竹材物理力学性能研究

竹材结构及物理力学性能研究汇报人：黄慧玲3150304——以毛竹、苦竹及雷竹为例祝雅园3150350凌璐璐3150347Contents目录01020304研究背景竹材毛竹总结与展望05苦竹雷竹0607比较与分析一、研究背景竹材是一种重要的森林资源，随着竹材加工技术的发展，竹材在建筑行业的应用越来越广泛，以竹代木是解决目前木材资源匮乏的最佳途径。竹材具有材质好、生长快、周期短、产量高、性能好等优点，且生物可降解，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。竹材的材质老化伴随着结构上的改变，同时也会表现为竹材基本性质及力学性能上的改变。二、竹材的基本结构1、竹材的宏观结构竹子是世界上生长最快的植物，能在40-120天的时间内达到成竹的高度（15~30米或40米）。竹材主要指竹子的竹秆，它是竹子利用价值最大的部分。竹秆是竹子地上茎的主干，竹秆外形多为圆锥体或椭圆体。竹秆由竹节和节间两部分组成，竹秆的长度、胸径、竹壁厚度和竹节的数量，根据竹种不同，其差异很大。竹节由秆环，箨环和竹横隔壁组成，起着加强竹秆直立和水分、养分横向输导作用。竹秆的节间，竹材维管束排列互相平行，而在竹节处的维管束呈弯曲走向并且纵横交错。横隔壁把竹秆分隔成空腔，即髓腔。髓腔周围的壁称为竹壁。竹壁在宏观上由三部分组成，自外而内依次为竹皮、竹肉和髓环组织（髓环和髓）。竹皮是竹壁最外层，通常横切面上看不见维管束的部分。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。2、竹材的微观结构竹材的微观构造是指竹材内部的细胞特征、细胞排列及组成成分。竹材由细胞组成，细胞是竹材显微镜下构成竹材的基本形态单位。可以把竹材细胞分为表皮系统、基本系统和维管系统三部分。在解剖学上则进一步细分为表皮、皮下层、皮层、基本组织、维管束和竹腔壁等六个部分。竹类植物维管束解剖结构（Grosser,Liese）1.外方纤维股2.薄壁组织3.维管束外鞘4.初生韧皮部的筛管5.后生木质部的2个大型导管6.小的后生木质部分子7.细胞间隙（由原生木质部深化而成，其中常具有1~2个环纹导管或填充体8.内方纤维股三、毛竹（Phyllostachysheterocycla）竹材力学性能是竹材加工利用的重要依据之一。根据竹材力学性能的不同可以确定竹材的应用领域和范围$对竹材的培育(确定合理的砍伐时间具有现实意。目前，国内外对不同竹种竹材的物理力学性能研究较多，主要侧重于研究其密度、干缩性、强度等方面，通过力学性能测试，探讨不同竹龄、竹秆部位、密度及含水率对竹材物理力学性能的影响。1、竹龄2、部位3、密度竹材的密度是指单位体积竹材的重量,重量常指炉干重,体积指炉干、气干或生材体,由此得到的密度是绝干密度、气干密度和基本密度。竹秆部位、年龄、立地条件和竹种等因素对竹材密度都有影响,毛竹和慈竹(Neosinocalamusaffinis)竹秆自基部至梢部,密度逐步增大;同一高度的竹材,竹壁外侧密度比中部和内部的大;毛竹和慈竹的密度,1～6年生逐步提高,5～8年生稳定在较高的水平上,8年生以后有所下降;立地条件好的竹材比立地条件差的密度低;分布在气温较低、雨量较少的北部地区的竹类的材密度大,而分布在气温较高、雨量较多的南方地区的竹材密度较小。王朝晖对不同竹龄的毛竹材的微密度变异进行了研究,并认为距离竹表皮3.4/10竹壁厚度处是竹材密度过变异最大的位置,该结论对于竹材破篾和竹篾分等具有重要的意义。4、含水率新鲜竹材的含水率与竹龄、部位和采伐季节有一定的关系。一般说来,幼龄竹材比老龄竹材含水率高,自基部至梢部含水率逐步降低,竹壁外侧含水率比中部和内部低,夏季采伐的竹材含水率比其他季节采伐的要高；竹材的顺压、顺纹抗拉、顺纹剪切和静曲强度及模量等力学性质都与竹材的含水率息息相关。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(Pleioblastusamarus)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。其笋营养丰富,尤其含糖苷较高,口味独特,能增强食欲,具有清热解毒、强身健体之功效。1.竿龄与竹材物理力学性质表1不同竿龄竹材物理力学性质由表1得出结论：竿龄对基本密度、径向干缩系数、弦向干缩系数、体积干缩系数、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、径向抗弯强度、弦向抗弯强度影响极显著。苦竹竹材气干密度和力学性质随着竿龄的增大而增大；而径向、弦向和体积干缩系数随竿龄增加逐渐减少。从1年到2年、2年到3年期间,各项物理力学性质的变化幅度较大,在2年以后,差异在不断减少,3～5年趋于稳定。表23年生苦竹竹竿不同部位竹材物理力学性质项目竹竿部位基部中部顶部平均值气干密度/(g·cm-3)0.710.810.880.80弦向干缩系数/%0.650.600.580.61径向干缩系数/%0.710.590.560.61体积干缩系数/%0.840.690.740.76顺纹抗压强度/MPa51.767.972.263.9顺纹抗拉强度/MPa182.3222.3211.8205.4弦向抗弯强度/MPa6.59.211.18.92.竹竿部位与竹材物理力学性质由表2得出结论:同一竹竿不同部位竹材的物理力学性质是不同的。自竹竿基部至顶部,苦竹竹材体积干缩系数和含水率逐渐减少；基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度及弦向抗弯强度逐渐提高。此结果与其他人对红壳、雷竹等竹材的研究结果相类似。苦竹竹材的基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度和抗弯强度随竹龄增加而提高,径向、弦向、体积干缩系数随竹龄增加而减少。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。3.小结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。五、雷竹(Phyllostachyspraecox）1.竹龄与竹材物理力学性质由表1得出结论：雷竹材基本密度、气干密度和力学性质随着年龄的增大而增大；而径向、弦向和体积干缩系数随竹龄增加逐渐减少。并且从3个月～1年、1～2年期间,各项物理力学性质的变化幅度较大，以后几年的变化幅度较小。据表2结果表明：各极值点均在4～6年上,极值的极差较小,说明雷竹竹材的各项物理力学性质在4～6年时较为稳定,各项物理力学性质指标达极值点。因此,在竹林培育中,雷竹的采伐年龄应在4～6年。据表3结果表明:竹龄对基本密度、体积干缩系数、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、径向抗弯强度、弦向抗弯强度影响极显著。并且雷竹竹材的各项物理力学性质在2年以后,各项性质的差异在不断减少,3年以后的各项性质差异均不显著,物理力学性质在3年以后趋向稳定。2.竹竿部位与竹材物理力学性质由表5得出结论:同一竹竿不同部位雷竹材的物理力学性质是不同的。从竹竿基部至顶部,雷竹竹材体积干缩系数和含水率逐渐减少；维管束密度、基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度及弦向抗弯强度逐渐提高。其主要原因为同一竹竿从基部至顶部,维管束横断面积逐渐缩小,维管束密度增大,导管孔径变细,自由水含量减少,密度增大,从而使力学性质相应提高。六、比较与分析基部毛竹苦竹雷竹气干密度/(g·cm-3)0.920.71弦向干缩系数/%0.530.65径向干缩系数/%0.480.71体积干缩系数/%0.840.641顺纹抗压强度/MPa7651.745.3顺纹抗拉强度/MPa182.3175弦向抗弯强度/MPa109.61.3年生竹材不同部位物理力学性质：中部毛竹苦竹雷竹气干密度/(g·cm-3)0.880.81弦向干缩系数/%0.480.6径向干缩系数/%0.440.59体积干缩系数/%0.690.634顺纹抗压强度/MPa6967.948.7顺纹抗拉强度/MPa222186.9弦向抗弯强度/MPa113.51.3年生竹材不同部位物理力学性质：顶部毛竹苦竹雷竹气干密度/(g·cm-3)0.830.88弦向干缩系数/%0.460.58径向干缩系数/%0.360.56体积干缩系数/%0.740.629顺纹抗压强度/MPa7172.253.6顺纹抗拉强度/MPa211.8197.4弦向抗弯强度/MPa123.61.3年生竹材不同部位物理力学性质：2.分析由上述可以得知，随着毛竹竹龄的增加，毛竹抗弯强度、顺纹抗压强度、气干密度都呈增大趋势，但三年后的生竹材是趋于稳定的，因此在不同部位的物理力学性能研究选择了三年生竹材。总体说来，毛竹的顺纹抗压强度是优于苦竹和雷竹的，雷竹的顺纹抗压强度最差，与毛竹和苦竹有一定差距。毛竹的干缩系数不论弦向还是纵向都小于苦竹。苦竹的顺纹抗拉强度都优于雷竹。从体积干缩系数看，雷竹都小于苦竹。比对后发现，不论是毛竹、苦竹还是雷竹，幼龄竹的竹材力学强度低，之后逐步提高，而8年生后有下降趋势。竹竿顺纹抗压强度碎杆高而变化，随竹竿高度增加，竹材的顺纹抗压轻度提高。一般来说，竹竿基部含水率最高，随着相对高度增加，含水率逐步下降，至竹竿顶部含水率最低。因此，虽然同属于竹材，不同竹材各有优势，物理力学性质也有所差别。七、总结与展望1、竹材材性变异不大,竹材学界、竹材工业界应高度重视这个问题。有必要将材性差异很大的单元(如竹篾、竹碎料等)进行分类,在对现有的竹材人造板生产工艺进行适当调整的基础上将分类后的竹材单元按照复合材料进行重组、加工、利用。这将能开发生产有广泛用途的多种新的工程竹产品,有利于充分发挥竹材的优点、极大限度地降低竹材的缺点,促进竹材的高效利用。2、在竹材材性研究方面已做得很多,目前有必要加强竹材人造板产品性能,开发竹材人造板新用途的研究。目前中国竹材人造板的用途主要有:车辆和船用竹胶合板,混凝土模板,竹地板和集装箱底板等方面。木材工业发达国家已经广泛地将木材及其工程制品用于房屋、桥梁和船舶等建筑结构领域。3、中国木材贫乏,但是竹类资源较丰富,而且竹材及其人造板的某些性能已经超过了木材工程制品的性能。在科学研究各种竹材人造板物理力学性质、合理设计的基础上,有望在木结构领域部分地以竹代木。但是这方面的研究才刚刚开始,急需加强。4、加强竹材防护以及防护处理对竹材性能的影响研究。竹材天然耐腐性差,通过防腐处理或其防护措施来延长竹材的使用寿命,必将提高产品的附加值,在带来经济效益的同时,也将减轻对并不太多的竹材和木材资源的压力。随着人类环保意识的加强,竹材学者应该开发高效、低毒、抗流失性好的防腐剂;同时,应加强对防腐处理后竹材的物理、力学和胶合性能的研究,以为防护处理竹材的加工、设计和应用提供理论指导。Thankyou!400-103-0101谢谢提出宝贵意见