代福寬，汪紫微，王漢坤，田根林，王傳貴

（1.國(guó)際竹藤中心 竹藤生物質(zhì)新材料研究所，北京 100102；2.國(guó)際竹藤中心 國(guó)家林業(yè)與草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036）

竹子具備高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)點(diǎn)，并且生長(zhǎng)速度快，可快速成材，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具和造紙等領(lǐng)域[1-3]。作為21 世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)潛力的生物質(zhì)資源，竹材具有不可比擬的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益[4]，對(duì)促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和具有極大的意義。竹材被認(rèn)為是以薄壁組織為基體，嵌入維管束作為增強(qiáng)相的纖維增強(qiáng)生物復(fù)合材料[5-6]。維管束起著承擔(dān)力學(xué)強(qiáng)度的骨架作用，基本組織填充其余部分，起著傳遞載荷的作用[7]。竹材優(yōu)異的力學(xué)性能主要與纖維鞘組織比量密切相關(guān)[8]。目前，竹產(chǎn)業(yè)主要生產(chǎn)傳統(tǒng)竹膠合板、竹席/竹簾膠合板、竹集成材和重組竹等或新型工程竹復(fù)合材料[9]、復(fù)合吸波材料[10]和竹纏繞復(fù)合管[11]等，大多以毛竹Phyllostachysedulis等大徑級(jí)的竹材為原料[12-13]，小徑級(jí)的竹材應(yīng)用較少。竹材的力學(xué)性能決定其利用價(jià)值與領(lǐng)域[14]，竹材順紋抗壓強(qiáng)度作為評(píng)估竹材不同用途的適用性的重要指標(biāo)[15-16]，具有測(cè)試方便快速等優(yōu)點(diǎn)[17]。小徑級(jí)竹材物理力學(xué)性能測(cè)試并無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)科學(xué)研究較少，基本上都參照GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》[18-19]，缺乏評(píng)價(jià)小徑級(jí)竹材的系統(tǒng)的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

本研究對(duì)不同長(zhǎng)徑比試件進(jìn)行順紋抗壓試驗(yàn)，探索適合測(cè)試小徑級(jí)竹材順紋抗壓強(qiáng)度的方法，為發(fā)掘小徑級(jí)竹材工業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[20]。同時(shí)利用基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)的維管束識(shí)別模型對(duì)小徑級(jí)竹材纖維鞘的組織比量和維管束密度作出統(tǒng)計(jì)并對(duì)其與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合。通過(guò)引入人工智能用于竹材基礎(chǔ)性質(zhì)的研究，不僅可以解決人工處理耗時(shí)費(fèi)力以及容易出錯(cuò)等問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)圖像處理方法還能提高處理精度和準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 材料

樣品采自安徽省六安市金寨縣。隨機(jī)選取健康、完好無(wú)缺陷的3～4 年生處于成熟期的竹株，采集胸徑在50 mm 以下的苦竹Pleioblastusamarus、篌竹Phyllostachysnidularia、水竹Phyllostachysheteroclada和早園竹Phyllostachyspropinqua各5 株，平均直徑分別為12.04、30.44、19.92、33.02 mm，平均壁厚分別為2.38、3.90、3.24、4.58 mm。從離地約0.5 m 處向上截取2.0～4.0 m 竹段作為試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室待用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件處理 用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣同一點(diǎn)在相互垂直的2 個(gè)方向的直徑，求其平均值。沿順紋方向按上述平均直徑的1.0、1.5 和2.0 倍長(zhǎng)度截制不同長(zhǎng)徑比試件，試件兩端面平整并相互平行，端面應(yīng)與順紋方向垂直(圖1)。參照 GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》[18]調(diào)整試樣含水率。

圖1 試件Figure 1 Samples

1.2.2 基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法的維管束數(shù)量和纖維鞘面積測(cè)定 對(duì)截?cái)嗪蟮臋M截面用不同目數(shù)的砂紙砂光處理，最后一次精砂目數(shù)為320 目，直至觸摸手感光滑，既保證精確識(shí)別纖維鞘和薄壁細(xì)胞之間的分界線，又可以利用砂光產(chǎn)生的碎屑填充維管束中的大導(dǎo)管及韌皮部等孔隙，避免大導(dǎo)管等干擾計(jì)算機(jī)識(shí)別[21]。利用高清掃描儀對(duì)符合要求的試件橫截面進(jìn)行掃描，用局部聚類算法對(duì)圖片進(jìn)行二值化處理，采用經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型進(jìn)行識(shí)別，檢測(cè)維管束并統(tǒng)計(jì)纖維鞘總面積[22](圖2)。

圖2 高清灰度圖(A)、識(shí)別每個(gè)維管束的檢測(cè)圖(B)和利用局部聚類算法獲得的二值化圖(C)Figure 2 HD grayscale image (A), detection image identifying each vascular bundle (B) and binarized image obtained using local clustering algorithm (C)

1.2.3 順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) ①尺寸測(cè)量。如圖3 所示：在掃描計(jì)算完的試件兩端用游標(biāo)卡尺測(cè)其相互垂直的2 個(gè)方向長(zhǎng)軸(D1)和短軸(D2)，以同樣方法測(cè)定試件兩端竹壁厚(t1、t2、t3、t4)取其均值(t)，準(zhǔn)確至0.01 mm，計(jì)算試件兩端面橫截面面積均值。將橫截面近似為橢圓計(jì)算。②順紋抗壓試驗(yàn)。將試件垂直放置于萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)球面滑動(dòng)支座中心位置，調(diào)整下支座，從相互垂直的2 個(gè)方向觀察，使試件橫截面與壓頭表面平行，施壓方向和纖維方向平行。施加預(yù)荷載不大于10.0 N，調(diào)整放好試件。沿試件軸向以1 mm·min-1的速度均勻加載，在(90±30) s 內(nèi)破壞，記錄試件破壞的最大載荷，精確至0.1 N。③含水率測(cè)定。抗壓性能試驗(yàn)結(jié)束后，立即清理試件上易剝落物，進(jìn)行稱量，準(zhǔn)確至0.001 g。測(cè)定含水率。測(cè)定方法依據(jù)GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》。④計(jì)算。順紋抗壓強(qiáng)度按近似橢圓管狀件計(jì)算。采用σ12=σw[1+0.045(w-12)]將含水率為w的順紋抗壓強(qiáng)度 σw換算為試件含水率為12%的順紋抗壓強(qiáng)度 σ12，準(zhǔn)確至0.01 MPa。。其中：Fmax為試件破壞最大載荷(N)；t為試件平均壁厚(mm)；D1為試件橫截面長(zhǎng)軸(mm)；D2為試件橫截面短軸(mm)。

圖3 尺寸測(cè)量示意圖Figure 3 Dimension measurement schematic

2 結(jié)果與分析

2.1 不同長(zhǎng)徑比對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的影響

由表1 可見(jiàn)：4 種小徑級(jí)竹材的順紋抗壓強(qiáng)度較為優(yōu)異，采用2.0 倍長(zhǎng)徑比試件測(cè)試，早園竹順紋抗壓強(qiáng)度最大，為82.91 MPa，水竹順紋抗壓強(qiáng)度最小，為67.01 MPa。在不同長(zhǎng)徑比的試件中，順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果平均值相差不大。方差齊性檢驗(yàn)表明：4 種小徑級(jí)竹材的不同長(zhǎng)徑比試件的順紋抗壓強(qiáng)度差異不顯著(P＞0.05)，故進(jìn)行單因素ANOVA 檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示：除苦竹外，其余3 種小徑級(jí)竹材的不同長(zhǎng)徑比試件對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響(P＞0.05)。然而，苦竹不同長(zhǎng)徑比試件對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響(F=3.342，P=0.040＜0.05)。進(jìn)行LSD 多重比較分析苦竹不同長(zhǎng)徑比試樣之間的差異是否顯著，結(jié)果顯示：苦竹的1.0 倍長(zhǎng)徑比試件與其他2 種試件之間差異不顯著，而1.5 與2.0 倍試件之間產(chǎn)生顯著差異(P=0.012＜0.05)。這可能是由于苦竹平均直徑僅為12.04 mm，直徑太小并且制備設(shè)備落后，對(duì)試件造成了不同程度的破壞。

表1 順紋抗壓測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of compressive strength

除去由于試件制備中引起的破壞而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，不同長(zhǎng)徑比的試樣對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)表1 結(jié)果所示：除苦竹外，其他3 種竹材均是2.0 倍長(zhǎng)徑比的試件測(cè)試的順紋抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)最小。其中，篌竹、早園竹和水竹2.0 倍長(zhǎng)徑比試件的順紋抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)分別為10.37%、9.36%和7.64%?？嘀竦? 種試件變異系數(shù)均較小，1.5 倍長(zhǎng)徑比試件變異系數(shù)為4.55%。變異系數(shù)越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。早園竹和篌竹的標(biāo)準(zhǔn)差在一定范圍內(nèi)隨著長(zhǎng)徑比的增加而減少。具體而言，2.0 倍長(zhǎng)徑比試件的標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.76 和7.59 MPa。水竹的2.0 倍長(zhǎng)徑比試件最小，為5.12 MPa?？嘀駱?biāo)準(zhǔn)差是1.5 倍長(zhǎng)徑比試件最小，為3.20 MPa。標(biāo)準(zhǔn)差越小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度越小。綜上所述，2.0 倍長(zhǎng)徑比的試件測(cè)試的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，可靠性較好，變異系數(shù)小，意味著需要準(zhǔn)備的最小試件數(shù)量就最少，整個(gè)試驗(yàn)的操作就相對(duì)容易，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。因此，2.0 倍長(zhǎng)徑比的試件用于測(cè)試小徑級(jí)圓竹順紋抗壓強(qiáng)度最好。

2.2 纖維鞘體積分?jǐn)?shù)和維管束分布密度對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的影響

從長(zhǎng)徑比為2.0 的試樣的維管束參數(shù) (表2) 可以看出：4 種竹材的纖維鞘組織比量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小，說(shuō)明同一竹種不同竹株不同部位的纖維鞘組織比量相差不大。其中篌竹纖維鞘組織比量最大，為35.64%，最小的是水竹，為33.05%?？嘀竦木S管束分布密度最大，達(dá)7.94 個(gè)·mm-2，早園竹最小，為5.77 個(gè)·mm-2。

表2 4 種小徑級(jí)竹材長(zhǎng)徑比為2.0 試樣的維管束參數(shù)Table 2 Vascular bundle parameters of four species of small diameter bamboo at the length-to-diameter ratio of 2.0

如圖4 所示：纖維鞘體積分?jǐn)?shù) (y) 與順紋抗壓強(qiáng)度 (x) 之間呈線性正相關(guān)，即纖維鞘體積分?jǐn)?shù)越大，順紋抗壓強(qiáng)度越大?；谧钚《朔▽?duì)其進(jìn)行線性擬合，得到線性方程：y= 260.44x-18.26，R2=0.60，r=0.778，P＜0.001。維管束分布密度和順紋抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性并不強(qiáng)，可能原因是不同竹種的維管束面積以及類型不同。換而言之，不同的竹種即使維管束分布密度相同，也有可能單位面積內(nèi)所含的纖維含量不同。

圖4 順紋抗壓強(qiáng)度與纖維鞘體積分?jǐn)?shù)和維管束分布密度之間的分布規(guī)律Figure 4 Distribution pattern between the compressive strength and the fiber volume fraction and distribution density of vascular bundles

3 討論

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：4 種竹材的順紋抗壓強(qiáng)度較為優(yōu)異，高于同為圓竹形態(tài)測(cè)試的4 年生毛竹的基部試件的順紋抗壓強(qiáng)度 (48.54 MPa)[23]。竹子之所以具有輕質(zhì)且高強(qiáng)度的特性，是由于其薄壁中空和功能梯度結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)。竹壁的構(gòu)造包括表皮、維管束和基本組織等3 種組織[24]，其中富含二氧化硅的表皮起著保護(hù)竹子抵御外界環(huán)境破壞的作用，維管束則承擔(dān)提供力學(xué)強(qiáng)度的骨架作用，基本組織則填充其余部分并起著傳遞載荷的作用[7]。竹材作為一種典型的單向纖維增強(qiáng)的生物質(zhì)復(fù)合材料，其機(jī)械性能主要取決于呈梯度結(jié)構(gòu)分布的維管束的機(jī)械特性，如纖維鞘的體積分?jǐn)?shù)和維管束的分布密度等[21,25]。纖維密度是表征竹子強(qiáng)度性能的良好指標(biāo)[26]，纖維鞘體積分?jǐn)?shù)正是纖維密度的定量化表述。已有研究對(duì)不同纖維鞘體積分?jǐn)?shù)的毛竹進(jìn)行了順紋抗壓測(cè)試，發(fā)現(xiàn)順紋抗壓強(qiáng)度和模量隨纖維鞘體積分?jǐn)?shù)增加而線性增加的規(guī)律[27]。同樣，具有梯度結(jié)構(gòu)的竹材在抗彎強(qiáng)度和模量中隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加[28]。此外，針對(duì)不同纖維鞘體積分?jǐn)?shù)的毛竹樣品的拉伸測(cè)試發(fā)現(xiàn)，纖維鞘體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度之間存在明顯的線性關(guān)系，并且根據(jù)混合定律得出的纖維和基本組織的拉伸強(qiáng)度和MOE 分別為581.7 MPa、40.40 GPa、19.0 MPa 和0.22 GPa[29]。纖維的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于薄壁細(xì)胞，纖維在毛竹的抗拉性能中起著決定性作用[29]。這可以歸因于纖維和薄壁細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等方面的不同，竹纖維的細(xì)胞壁幾乎呈實(shí)心狀，而薄壁細(xì)胞則具有較大的細(xì)胞腔和較薄的細(xì)胞壁[30]，竹纖維和薄壁細(xì)胞在化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)也有一定的差異[31]。因此，纖維鞘體積分?jǐn)?shù)是影響竹材的順紋抗壓強(qiáng)度的重要因素之一。然而，竹子的維管束類型是多樣的，包括雙斷腰型、斷腰型、緊腰型、開(kāi)放型和半開(kāi)放型等5 種維管束類型[32]，不同竹種維管束的面積各異，即使同一類型維管束在不同位置或者不同竹種中的面積也不盡相同[33]，因此，在研究不同種竹材的力學(xué)性能中探究維管束分布密度對(duì)力學(xué)性能的影響意義不大。綜上所述，了解竹材結(jié)構(gòu)的影響因素是非常必要的，這有助于掌握竹材的材料特性，充分發(fā)揮機(jī)械性能。

4 結(jié)論

基于YOLO 深度學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)的竹材維管束模型應(yīng)用于小徑級(jí)竹材維管束數(shù)量和纖維鞘面積的測(cè)定，可以達(dá)到快速且準(zhǔn)確的效果。小徑級(jí)竹材的順紋抗壓性能不亞于大徑級(jí)的竹材，早園竹順紋抗壓強(qiáng)度高達(dá)82.91 MPa，因此，小徑級(jí)竹材具有較高的開(kāi)發(fā)潛力。纖維鞘體積分?jǐn)?shù)極顯著地正向影響順紋抗壓強(qiáng)度。纖維鞘體積分?jǐn)?shù)(x)與順紋抗壓強(qiáng)度(y)關(guān)系表述為一元一次方程：y=260.44x-18.26。而維管束密度與順紋抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較小。對(duì)于胸高直徑50 mm 以下的竹材，測(cè)試順紋抗壓強(qiáng)度時(shí)，建議采用縱向長(zhǎng)度為平均外徑2.0 倍的試件，采用上述試驗(yàn)方法操作并控制試件在(90±30) s 內(nèi)壓潰。另外，對(duì)于較小直徑竹材制備試件時(shí)需避免對(duì)竹材造成損傷。