竹材的构造和力学行为的关系.pdf

摘要 竹子作为木材的代用品，具有生长快，周期短，产量高，性能好的特点。为了探 明竹材的独特构造与其力学性质之间的关系，为竹材的工业化利用提供理论依据和科 学依据，本研究以安徽省霍山产的3度毛竹为研究对象，研究了毛竹的解剖特性，基 本密度，力学性质，并探讨了其结构与力学性质之间的关系，获得以下主要结论： 1．竹材节间和节部的构造特征 竹材节间细胞都是严格的轴向排列，没有木材中的横向射线细胞。节间维管束通 过竹节时都有不同程度的弯曲。 不同高度上毛竹节间的纤维组织比量沿竹壁径向的变化都是从外到内逐渐减少 的。不同高度上毛竹节间的纤维组织比量的平均值表明，总体上是自下而上依次递增 的。 毛竹节问与节部的纤维组织比量沿竹壁径向的变化是从竹青到竹黄逐渐减少的； 毛竹节间与节部的纤维长度从外到内的变化规律都是先逐渐增大，到竹壁的中部达到 最大值，然后又逐渐变小；毛竹节间与节部的纤维双壁厚的变化规律不一致。节部的 壁厚纤维的双壁厚从#tNN内侧是先增大后减小，节部的壁薄的纤维的双壁厚从外侧 到内侧是逐渐减小的。节间的纤维双壁厚的变化不明显，这是因为竹节间的纤维绝大 部分都是壁厚纤维，壁薄纤维的存在很少；毛竹节间与节部的胞腔径沿竹壁径向的变 化都是从外侧到内侧逐渐增大的；毛竹节间与节部的纤维壁腔比的变化规律不一致。 节部的壁厚纤维的壁腔比从外侧到内侧是减小的，节部的壁薄纤维的壁腔比沿径向的 变化不大，因为壁薄纤维的壁厚从外侧到内侧是逐渐减小的，而胞腔径是从外侧到内 侧逐渐增大的，这样所引起的壁腔比的变化不明显。节问的纤维壁腔比的变化规律不 是很明显。 2．竹材节问和节部的基本密度 3比节间0．629 竹材节部的基本密度0．6649／cm g／cm3稍大，且两者之间的差异 显著。 3．竹材力学性质以及构造对其的影响 竹材顺纹抗拉强度 沿径向分片竹材的顺纹抗拉试验结果表明，竹材的顺纹抗拉强度和弹性模量与竹 纤维含量成正比关系： d=548．41A，+6．5137(R2=0．9784)； E=43．191Ar-1．8332(胄2=0．9765)。 运用混合定律对竹纤维的顺纹抗拉强度和弹性模量测算结果为 强度比一般木材甚至钢材都要大。 竹纤维束的顺纹抗拉试验结果表明，其顺纹抗拉强度平均值为478．1913MPa， 比运用混合定律算出的竹纤维的顺纹抗拉强度盯，=556．4433MPa要小。竹材中的基本 组织起到了传递载荷和缓冲的作用。而对于分离的竹纤维束则缺少了基本组织，因此 竹纤维束的顺纹抗拉强度值要相对比运用混合定律算出的竹纤维的顺纹抗拉强度低。 竹青竹黄未去的竹材节部的顺纹抗拉强度相对与节间有所下降，且差异显著。对 两种试件的破坏形式观察结果：节间破的坏形式为纯拉力韧性破坏，破坏面参差不齐 且与竹材的纹理垂直；节部的破坏形式为纯拉力脆性破坏，破坏面平整且与竹材的纹 理垂直，质地相对脆弱的试样易发生此破坏。 竹材横纹抗弯强度 竹青竹黄未处理的竹材节部横纹抗弯弯极限载荷大于节间，且差异显著；竹青竹 黄已处理的竹材节间和节部横纹抗弯强度差异不显著。节子并没有导致竹材的抗弯强 度的降低。 含裂纹的竹材的抗弯强度与不含裂纹的抗弯强度差异不显著。这表明预制裂纹对 竹材的抗弯强度没有影响。竹材的断裂韧性值K，c平均值为4847．305KPa～／m，表明 竹材具有良好的韧性。 竹材顺纹抗剪强度 竹青竹黄未处理的竹材节部顺纹抗剪极限载荷比节间稍有提高，且差异显著；竹 青竹黄已处理的竹材节部顺纹抗剪强度比节问略高了O．6MPa，但差异不显著。决定 竹材顺纹抗剪强度的是薄壁的基本组织的强度。 竹材抗压强度 竹青竹黄未去的竹材节部顺纹抗压屈服极限比节间高，且两者差异显著。节部的 竹纤维的所占比例比节间大，因此节部承受轴向压缩载荷的能力要比节间要强。 竹青竹黄已去的竹材节部轴向和径向抗压强度比节间略有提高，且两者差异显 著。这是由于节部的竹纤维的所占比例比节间大和横卧纤维的存在，这些纤维增强了 竹材节部的抗压强度。 综上所述，节部的强度除了顺纹抗拉强度相对于节问有所降低，其它顺纹抗剪、 横纹抗弯、顺纹抗压、径向抗压强度均没有降低，相反节子对竹材抗破坏能力起到了 增强作用，这正是生物材料的功能适应