木质纤维素材料中的水分存在于从植株生长到原料加工利用整个过程，对材料的力学性能有重要的影响。木材力学特性与含水率之间关系是个复杂而长期的课题，已经研究得相当广泛和深入(Green et al., 1986; 1988;成俊卿，1998; Wang et al., 1999; Kojima et al., 2004)。已有研究表明:在纤维饱和点以下，木材几乎所有的力学性能均随着含水率的降低而增大(Matan et al., 2003; 刘一星等，2004)，但到达峰值所对应的含水率则存在较大差异。例如，顺纹抗拉和横纹抗拉强度在含水率10% ~ 12%之间达到峰值，但顺纹、横纹压缩强度，弯曲模量，弯曲强度峰值所对应的含水率仅为4%;顺纹、横纹拉伸模量，顺纹压缩模量，顺纹剪切强度峰值所对应的含水率为6% (Kretschmann et al., 1996)。此外，木材不同力学性能指标在纤维饱和点内对含水率变化的敏感(响应)程度不同(Ishimaru et al., 2001; Sudijono et al., 2004) :含水率平均每变化1%，顺纹压缩强度变化6%，弯曲强度变化5%，弯曲模量变化2%，顺纹抗拉强度只有1% (Tsoumis，1991)。《美国木材手册》中数据表明，从气干态(MC 12%)到饱水态，木材不同力学性能指标的降幅差异较大:顺纹抗压强度为42.5%、顺纹抗剪强度为30.0%、弯曲模量为23.7%、顺纹抗拉强度为16.7% (Green et al., 1999)。

竹材与木材同属木质纤维素材料，也存在所谓的纤维饱和点(辉朝茂等，1998)。周芳纯(1998)的研究表明:竹材所有的力学性能指标均随含水率的增大而减小，在30% ~ 40%之间趋于稳定，但竹材不同力学性能指标对含水率变化的敏感程度是否相同，目前未见国内外有这方面的相关研究报道。由于竹材的结构和木材显著不同，是一种以竹纤维为增强体、薄壁细胞组织为基质的天然纤维增强复合材料，特别是其纤维密度沿径向梯度分布，又使其具有天然功能梯度材料的特点，因此木材力学性能与含水率之间关系的结论未必完全适合于竹材。基于以上理由，我们开展了从宏观到细胞水平的竹材力学性能水分依赖特性的系统研究，以期为竹材及其制品的合理利用提供指导依据。本文作为该研究的一部分，目标是在宏观水平探明竹材几种主要力学性能指标对含水率变化敏感程度的差异，以及造成上述差异的主要影响因子。

1 材料与方法 1.1 样品制备

毛竹(Phyllostachys edulis)于2007年9月采集于浙江富阳，共选择0.5，1.5，2.5，4.5年4个竹龄，每个竹龄选8株，共32株。试样的制取参照国家标准GB/T 15780-1995。顺纹拉伸和三点弯曲试样各64个，顺纹压缩试样160个，顺纹剪切试样96个。

1.2 试验方法

参考GB/T 15780-1995的规定进行顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、抗弯强度、顺纹拉伸弹性模量4种力学性能指标的测试。弯曲模量和顺纹拉伸弹性模量试样首先平衡至含水率为8%后进行测试，之后相同试样浸水至饱和(含水率在80% ~ 130%之间)，进行第2轮测试。测试设备为美国Instron公司的5582电子万能力学试验机。顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度试样则随机分为2组，分别测试含水率为8%以及饱水状态下的力学性能。测试设备为济南试金的WDW-E100D电子万能力学试验机。

2 结果与分析 2.1 气干态和饱水态下毛竹力学性能之间的差异

从图 1可以看出:同一竹龄下，毛竹饱水试样的力学性能均要明显低于气干试样。顺纹拉伸弹性模量、弯曲模量、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度4个指标大致随着竹龄的增大而增大，其中顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度的变化趋势较为稳定。顺纹拉伸弹性模量和弯曲模量则存在反常现象，以竹龄为1.5年的性能最好，这可能是所测试的2.5，4.5年试样的基本密度恰好偏低造成的。同时，本文分析了气干和饱水状态下毛竹力学性能与基本密度之间关系。结果表明:顺纹拉伸弹性模量、弯曲模量、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度均随密度的增大而近似线性增大(图 2)，其中顺纹抗压强度与密度之间的线性相关性最高，弯曲模量次之，顺纹拉伸弹性模量最差。值得注意的是，上述4种力学性能指标与密度在饱水态下的相关性均要好于气干态，其原因有待分析研究。在基本密度一致的条件下，气干试样的力学性能要明显高于饱水试样。

2.2 毛竹不同力学性能指标的含水率依赖特性

从表 1可知:毛竹顺纹拉伸弹性弹性模量对含水率变化的敏感程度与竹龄密切相关，随竹龄的增大而减小。0.5年生的毛竹饱水态下的顺纹拉伸弹性模量比气干态下小24.18%，降幅最大，而4.5年生的降幅只有15.86%，不同竹龄的平均降幅为19.79%。竹龄对弯曲模量含水率依赖特性的影响规律与纵向拉伸弹性模量相似，也是随着竹龄的增大而减小(表 2)。从0.5到4.5年，弯曲模量从气干态到饱水态的降幅在18.80% ~ 33.57%之间，平均值为23.47%，大于拉伸弹性模量的19.79%，表明毛竹弯曲模量对含水率变化的敏感程度要大于拉伸弹性模量。

表 3表明:不同竹龄毛竹顺纹抗剪强度从气干态到饱水态的降幅在38.86% ~ 31.85%之间，平均值为30.84%，对含水率变化的敏感程度要显著大于顺纹拉伸弹性模量和弯曲模量。虽然顺纹抗剪强度从气干态到饱水态的降低幅度也是随着竹龄的增大而减小，但影响的程度却小于顺纹拉伸弹性模量和弯曲模量，最大(0.5年)和最小(4.5年)降幅之间的差值只有7.01%。毛竹顺纹抗压强度从气干态到饱水态的平均降幅为30.15% (表 4)，显著大于顺纹拉伸弹性模量的19.79%和弯曲模量的23.47%，略小于顺纹抗剪强度的30.48%。虽然降幅也是随着竹龄的增大而减小，但最大(0.5年)和最小(4.5年)降幅之间的差值最小，只有3.6%，表明竹龄对毛竹顺纹抗压强度的水分依赖性影响最小。

综上所述，毛竹几种主要力学性能指标对水分的依赖程度不同，其中顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度对含水率的变化最敏感，弯曲模量居中，拉伸弹性模量最小，这个规律大致与木材相似。上述现象与植物细胞壁不同组分的力学性能对水分的依赖差异性有关。Yamamoto等(2002)认为，植物细胞壁内纤维素微纤丝的力学性能对水分变化不敏感，但木质素和半纤维素基质则较为敏感。纵向拉伸时，微纤丝承担了绝大部分载荷，因此细胞壁的抗拉性能对含水率变化的响应较小; 而压缩或剪切破坏时，木质素和半纤维素基质也承担了相当大的载荷，贡献增大，导致细胞壁的压缩或剪切性能对含水率变化的响应较大。弯曲模量的受力模式介于压缩和拉伸之间，因此其对含水率变化的依赖程度介于两者之间。值得注意的是，毛竹上述几种力学性能指标对含水率变化的敏感程度均与竹龄密切相关。竹龄越大，力学性能对水分变化的敏感程度越小。考虑到竹材基本密度与竹龄之间存在紧密联系，从幼竹到成熟竹材，基本密度一般稳定增大。下面将探讨毛竹几种力学性能指标含水率依赖特性与基本密度之间的关系。此外，竹龄对毛竹上述4种力学性能指标的含水率依赖特性的影响程度也是不同的，其中顺纹压缩强度从气干态到饱水态的降幅受竹龄的影响最小，最大(0.5年生)和最小降幅(4.5年生)之间的差值只有3.6%，顺纹剪切强度和顺纹拉伸模量次之，分别为7.01%和8.32%，弯曲模量受竹龄影响最大，差值为14.77%。

2.3 基本密度对毛竹力学性能含水率依赖特性的影响

从图 3中可以看出:毛竹几种主要力学性能指标从气干态到饱水态的降幅均随基本密度的增加而减小，表明基本密度越大，力学性能对水分变化越不敏感，依赖性越小。我们猜测这主要是因为毛竹纤维细胞壁力学性能对水分变化的敏感性小于薄壁组织细胞。竹材基本密度越大，对水分变化相对不敏感的竹纤维在毛竹中所占的比例越大，表现出宏观力学性能对水分变化就越不敏感。对于这个假设，目前还不能通过试验直接证明，但可以从细胞壁力学的角度给予解释。从复合材料的观点出发，植物细胞壁是一种以纤维素微纤丝为增强相，木质素和半纤维素复合体视为无定形基相的天然纤维增强复合材料。镶嵌其中的微纤丝是细胞壁承受载荷的主体，并且力学性能对水分变化不敏感，而木素/半纤维素基质则敏感得多。通过复合材料细观力学理论不难证明，微纤丝角越小，微纤丝承受的载荷更多，细胞壁整体力学性能对水分变化就越不敏感。由于毛竹纤维的微纤丝角小于10°，而薄壁组织则在30 ~ 40°左右(Liese，1998)，因此其力学性能对水分变化的敏感程度要低于后者。当然，上述猜测还需要试验证明。

3 结论

1) 毛竹4种力学性能指标对含水率变化的敏感程度存在显著差异。其中顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度强度对含水率变化最敏感，从气干态到饱水态的平均降幅均在30%以上，其次为弯曲模量，为23.54%，顺纹拉伸弹性模量对含水率的变化最不敏感，仅为19.79%;

2) 毛竹4种力学性能指标对含水率变化的敏感程度与竹龄、基本密度密切相关。竹龄和密度越大，从气干态到饱水态的降幅越小，性能越稳定。

3) 竹龄对毛竹4种力学性能指标含水率依赖特性的影响程度不同，其中顺纹抗压强度从气干态到饱水态的降幅受竹龄的影响最小，最大和最小降幅之间的差值只有3.6%，顺纹抗剪强度和顺纹拉伸弹性模量次之，弯曲模量受竹龄影响最大，差值为14.77%。

4) 根据本研究的试验结果提出了竹纤维力学性能对含水率变化的敏感性小于薄壁组织细胞的假设，上述假设还需要相关试验验证。