假定每根试件在水中浸泡时，与水的接触面积相同。
2析因实验设计
竹材顺纹抗拉强度试件尺寸设计如图1：
3析因分析
根据只考虑含水率、试件维管束分布密度对竹材抗拉强度的影响，下面对本次实验的结果进行22析因分析。
方便起见，因子的效应用大写拉丁字母表示，“A”表示维管束分布密度因子效应，“B”表
示含水率因子效率，“AB”表示两种因子的交互作用效应，因子的低水平和高水平分别以“”和“”表示。
2因子2水平全面工况组合可用表2表述为：
图2 22实验组和计算图
主效应A可以由图2中的正方形右边两个处理组合的平均响应和左边的两个处理组合的
平均响应的差求得；主效应B可以由图3-12中的正方形上边两个处理的平均响应和下边的两个处理组合的平均响应的差求得；交互作用效应AB是正方形副对角线上的两个处理组合平
均响应和主对角线上两个处理组合的平均响应的差求得：
（下转第288页）4实验结论
综合上述实验步骤，以及实验所得数据的整理分析，可得到以下结论：
（1）由表5可知，浸泡过水的试件的弹性模量明显比干燥试件的弹性模量低，这是由于试件在浸泡过水后，导致弹性模量降低。
（2）由表5可知，维管束分布密集的试件的弹性模量比维管束分布分散的试件的弹性模量高，这是由于竹材的主要受力部分之一为维管束，即维管束分布密度约密集，则顺纹抗拉
弹性模量越大。
（3）由实验可知，维管束分布密集且浸泡过水的试件的顺纹抗拉弹性模量比维管束分布分散且浸泡过水的试件的顺纹抗拉弹性模量大，这是由于在浸泡过程中，维管束分布分散的
试件，其内部的空隙较大，导致水的有效浸入，使试件含水率增大，使得抗拉弹性模量降低。
（4）根据表6的p值可判断该效应在统计上的显著水平；0.1<PA<0.5可判断主效应A
（维管束分布密集程度）在统计上为显著水平；0.1<PB<0.5，可判断主效应B（含水率）在统计上为显著水平。
（5）从图5和6可以看出，含水率为影响抗拉弹性模量的主导因素，呈负相关关系。
与维管束的密集程度呈正相关关系。
5结论
本课题通过理论分析和实验研究，系统的研究了原生竹材的顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹
性模量与竹材含水率及维管束分布密度之间的关系。
通过实验数据得出以下结论：（1）顺纹抗拉强度随含水率的增大而减小；
（2）顺纹抗拉强度随维管束分布密集程度的增大而增大；
（3）顺纹抗拉弹性模量随含水率的增大而减小；
（4）顺纹抗拉弹性模量随维管束分布密集程度的增大而增大；
（5）竹材的含水率随维管束分布密集程度的增大而减小。
综合以上结论，可知，竹材在以后的工程结构建设中，应尽量保持干燥，且应挑选维管
束密集的竹材作为材料。
参考文献：
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9(3)：10~23．
[2]周芳纯．竹材培育和利用[M]．南京林业大学竹材研究编委会，1998．
[3]杨云芳，俞友明等．红壳竹竹材物理力学性质的研究[J]．浙江林学院学报，1998，
15(02)：158~163．
基金项目：昆明学院校级配套课题（XJZD1603）。