年生冰冻雪压毛竹弯压材的力学性能
第45卷第9期2009年9月
林
SCIE NTI A
业科
SI LVAE
学
SI NIC AE
V ol 145,N o 19Sep. ,2009
4年生冰冻雪压毛竹弯压材的力学性能
苏文会 范少辉 张文元 周金明 汪忠健
关键词: 毛竹; 弯压材; 力学性能; 冰雪灾害
1
1
1
2
2
3
(11国际竹藤网络中心 北京100102; 21安徽省黄山市黄山区林业局 黄山245706)
中图分类号:S795; S78112 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2009) 09-0169-05
Wood Mechanical Properties of B ended Phyllostachys edulis for
42Year 2Old by Frost and Snow
Su W enhui 1 Fan Shaohui 1 Zhang W enyuan 1 Zhou Jinm ing 2 W ang Zhongjian 2
(11International Center for Bamboo and Rattan Beijing 100102; 2. Huangshan County Forest Bureau o f Huangshan , Anhui Huangshan 245706)
Abstract : C om pared w ith the undamaged Phyllostachys edulis , the w ood for 42year 2old by frost and snow were studied. It was shown that the w ood of edulis were equivalent to or a little less than those of the undamaged of m oderately bended bamboo and the m odulus of elasticity in static bending (M OE ) of 12518MPa and 1097819MPa respectively in the culm base , and com pared w ith w ood , the differences were significant. H owever , the other mechanical properties to grain , com pressive strength parallel to grain and shearing strength parallel to undamaged bamboo w ood , the difference were not significant. The study results could the proper ways of rational cutting , process and utilization of bended Phyllostachys edulis w ood.
K ey w ords : Phyllostachys edulis ; bended bamboo w ood ; mechanical property ; frost and snow disaster
毛竹(Phyllostachys edulis ) 是我国资源最丰富、
利用范围最广、经济价值最大的优良竹种(江泽慧, 2002) , 广泛分布于浙江、安徽、江西、湖南和福建等
毛竹能否象健康竹一样出售和利用是灾后竹农和加工企业共同关注的问题。从目前毛竹的利用方式看, 作为板材加工是高附加值利用的重要途径之一
(张齐生等,1999; 唐永裕,1999) 。一般说来, 对灾后竹林, 等天气回暖冰雪融化后, 大部分弯压竹可慢慢恢复直立状态, 秆形变异较小, 但竹秆内部的力学强度是否改变, 是否对其利用尤其是作为板材原料加工产生影响, 目前尚不清楚; 同时, 根据日前生产上速生丰产林4年生以上毛竹基本砍伐利用, 因此, 本文选取4年生毛竹作为测试对象, 对不同程度的冰雪弯压材的顺纹抗拉、顺纹抗压、抗弯、抗弯弹性模量及顺纹抗剪强度等力学性能进行测定与分析, 旨在为灾后毛竹弯压材的合理采伐及有效利用提供理论依据。1 材料与方法
111 试材采集 采样地位于安徽省黄山市黄山区,
省区。由于该竹秆形高大、枝叶繁茂, 一直以来是风
雪灾害影响较大的林种之一(肖本权,2003) 。2008年1月份, 我国南方遭受历史罕见的雨雪冰冻灾害, 波及范围正好为毛竹的主分布区, 毛竹林受灾极其严重。据报道, 全国受灾竹林400万hm 以上, 其中80%为毛竹林(李潇晓,2008) 。
冰冻雪压导致大量弯曲和破裂竹, 严重影响了竹材利用率和经济价值。笔者于2008年2月对安徽省黄山区的受灾毛竹林调查发现, 弯曲、断裂和翻蔸等各类受损竹比例达4518%, 其中仅弯压竹就占2215%(苏文会等,2008) 。因此, 如何对灾后大量的受损竹进行合理处置和有效利用, 直接关系到竹农的切身利益和竹林可持续经营, 是救灾减灾措施的重要内容。从竹林的受灾类型看, 弯压竹的比例最大, 但从秆的外部形态看, 未表现出受损, 那么, 该类
收稿日期:2008-11-28。
2
是我国重要的毛竹产区, 也是此次雪灾影响最严重
基金项目:国家“十一五”科技支撑(2006BAD24B0701) , 国家林业局中试项目(QT 2005-34K ) 和推广项目([2005]85号) 资助。3范少辉为通讯作者。
170林业科学
表1 毛竹力学性能试材情况
45卷
的地区之一。该区自2008年1月13日开始降雪, 前后间断性降雪时间达23天, 积雪厚度达40cm , 部分山地积雪厚度达80cm , 毛竹被雪压时间达45天以上。
2008年2月7—10日, 在面积约为20hm 的雪
2
T ab. 1 The tested Phyllostachys edulis conditions
for mech anical properties
种类
S pecies
样竹号
Sam ple N o.
123
秆高
Culm height Πm
[***********][***********]15
胸径
DBH Πcm
[***********][***********]1848188
压毛竹林内, 通过实地调查, 将竹子分为健康竹、弯
压竹和断裂竹等4大类7小类(苏文会等,2008) 。以健康竹作对照, 本文主要对雪压竹中的中度和重度弯压竹进行研究。分散选取健康竹(未受雪压损害) 、中度弯压竹(竹秆严重弯曲, 梢头弯压接近地面2m 以下, 但无着地、无破裂) 和重度弯压竹(冠梢严重下垂, 梢头埋入雪中, 竹秆弯曲成弓形, 但无破裂) 300株进行分类挂牌标示。至本年度3月份天气回
健康竹
Undamaged
均值M ean
1
中度弯压竹
M oderately bended
23
均值M ean
1
重度弯压竹
Heavily 2暖积雪融化弯曲毛竹基本恢复直立状态时, 从挂牌毛竹中随机选取年龄为4年生的健康竹、中度和重度弯压竹各3株, 齐地砍倒, 取胸径的2Π5头直径(吴富桢,1994) , 掉, 然后将竹秆3等分、“和“梢部”, “中部”(定义为“中梢) , 变形最大, 部”“基部”跟竹鞭相连, 为支撑秆段,
mm (纵向尺寸) ×20mm (弦向尺寸) ×
t (竹壁厚) , 尺寸释义下同; 抗弯强度和抗弯弹性模量:160mm ×10mm ×t mm ; 顺纹抗拉和顺纹抗剪强度试件的制作规格详见“竹材物理力学性质试验方法”(中国标准出版社第一编辑室,2002) 。
各力学强度指标在微机控制电子式木材万能力学试验机(山东济南MW D Π50) 上进行, 各类毛竹的每一测试部位的力学强度测试样本数为35～40个(表2) , 测定方法参照“竹材物理力学性质试验方(中国标准出版社第一编辑室,2002) 。法”
因为竹材含水率对其力学性质有较大影响, 按照国家标准的要求, 将力学强度的测试试件放入温度(20±2) ℃、相对湿度65%±5%条件下的恒温恒湿箱中, 调整试件含水率至9%～15%时进行测定为有效值。2 结果与分析
竹株受雪压弯曲后, 支持并拉拽整个竹株, 亦受力较大, 因此, 选择中度、重度弯压竹的“基部”和“梢部”,
每部分自下(靠近竹基) 向上截取约115m 长的竹段, 编号标记为“基部”和“中梢部”的测试样, 带回实验室, 同时以基本未受雪压影响的健康毛竹作为对照, 试材截取方法同上。各测试样竹情况见表1。112 试件制作及试验方法 为了保证各试件取自
竹秆上相对一致的位置, 将待测试的各段竹筒剖开, 对称截取各力学性质的测试试材, 保留试材2个弦面竹青与竹黄的原状, 将各试材编号标记。按照国家标准的要求制作各力学强度试件(中国标准出版社第一编辑室,2002) , 规格如下。顺纹
竹材的力学性能反映了其抵抗外界机械力作用
表2 毛竹各力学性能测试试件数量
T ab. 2 The tested sample numbers for w ood mech anical properties of Phyllostachys edulis
试件数Sam ple numbers
种类
S pecies
部位
Parts
顺纹抗拉强度
T ensile strength
parallel to grain (δt )
[1**********]8
顺纹抗压强度
C om pressive
strength parallel to grain (δc )
[1**********]6
抗弯强度Π弹性模量
Bending strength (M OR ) Π
Shearing strength
m odulus of elasticity
parallel to grain (δs )
in static bending (M OE )
[1**********]6
[1**********]6
顺纹抗剪强度
健康竹
Undamaged
中弯竹
M oderately bended
重弯竹
Heavily bended
中梢部Between m iddle and top
基部The base
中梢部Between m iddle and top
基部The base
中梢部Between m iddle and top
基部The base
第9期苏文会等:4年生冰冻雪压毛竹弯压材的力学性能171
的能力, 对竹材的生产应用有极重要的影响, 主要包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度及其弹性模量等指标。冰冻雪灾下的毛竹林, 由于雪压, 毛竹秆较长时间处于变形状态, 其力学性能也受到了
一定程度的影响, 大部分指标比健康竹的相应值有所下降, 毛竹雪压后中度和重度弯压竹各力学强度指标见表3。
表3 毛竹弯压材的力学性能
T ab. 3 The w ood mech anical properties of the bended Phyllostachys pubescens
顺纹抗拉强度
部位
Parts
T ensile strength parallel to grain (δt ) Π
MPa
顺纹抗压强度
C om pressive strength parallel to grain (δc ) Π
MPa
抗弯强度
Bending strength (M OR ) Π
MPa
健康竹
Undamaged
中弯竹
M oderately bended [***********][***********]2514
重弯竹
Heavily bended [***********][***********]
健康竹
Undamaged [***********]137721中弯竹
M oderately bended [***********]15
重弯竹
Heavily bended [***********]1561186611
健康竹
Undamaged [***********]51715218
中弯竹
M oderately bended [***********][***********]9
重弯竹
Heavily bended [***********][***********]4711
中梢部
Between m iddle and top
123
[***********][***********]4918
均值M ean
123
基部
The base
均值M ean 部位
Parts
123
bending (M OE ) ΠMPa
顺纹抗剪强度
Shearing strength parallel to grain (δMPa s ) Π
[***********][***********][1**********]17
中弯竹
M oderately bended
[***********][***********][1**********]17
重弯竹
Heavily bended [***********][***********][***********]9
健康竹
Undamaged [***********][1**********]816
中弯竹
M oderately bended
[***********][1**********]17
重弯竹
Heavily bended
[***********][1**********]512
中梢部
Between
m iddle and top
均值M ean
123
基部
The base
均值M ean
211 中度弯压毛竹的力学性能 1) 中度弯压竹秆
冰雪灾害下, 雪压弯曲毛竹秆部力学性能受到一定程度的影响, 但同竹秆基部相比, 中梢部各力学强度
仍表现为增大的规律(表3) 。同基部受雪压各力学强度值的变化规律相似, 除抗弯弹性模量外, 中度弯压竹中梢部的各力学性能比健康竹的相应值有所降低, 可基本得出, 冰雪灾害下, 毛竹从基到梢均受到了一定的危害。从竹秆不同部位力学性能受雪压的影响程度看, 中梢部所受影响比基部小, 这可能与2个部位的受力方式不同及中梢部纤维束密度大、材质韧性好有关系。
212 重度弯压竹的力学性能 1) 重度弯压竹秆基
基部的力学强度及其变化 中度弯压竹是因雪压竹秆严重弯曲而未破裂, 梢头弯压接近地面2m 以下的受灾类型。由表3可以看出, 由于雪压的影响, 同健康竹相比, 中度弯曲毛竹的竹秆基部各力学强度基本上都出现了不同程度的降低。从顺纹抗拉、抗压等5个力学指标看, 抗弯和抗剪强度的下降程度最大, 分别下降了1716%和2611%, 抗拉和抗压次之, 抗弯弹性模量的变化较小。通过方差分析发现, 中度弯压毛竹秆基部的抗弯强度与健康毛竹的相应值差异显著, 表明冰冻雪灾危害下, 竹秆基部虽然没有直接受到雪压, 但由于植株中上部在重压下弯曲变形, 对毛竹秆基的内部应力产生了影响。
2) 中度弯压竹秆中梢部力学强度及其变化 竹秆部位对竹材力学强度有一定影响, 从基部到梢部, 由于密度等指标的变化, 竹材力学强度也呈现出逐渐增大的趋势(周芳纯,1974; 张宏健等,1998; 杨云芳等, 1998; 於琼花等,2004; 苏文会等,2006) 。
部力学强度及其变化 重度弯压竹是因雪压竹秆严重弯曲, 梢头埋入雪中但未破裂的受灾类型。从测试结果看, 重度弯压竹秆基部的顺纹抗拉(14910MPa ) 、顺纹抗压(6611MPa ) 、顺纹抗弯(14711MPa )
和抗剪强度(1512MPa ) 与健康竹的相应值基本相当, 变异较小, 可能与梢头接触地面对竹株起到支撑和稳定作用有关。其中, 抗弯弹性模量(1097819
172林业科学45卷
MPa ) 甚至比健康竹的相应值(864417MPa ) 要大。
弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标, 其值越大, 则使材料发生一定弹性变形的应力也越大, 即在一定应力作用下, 发生弹性变形越小。出现这一现象的原因可能是活体毛竹在长时间雪压的胁迫下, 内部持续产生大小相等方向相反的对抗外力的应力, 当雪化后竹秆恢复直立, 其弹性模量值增大。
2) 重度弯压竹秆中梢部力学强度及其变化 冰冻雪压危害下, 重度弯曲毛竹中梢部各力学性能的变化同竹秆基部的变化规律基本一致, 除抗弯弹性模量外, 其他4个力学指标对与对照大致相当或略有降低。从竹秆不同部位力学性能受雪压的影响程度看, 重度弯压毛竹和中度弯压竹表现出的规律也基本一致, 即中梢部所受影响比基部要小。213 健康竹、中度、以未受到明显影响的健康竹为对照, 通过对冰冻雪
压损害下中度、重度弯压竹秆不同部位力学性能的分析可看出, 除抗弯弹性模量等个别指标外, 顺纹抗拉等力学性能基本上表现出了不同程度的下降趋势, 说明长时间雪压对毛竹材性产生了一定的影响。但从2种不同程度弯压的毛竹材力学性能看, 重度弯压材各力学强度更接近于健康材, 比中度弯压竹的相应值要大(图1) , 其中重弯与中弯竹的抗弯弹性模量差异最大, 前者为1140716MPa , 约比后者高出3213%。出现这一现象的原因可能与受灾类型的界定有关系, 重度弯压的毛竹竹梢被完全埋在雪中, 虽然竹株弯曲率大, , , 由于竹, 在风的作用下反复
。
图1 健康竹与弯压竹的力学性能
Fig. 1 The mechanial properties of undamaged and bended Phyllostachys edulis w ood
214 雪压对毛竹材力学性能影响的方差分析 为
分析雨雪冰冻灾害下, 雪压弯曲毛竹秆材力学性能
的变异程度, 评价雪压对毛竹材性的影响, 为受灾弯压竹的合理有效利用提供理论, 笔者运用统计分析学的方法(罗应婷等,2007) , 对健康竹与中度弯压竹、重度弯压竹的力学性能测试结果进行了T 检验, 分析结果见表4。可看出, 对中度弯压竹, 除抗弯强度在竹秆基部与健康竹差异显著外, 其他4个力学指标在2个部位与健康竹均未表现出显著的差异性; 对重度弯压竹, 竹秆基部的抗弯弹性模量与健康竹有差异, 其他部位的所有测试值亦未表现出显著差异性。
3 结论与讨论
冰冻雪压是毛竹林常见的受灾类型, 可造成大量弯压竹, 降低竹林生产力, 影响竹材利用率和经济效益。以基本未受到雪压危害的健康毛竹作对照, 发现中度弯压毛竹的秆部力学性能均有不同程度的下降, 但除竹秆基部的抗弯强度外, 顺纹抗拉强、顺纹抗压、顺纹抗剪和抗弯弹性模量等指标与健康竹的相应值均未表现出显著差异性; 对重度弯压毛竹, 秆材力学强度与对照竹的相应值基本相当或略有降低, 无显著差异, 而竹秆基部的抗弯弹性模量比健康竹大, 并表现出显著的差异性。
这一研究结果为受灾竹林秆材的加工利用提供
第9期苏文会等:4年生冰冻雪压毛竹弯压材的力学性能表4 冰冻雪压对毛竹材力学性能影响的T 2test ①
T ab. 4 T 2test of the effect of frost and snow disaster on the Phyllostachys edulis w ood mech anical properties
健康竹-中弯竹
Undamaged 2m oderately bended 基部
The base
F
173
力学性能
M echanial properties
健康竹-重弯竹Undamaged 2heavily bended 基部
The base
F
中梢部
Between m iddle and top
F
中梢部
Between m iddle and top
F
S ig.
[***********]13901121
S ig.
[***********]4201210
S ig.
[***********]05
S ig.
[***********]5601857
顺纹抗拉强度
T ensile strength parallel to grain (δt )
[***********]39931858
[***********]2521229
[***********][***********]7110301037
顺纹抗压强度
C om pressive strength parallel to grain (δc )
抗弯强度
Bending strength (M OR )
抗弯弹性模量
M odulus of elasticity in static bending (M OE )
顺纹抗剪强度
Shearing strength parallel to grain (δ)
①3差异显著S ignificant difference.
了理论依据, 从研究结论看, 力学强度大致相当, , 业, 工。, 供应, 对我国林业救灾减灾和灾后重建工作的顺利开展也起到了一定的作用。
参考
文
献
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(责任编辑 石红青)