李 俊，孫正軍

（國際竹藤中心，北京 100102）

毛竹各向異性和徑向梯度變異對拉伸剪切強度的影響

李 俊，孫正軍

（國際竹藤中心，北京 100102）

竹材具有各向異性和徑向梯度變異的特點，其拉伸剪切強度對于竹材人造板的膠合強度影響顯著。以毛竹分級竹青片和毛竹竹條為材料，采用雙槽拉伸剪切試驗方法，分別測定了2種竹片的徑向和弦向拉伸剪切強度值。實驗結(jié)果表明：分級竹青片的徑向拉伸剪切強度和弦向拉伸剪切強度分別為12.71和7.98 MPa；竹條的徑向拉伸剪切強度和弦向拉伸剪切強度分別為6.99和4.38 MPa；從徑向和弦向異性角度看，徑向拉伸剪切強度大于弦向拉伸剪切強度；從徑向梯度變異角度看，分級竹青片的拉伸剪切強度遠大于竹條的拉伸剪切強度。

毛竹；各向異性；徑向梯度變異；拉伸剪切強度

竹材屬于兩相、多孔可壓縮的各向異性材料，具有沿徑向梯度變異的特性。其內(nèi)部的細胞可以分為兩大類：一類是基本組織的薄壁細胞，具有可壓縮性，它們傳遞載荷，起著復(fù)合材料基體的作用；另一類是組成纖維束的厚壁細胞，具有方向性，決定著竹材的力學(xué)性能[1]。由于維管束分布不均勻，使密度、干縮、強度等隨稈莖高度、所在部位（內(nèi)、外）不同而有很大差異。一般竹材稈壁外側(cè)維管束的分布較內(nèi)側(cè)密，其各種力學(xué)強度也較高[2]。

膠合是指通過膠黏劑與被膠接材料表面的物理和化學(xué)作用，使被膠接材料膠接在一起的過程[3]。膠接區(qū)域在受到外力發(fā)生破壞時，破壞模式通常有4種：（1）被膠接材料破壞；（2）膠接界面破壞；（3）膠層內(nèi)聚破壞；（4）混合破壞。膠合強度取決于三個方面，即被膠接材料的強度、膠層自身的強度和膠接界面結(jié)合強度，膠接區(qū)域的破壞是從薄弱環(huán)節(jié)開始的[4]。而“有效破壞”即指受外力時，破壞不發(fā)生在膠層上，而發(fā)生在被膠接材料上，所以要求膠層自身的強度和膠接界面結(jié)合強度高于被膠接材料的強度[4]。即評價膠合強度時，首先需要明確被膠接材料自身的剪切強度。

當(dāng)前廣泛利用的竹材人造板，如竹編膠合板、竹材膠合板、竹簾竹席膠合板、竹地板等，都是經(jīng)過膠合工藝壓制而成，其膠合強度對于產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要[5]。日本結(jié)構(gòu)用膠合木標(biāo)準(zhǔn)按照木材自身的剪切強度的大小由高到低將不同種類的木材分為6個等級，以此作為膠合木膠合性能的評價基礎(chǔ)[6]。相應(yīng)的，竹材自身的剪切強度也是評價竹材人造板膠合性能的基礎(chǔ)。

目前評價材料剪切強度常用的方法有拉伸剪切、壓縮剪切和短梁水平剪切等，本文中采用雙槽拉伸剪切實驗方法，因為其載荷單一，受其他因素影響較小，易產(chǎn)生層間破壞，實驗成功率高，省時省料[7]。本研究選用毛竹分級竹青片和竹條為材料做徑向拉伸剪切和弦向拉伸剪切實驗，2種材料的厚度不同，主要體現(xiàn)竹材拉伸剪切強度的徑向梯度變異，加載方向不同，體現(xiàn)其各向異性，以此為竹材人造板膠合性能的評價提供部分理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)分級竹青片：原材料為采自浙江省新昌縣的4年生毛竹Phyllostachys heterocycla var.pubescens，取自毛竹外側(cè)靠竹青部位，尺寸為長×寬×厚＝2 000 mm×7.5 mm×3 mm，平均密度為0.86 g/cm3，含水率為9%～11%。

(2) 毛竹竹條：杭州大莊實業(yè)集團有限公司提供，4年生毛竹，精刨去青去黃，尺寸為長×寬×高＝2 000 mm×21 mm×5.5 mm，平均密度為0.67 g/cm3，含水率為9%～11%。

1.2 試驗設(shè)備

主要設(shè)備有萬能力學(xué)實驗機（INSTRON-5582）、精密推臺鋸（FESTOOL-CS70）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）、電子天平（精度0.01 g）等。

1.3 試驗方法

拉伸剪切強度實驗參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 906《Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Plywood Type Construction in Shear by Tension Loading1》。

首先竹材方向的定義如圖1所示：L為縱向，R為徑向，T為弦向。則竹片的6個加工面分別為：LR面為縱徑面（左、右），LT面為縱弦面（內(nèi)、外），TR面為橫切面（上、下）。當(dāng)試樣的拉伸剪切破壞面平行于縱徑面時，實驗?zāi)Ｊ綖閺较蚶旒羟?；?dāng)試樣的拉伸剪切破壞面平行于縱弦面時，實驗?zāi)Ｊ綖橄蚁蚶旒羟小?種不同的拉伸剪切模式見圖 2～ 3。

圖1 竹材方向定義Fig.1 Direction def i nition of Moso bamboo

圖2 徑向拉伸剪切示意Fig.2 of tensile shear test of radial

圖3 弦向拉伸剪切示意Fig.3 of tensile shear test of tangential

分別準(zhǔn)備分級竹青片和竹條各20根，依次編號。在每根分級竹青片/竹條上，截取徑向拉伸剪切試樣和弦向拉伸剪切試樣各1個，注意避開竹節(jié)部位和缺陷。然后，對試樣進行雙面開槽處理，4種拉伸剪切試樣的具體形狀和尺寸見圖4～7。

圖4 分級竹青片徑向拉伸剪切試樣Fig.4 Tensile shear test sample of radial of graded Moso bamboo strips near bamboo green

圖5 分級竹青片弦向拉伸剪切試樣Fig.5 Tensile shear test sample of tangential of graded Moso bamboo strips near bamboo green

圖6 竹條徑向拉伸剪切試樣Fig.6 Tensile shear test sample of radial of Moso bamboo strips

2 試驗結(jié)果與分析

圖7 竹條弦向拉伸剪切試樣Fig.7 Tensile shear test sample of tangential of Moso bamboo strips

分級竹青片和竹條的徑向和弦向拉伸剪切強度值見表1。實驗結(jié)果顯示：分級竹青片的徑向拉伸剪切強度平均值為12.71 MPa，弦向拉伸剪切強度平均值為7.98 MPa；竹條的徑向拉伸剪切強度平均值為6.99 MPa，弦向拉伸剪切強度平均值為4.38 MPa。分析可知：對于同一種材料而言，其徑向拉伸剪切強度大于弦向拉伸剪切強度；分級竹青片的拉伸剪切強度大于竹條的拉伸剪切強度。

表1 分級竹青片和竹條的拉伸剪切強度值Table 1 Tensile shear strength of graded Moso bamboo strips near bamboo green and Moso bamboo strip

已有文獻報道，竹材基本組織強度和纖維束/基本組織間的界面強度較弱[8]，則根據(jù)膠合理論可知，當(dāng)竹材自身發(fā)生剪切破壞時，裂紋主要是在基本組織內(nèi)部和界面上擴展，纖維素含量越高、基本組織含量越低，拉伸剪切強度就越高。

竹材沿徑向由內(nèi)到外，纖維素的含量逐漸增大，基本組織的含量逐漸減小。已有研究結(jié)果表明：內(nèi)部靠竹黃處，纖維素含量約為25%，基本組織含量約為75%，而外部靠竹青處，纖維素含量約為60%，基本組織含量約為40%[9]，所以沿徑向由內(nèi)到外，竹材的拉伸剪切強度呈梯度增大趨勢。本文中分級竹青片的拉伸剪切強度大于竹條，與以上分析結(jié)果相符合。

徑向拉伸剪切的破壞裂紋是沿徑向擴展，會穿過外側(cè)力學(xué)性能較高的部位；而弦向拉伸剪切的破壞裂紋是沿弦向擴展，和外側(cè)力學(xué)性能較高的部位平行。裂紋擴展方向不同導(dǎo)致同一種材料徑向拉伸剪切強度大于弦向拉伸剪切強度。

不同種類試件的破壞模式見圖8～11。

圖8 分級竹青片徑向拉伸剪切破壞模式Fig.8 Failure mode of tensile shear test of radial of graded Moso bamboo strips near bamboo green

圖9 分級竹青片弦向拉伸剪切破壞模式Fig.9 Failure mode of tensile shear test of tangential of graded Moso bamboo strips near bamboo green

圖10 竹條徑向拉伸剪切破壞模式Fig.10 Failure mode of tensile shear test of radial of Moso bamboo strips

圖11 竹條弦向拉伸剪切破壞模式Fig.11 Failure mode of tensile shear test of tangential of Moso bamboo strips

參考表2日本結(jié)構(gòu)用膠合木標(biāo)準(zhǔn)JAS 1152《Japanese Agricultural Standard for Glued Laminated Timber》可知，分級竹青片的徑向拉伸剪切強度平均值遠遠超過Ⅰ等膠合木標(biāo)準(zhǔn)，弦向拉伸剪切強度平均值略低于Ⅱ等膠合木。

3 結(jié) 論

表2 日本結(jié)構(gòu)用膠合木標(biāo)準(zhǔn)JAS 1152Table 2 Japanese Agricultural Standard for glued laminated timber

（1）分級竹青片的拉伸剪切強度大于竹條的拉伸剪切強度。因為竹材基本組織強度和纖維束/基本組織間的界面強度較弱，而竹材沿徑向由內(nèi)到外纖維素含量逐漸增大，基本組織含量逐漸減小，所以沿徑向由內(nèi)到外，竹材的拉伸剪切強度逐漸增大。

（2）同一種材料，徑向拉伸剪切強度大于弦向拉伸剪切強度，原因是徑向破壞裂紋會穿過外側(cè)力學(xué)性能較高的部位，而弦向破壞裂紋則平行于外部力學(xué)性能較高的部位。

（3）分級竹青片的徑向拉伸剪切強度平均值遠大于日本Ⅰ等結(jié)構(gòu)用膠合木標(biāo)準(zhǔn)。

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Effects of anisotropy and radial gradient variation on tensile shear strength of Moso bamboo

LI Jun, SUN Zheng-jun
(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

Bamboo wood is a material of anisotropy and radial gradient variation, and tensile shear strength is a very important factor for evaluating bonding strength of bamboo-based panels. The tensileshear strength of radial and tangential of Moso-bamboo were measured by taking the graded Moso bamboo strip near the bamboo green and Moso bamboo strip as raw materials through double-grooves tensile shear tests. The results show that the means of tensile shear strength of radial and tangential of graded Moso bamboo strip near the bamboo green were 12.71 and 7.98 MPa respectively, while those ofMoso bamboo strip were 6.99 and 4.38 MPa respectively. From difference between radial and tangential,the tensile shear strength of radial was higher than that of tangential. From radial gradient variation, thetensile shear strength of graded Moso bamboo strip near the bamboo green was far more higher than that of Moso bamboo strip.

Phyllostaehys pubeseens Mazel ex H. delehaie; Moso bamboo; anisotropy; radial gradientvariation; tensile shear strength

S781.9

A

1673-923X(2013)05-0120-04

2012-12-10

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201004005）

李 俊（1987-），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：竹質(zhì)工程材料；E-mail：lijun6421@163.com

孫正軍（1955-），男，北京人，研究員，博士，研究方向：竹木復(fù)合材料；E-mail：sunzj@icbr.ac.cn

[本文編校：謝榮秀]