基于硬头黄竹材质变异分析的伐竹年龄判定

以四川产硬头黄竹Bambusa rigida为研究对象,参考国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》与竹材径向加压抗弯性质测定方法,并结合单因素方差分析方法(ANOVA),对竹龄为0.5~4.5 a的竹材物理力学性质进行研究,为硬头黄竹择龄伐竹提供参考。结果表明:(1)竹龄在0.5~4.5 a间,竹材生材含水率、干缩率逐渐减小,基本密度逐渐增大;(2)竹龄为3.5 a时,竹材顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量达到最大,顺纹抗剪强度达到稳定;(3)由竹秆基部至梢部,竹材生材含水率、干缩率呈下降趋势,基本密度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度与抗弯弹性模量呈增大趋势,而顺纹抗剪强度、抗弯强度与抗弯弹性模量在竹龄为4.5 a的竹秆梢部出现下降;(4)竹龄为3.5 a的竹材材性基本达到稳定,生材含水率、基本密度、干缩率、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为60.67%,0.72 g·cm~(-3),12.54%,82.41 MPa,11.99 MPa,237.13 MPa和8.32 GPa。推荐材质成熟的硬头黄竹伐竹年龄为3.5 a。     

结构用重组竹抗弯力学性能

通过对180个重组竹抗弯试件的测试,研究了重组竹的抗弯强度、抗弯弹性模量、荷载-位移曲线、破坏现象和概率分布,并将重组竹抗弯性能与3种典型竹、木结构材进行对比。结果表明,重组竹的抗弯试件经历了弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段等3个阶段;重组竹的抗弯强度和抗弯弹性模量的概率分布均服从正态分布;参照中国木材强度设计值计算方法,确定了重组竹抗弯强度和抗弯弹性模量的设计值指标,其设计值指标均显著大于其他3种材料。     

毛竹力学强度标准值和设计值的确定方法

选取3～6年生毛竹作为研究对象,收集了569个数据,分别对毛竹强度标准值和设计值的确定提出方法。采取次序统计法获得毛竹的顺纹抗拉、顺纹抗压、抗弯和顺纹抗剪强度标准值,分别为145.33、45.58、104.33和9.52MPa。用设计验算点逆算法建立适合竹材的功能函数,在满足可靠度的要求下,得到毛竹对应的强度设计值为38.19、22.32、37.19和4.73 MPa。通过将毛竹的强度设计值与重组竹、格鲁斑胶合竹对比,得出设计验算点逆算法计算毛竹设计值可行。     

冷压成型工艺及取材部位对结构用重组竹力学性能的影响

为了对比“热压”和“冷压-热固化”两种工艺重组竹的材料强度等级,并探明“冷压-热固化”制备工艺对重组竹方材表、芯层材力学性能的影响,以及为丰富方材二次加工切割板材的应用场景和提高力学性能稳定性提供试验分析基础,设计并开展了两种工艺重组竹的力学性能试验。试验采用了抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、横纹全部抗压比例极限、横纹局部抗压比例极限等7个指标,420个试件。结果表明：热压成型重组竹除抗弯弹性模量和顺纹抗拉强度相对较低外,其他力学性能均明显优于冷压-热固化工艺制备的重组竹,且两种工艺制备成型的重组竹的强度等级均达到10E-90f;冷压成型-热固化重组竹表、芯层材试件的顺纹抗拉、抗压强度和横纹比例极限应力具有极显著性差异,下表层顺纹抗压强度和横纹抗压比例极限应力低于芯层和上表层,而其顺纹抗拉强度高于后两者;冷压成型-热固化工艺重组竹的横纹全部抗压比例极限应力在厚度方向上变异最大,变异系数为20.9%,顺纹抗拉强度变异系数为10.61%。冷压重组竹方材力学性能在厚度方向上较大的变异性由板坯胶黏剂分布不均、固化分层和受热不均导致。     

重组竹顺纹力学性能的代表性体积单位模型

重组竹的宏观力学性能与其微观组成材料性能息息相关，重组竹微观力学仿真模型是研究重组竹宏观力学性能的重要手段。通过重组竹顺纹拉压试验，得到重组竹的力学性能；利用电子显微镜拍摄单个纤维的微观形貌，计算出单个纤维的底面积；使用体式显微镜观察试件中纤维个数，从而计算纤维所占重组竹的体积比；根据混合定律计算纤维与基体的材料参数。采用微观力学理论建立纤维均匀分布和随机分布的重组竹代表性体积单位(RVE)模型，并探究不同纤维与基体组分材料参数、纤维体积比对代表性体积单元力学性能的影响。研究结果表明：重组竹RVE模型顺纹抗拉应力-应变曲线与试验结果比较吻合，顺纹抗压应力-应变曲线与试验结果有些差异，纤维体积分数、纤维弹性模量对顺纹弹性模量影响较大，纤维排列方式、基体弹性模量对顺纹弹性模量影响较小。     

毛竹竹篼顺横纹抗剪性能的试验

为了获得毛竹竹篼的顺横纹抗剪性能,以毛竹竹篼为试验材料,在微控电子万能试验机上进行抗剪试验。结果表明:竹篼含水率12%时,横纹V向抗剪强度均值为24.1 MPa、横纹H向抗剪强度均值为23.2 MPa、顺纹V向抗剪强度均值为12.4 MPa、顺纹H向抗剪强度均值为8.4 MPa。当竹篼含水率提高10%时,则顺纹V向抗剪强度降低约4%、顺纹H向抗剪强度降低约8%、横纹V向抗剪强度降低约7%、横纹H向抗剪强度降低约5%;当基本密度提高10%时,则顺纹V向抗剪强度提高约8%、顺纹H向抗剪强度提高约20%、横纹V向抗剪强度提高约15%、横纹H向抗剪强度提高约14%。竹篼含水率是影响竹篼抗剪性能的主要因素。竹子采伐后,竹篼在活性期间内,随着时间的推移和竹篼含水率的降低,竹篼的抗剪强度逐渐增大;当施加平行于厚度方向的载荷使竹篼维管束产生顺纹分离,竹篼最易被破坏。     

不同坡位人工林赤松物理力学性质的比较

对延吉市帽儿山坡下和坡中的人工林赤松(Pinus densiflora)的物理力学性质差异进行研究.结果表明:坡下人工林赤松的弦向、径向和体积干缩率比坡中小;抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗拉和抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度,坡中材高于坡下材;气干密度、弦向和径向抗剪强度、弦向和径向抗劈力,均坡下材高于坡中材;坡下和坡中人工林赤松的气干密度、径向和体积干缩率、顺纹抗压强度、横纹弦向和径向抗压强度、弦向和径向抗剪强度差异达0.01显著水平,抗弯强度、抗弯弹性模量、弦向抗劈力差异达0.05显著水平,弦向干缩率、顺纹抗拉强度、径向抗劈力无显著差异.     

工业化高温改性木材的力学性能

对速生杨木和兴安落叶松进行工业化高温改性处理,并对高温改性材及空白试件等560个试件在4种相对湿度(60%、70%、80%、90%)下的平衡含水率及各力学性能参数(顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度)进行测试,建立了不同湿度下材料的力学性能指标体系.结果表明:改性材和空白试件的平衡含水率均随着环境湿度的升高而提高;各力学性能指标均随着环境湿度的升高而降低,且基本呈线性下降;与未处理的空白试件相比,木材经高温改性后,其平衡含水率降低,顺纹抗压弹性模量、抗弯弹性模量等刚度指标提高,与木材剪应力无关的顺纹抗压强度提高,与木材剪应力关系密切的抗弯强度和顺纹抗剪强度等下降.     

车筒竹·箣竹和越南巨竹的力学性质研究

[目的]研究大型丛生竹种车筒竹（Bambusa sinospinosa McClure）、车箣竹（Bambusa blumeana Schult.f.）和越南巨竹（Dendrocala-mus yunnanicus Hsueh）竹材的各力学性质。[方法]选取3年生车筒竹、箣竹和越南巨竹各5株,按照国家标准要求制作各力学强度试件,测定物理力学性质,并与传统材用竹种毛竹为参比进行分析。[结果]车筒竹、箣竹和越南巨竹的顺纹抗拉强度分别达到297.3、279.2、265.0MPa,均比毛竹材的相应强度大,顺纹抗压、顺纹抗剪、抗弯强度和抗弯弹性模量比毛竹材的相应值略小。3种丛生竹的力学强度与竹竿部位有关,从基部至梢部,各力学强度均呈现逐渐上升的趋势。[结论]从力学性能上看,可考虑将车筒竹、箣竹和越南巨竹3种丛生竹种用作竹板材原料。     

人工林赤松幼龄材与成熟材力学性质的比较

根据人工林赤松Pinus densiflora木材的管胞长度、微纤丝角、管胞长宽比、基本密度、晚材率及生长轮宽度等材性指标的测试数据,采用最优分割法划分出人工林赤松的幼龄材与成熟材的界限,分析了人工林赤松幼龄材与成熟材力学性质差异的表现.结果表明:赤松的幼龄期为小于12 a,抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和弦向横纹抗压强度等指标成熟材高于幼龄材,径向横纹抗压强度、弦面抗剪强度、径面抗剪强度、弦向抗劈强度和径向抗劈强度等项指标幼龄材高于成熟材.其中,抗弯强度、抗弯弹性模量、径向横纹抗压强度和弦面抗剪强度差异达0.01显著水平,顺纹抗拉强度差异达0.05显著水平.图1表6参6     

重组竹/玻纤/PET泡沫复合多层结构保温板制备及性能评价

  目的  为了促进木质结构保温板(SIP)的可持续发展,引入具有优良力学性能及装饰效果的可再生重组竹,结合环保型粉状环氧树脂胶黏剂,制备了重组竹/结构保温板复合材料。  方法  通过差示扫描量热法(DSC法)、力学性能测试和导热系数测试研究粉状环氧树脂胶黏剂的固化特性及复合材料的结合强度、抗弯强度、导热系数及耐热水性。  结果  ①粉状环氧树脂胶黏剂的最佳固化条件为84 ℃开始发生固化反应,在116 ℃时充分固化,于180 ℃下体系完全固化。②当涂胶量为150 g·m?2,热压时间为15 min时,重组竹/结构保温板复合材料的结合强度和抗弯强度分别可达0.83和19.80 MPa,导热系数为0.054 2 W·m?1·K?1(25 ℃)。在80 ℃热水浸泡3 h后,复合材料的结合强度仍达0.15 MPa。  结论  获得综合性能优异且具有良好耐热水性的重组竹/结构保温板复合材料。图6表2参21     

竹材薄壁组织拉伸性能及其变异规律的研究

  目的  从力学角度看,竹材的薄壁组织扮演基体的角色,而因其几何形貌的限制,目前针对薄壁组织开展的力学方面的相关研究较少。探索薄壁组织的力学性能,尤其是基体材料属性的赋值,对竹材精细化仿真模型的建立起到关键作用,进而提高模拟分析结果的准确性。  方法  以毛竹材为研究对象,7组试样取自同一竹秆不同高度处节间,软化后切厚度为30和80 μm的弦切片,其中厚度为30 μm的切片用于测试薄壁细胞形态参数,厚度为80 μm的切片用于制作有效试验段仅含薄壁组织的拉伸试样,并在力学试验机上结合光学引伸计完成竹材薄壁组织的拉伸试验,计算分析其抗拉强度、弹性模量和失效应变。  结果  竹材薄壁细胞长、宽、腔径和双壁厚在竹秆高度方向上无明显的变异规律;薄壁组织的平均抗拉强度为13.08 MPa,抗拉弹性模量为830.86 MPa,失效应变为1.98%,三者在竹秆高度上的变异规律均不明显;竹材薄壁组织拉伸性能与薄壁细胞形态之间的线性相关性较低。对薄壁组织拉伸失效断口的分析表明其拉伸失效的实质是胞间层分离与细胞壁断裂,本试验采用的毛竹材薄壁组织的平均抗拉强度在13.08 ~ 34.82 MPa之间。  结论  试验方法与结果均可靠,试验结果将为全面而深入地了解竹材力学性能及其数学模型的建立提供重要的参考价值,另外本试验方法将为植物材料力学性能的相关研究提供参考。然而,为提高测量结果的准确性还需进一步的深入研究,竹材薄壁细胞组织构造在竹秆高度方向上的变异规律与其力学性能之间的关系仍需探索。      

毛竹材抗拉弹性模量及抗拉强度

将天然毛竹材视为纤维与基体两种组分材料的构成的复合材料，以一个维管束及周围所辖薄壁组织细胞为分析单元进行微观力力性能分析，得出以组分材料性能与含量表示的宏观性抗弹性模量和极限抗强度计算式，实验结果表明，毛竹材组分含量沿壁厚及秆高变异显著，组分（即纤维与基体）的抗拉弹性模量分别为２７．６０ＧＰａ和６．０６ＧＰａ，抗拉强度分别为５４７．６８ＭＰａ和７４．６０ＭＰａ，毛竹材的宏观抗拉弹性模量及强度同组分     

重组竹高温处理后物理力学性能研究

为探索高温处理对重组竹物理力学性能的影响,研究不同温度（110、170、230 ℃）和不同处理时间（1、2、3、4 h）对重组竹抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗拉强度和质量损失的影响。结果表明,重组竹的力学性能随着处理温度和时间的增加而逐渐降低。230 ℃高温下重组竹的物理力学性能降低较显著,恒温4 h后抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗拉强度及质量的残留率分别35%、20%、25%、10%、70%。高温后重组竹在自然冷却条件下的残余强度大于浸水冷却条件下的残余强度。     

重组竹的耐冲击性能

探索竹/木复合材料在极端环境中(飓风、雹暴等)对冲击载荷的适应性,并在此基础上进行合理的结构设计。利用Instron 9250HV落锤冲击试验机对毛竹重组竹和竹木复合重组材进行了低速冲击试验,研究了密度和组坯形式对冲击性能和损伤模式的影响,并分析了组坯结构与吸能机制的关系。结果表明:高密度重组竹的耐冲击性能较好,纵横组坯的竹木复合重组材冲击性能优于同密度的重组竹。冲击损伤使重组竹沿纤维方向纵向开裂,导致材料整体失效;而竹木复合重组材的横纵结构抑制了裂纹的扩展,使缺陷仅发生在冲击点附近;落锤出射面表现为层状开裂,具有分层吸能的能量吸收机制。相同密度的竹木复合重组材可以更好地抵抗冲击破坏。     

固沙先锋树种沙柳枝条力学特性及其影响因素

以内蒙古干旱半干旱沙区固沙先锋树种沙柳(Salix psammophila)枝条为对象,研究其冬季休眠期抗拉、抗剪与抗弯力学特性,分析枝条长度、直径及其化学组分等对其力学特性的影响,为丰富植物固沙能力的评估指标体系,也为沙柳平茬机具的研制提供生物力学依据。结果显示:在测试径级0.5~2.5 mm时,沙柳枝条的极限抗拉力为14.05~52.02 N、抗剪力为16.26~80.04 N、抗弯力为1.02~3.54 N,均随着直径的增大而增大,应力直径递增函数不同;极限抗拉强度为8.96~66.19 MPa、抗剪强度为8.04~39.87 MPa、抗弯强度为1 566.46~46.71 MPa,均随直径的增大而减小,应力强度-直径递减函数不同。表明直径是影响枝条力学特性的重要影响因子。随着枝条长度的增长,其抗弯强度呈增大的趋势,而抗拉强度和抗剪强度无明显的变化规律;沙柳枝条极限抗拉力均值36.19±3.29 N>抗剪力均值 50.04±4.54 N,枝条极限抗拉强度均值31.01±2.81 MPa>抗剪强度均值16.98±1.54 MPa,说明枝条易破坏外力类型为剪切力。沙柳枝条抗拉强度、剪切强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素含量呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关,与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。试验结果表明影响枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的因素中纤维素和半纤维素起主要作用,其次是木质素含量。     

碳酸钙原位改性植物纤维及其复合材料性能表征

为研究原位沉积对竹、杉木、黄麻3种植物纤维的表面改性效果,采用平压工艺制备了植物纤维增强聚丙烯复合材料,并通过SEM、原子力学显微镜、光学纤维接触角测量仪等方法分别表征了植物纤维的表面形貌、表面粗糙度、静态接触角、拉伸性能以及复合材料的断口形貌和力学性能。结果表明:CaCO3原位沉积改性对单根植物纤维的表面性能有显著影响,不仅提高了单根植物纤维的拉伸性能,还改善了植物纤维增强热塑性聚合物的界面性能,增强了复合材料的界面强度。原位沉积改性后,3种植物纤维表面均有CaCO3附着,杉木纤维的CaCO3上载量最高,达16.08%;竹纤维最低,为6.96%。改性竹纤维的表面粗糙度Rq值降低了32.95%,静态接触角增加了1.85%;改性杉木纤维的Rq值和静态接触角分别增加了42.51%、3.12%;改性黄麻纤维的Rq值增加了62.77%,静态接触角降低了0.4%。单根改性植物纤维的拉伸性能均有所提高,相同CaCO3原位沉积改性条件下,改性竹纤维的拉伸强度和弹性模量最大,分别为1 134.83 MPa、37.25 GPa。断口形貌SEM图中,改性植物纤维与聚丙烯结合紧密,复合材料的断裂主要以改性植物纤维的断裂为主,表明复合材料的界面性质得到改善。改性植物纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能得到提高,而且其弹性模量的变化趋势与改性植物纤维CaCO3附着量的变化趋势一致。改性杉木纤维增强聚丙烯复合材料弹性模量最大,为2.28 GPa;改性竹纤维增强聚丙烯复合材料拉伸强度最大,为54.04 MPa。      

碱处理竹原纤维/不饱和聚酯复合材料的力学性能及界面表征

采用模压成型方法制备竹原纤维增强不饱和聚酯(UPE)复合材料,以1%、3%和5%Na OH溶液处理竹原纤维,以改善纤维与UPE树脂间的界面相容性。结果表明:碱处理竹原纤维显著提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量;1%Na OH溶液处理竹原纤维得到的复合材料力学性能最佳。碱处理后纤维的傅里叶红外光谱(FT-IR)与X-射线光电子能谱(XPS)分析表明:碱处理可移除纤维表面木素、半纤维素以及杂质等,使竹原纤维的纤维素相对含量增加,纤维表面变得粗糙。复合材料拉伸断面扫描电镜(SEM)分析表明:碱处理纤维改善了竹原纤维与UPE树脂的界面粘结。     

肥料对5年生毛竹竹材物理力学性质的影响

为了解肥料对毛竹Phyllostachys edulis竹材物理力学性质的影响,选择施用尿素、黄腐酸钾型豆粕有机肥及不施肥的5年生毛竹进行竹材密度、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗拉强度测定。结果表明:施肥与不施肥毛竹相比较,其材性弦向抗弯弹性模量基部显著增大（P＜0.05）,中部和顶部则差异不显著（P＞0.05）;顺纹抗剪强度除基部外;其余部分均差异显著（P＜0.01）,施化肥与有机肥比较,尿素的差异变化率达8.0%以上,最大的-17.1%,而黄腐酸钾型豆粕有机肥为4.9%以下,最小的-0.85%,化肥比有机肥的增加了1倍。这说明施化肥的毛竹材性的变化较大,不施肥的材性变化较小,施用尿素的达到极显著（P＜0.01）,施黄腐酸钾型豆粕有机肥的虽有影响,但不显著（P＞0.05）。表2 参１５