林业科学  2011, Vol. 47 Issue (6): 194-198   PDF    
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桂仁意, 邵继锋, 俞友明, 朱永军, 董墩义, 方伟
Gui Renyi, Shao Jifeng, Yu Youming, Zhu Yongjun, Dong Dunyi, Fang Wei
钩梢对5年生毛竹竹材物理力学性质的影响
Influence of Obtruncation on Physical and Mechanical Properties of 5 Years Old Culms of Phyllostachys edulis
林业科学, 2011, 47(6): 194-198.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(6): 194-198.

文章历史

收稿日期:2009-08-04
修回日期:2010-06-12

作者相关文章

桂仁意
邵继锋
俞友明
朱永军
董墩义
方伟

钩梢对5年生毛竹竹材物理力学性质的影响
桂仁意1, 邵继锋1, 俞友明2, 朱永军3, 董墩义4, 方伟1    
1. 浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300;
2. 浙江农林大学工程学院 临安 311300;
3. 临安市林业局 临安 311300;
4. 安吉县林业局 安吉 313300
关键词:毛竹    钩梢    竹材    物理力学性质    
Influence of Obtruncation on Physical and Mechanical Properties of 5 Years Old Culms of Phyllostachys edulis
Gui Renyi1, Shao Jifeng1, Yu Youming2, Zhu Yongjun3, Dong Dunyi4, Fang Wei1    
1. The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A & F University Lin'an 311300;
2. School of Engineering, Zhejiang A & F University Lin'an 311300;
3. Forestry Bureau of Lin'an Lin'an 311300;
4. Forestry Bureau of Anji Anji 313300
Abstract: As a kind of management, obtruncation, which is widely used in the northern area of Zhejiang province, can avoid or lessen snow disaster on bamboo plantation. In order to know the influence of obtruncation on physical and mechanical properties of 5 years old culms of Phyllostachys edulis, we compared the density, shrinkage, compressive strength parallel to grain, shear strength parallel to grain, tensile strength parallel to grain, tangential bending strength, and elastic modulus of the three parts(bottom, middle and top)of culms, obtruncated and not obtruncated. Results showed that there was no significant difference of physical and mechanical properties between the two types of culms, while great difference exists in different parts of the two types of culms, which indicated that the management of obtruncation had no significant impact on the physical and mechanical properties of culms.
Key words: Phyllostachys edulis    obtruncation    culm    physical and mechanical properties    

毛竹(Phyllostachys edulis)秆形通直、材性优良,是利用范围最广、经济价值最大的竹种(刘亚迪等,2008); 但同时因毛竹秆高大、枝叶繁茂,是受风雪灾害影响较大的林种之一(肖本权,2003)。2008年初,我国南方遭受了严重的雨雪冰冻灾害,涉及湖南、安徽、浙江、江西等19个省(区、市),受灾森林面积1 860万hm2(祝列克,2008),受灾中心区域为毛竹的主分布区,占我国毛竹林面积的70%以上。据统计,全国竹林受灾面积约400万hm2,其中80%为毛竹林(李潇晓,2008)。

在竹林培育中,为应对雨雪冰冻灾害,人们在秋季对毛竹进行钩梢。这一抚育措施在浙江北部得到较为广泛的运用,可有效避免或减少竹子受冰冻雪压的损失(尹维万,2005; 何虎,2007); 同时,调查发现,在此区域,每个梢头的市场价格为2~3元,钩下的梢头还可作为副产品增加收人。

竹材是竹林培育最重要的目标产品,其材性受到人们的广泛关注(Yu et al., 2008; Kamruzzaman et al., 2008)。然而,作为一种抚育措施,钩梢对竹材材性的影响如何,目前还尚未有研究报道。本文以钩梢和未钩梢的5年生毛竹(此年龄竹材已可采伐利用)为研究对象,研究钩梢对竹材材性的影响,为钩梢的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

2008年11月,在浙江省临安市太阳镇、潜川镇、玲珑镇和安吉县天荒坪镇选择立地条件一致的毛竹林,在同一坡向选取5年生、胸径一致(9 cm)的钩梢和未钩梢的毛竹各4株,共32株,齐地伐倒后,每株分别从基部、中部和顶部各截取100 cm的竹竿段,并做标记,带回实验室进行竹材物理力学性质的测定。

1.2 试验方法

1) 试件准备 将圆筒剖开,对称取材,保留试材2个弦面竹青与竹黄的原状。每一段试材自基部至上部依次按下列顺序截取试件:密度、干缩率、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度及其弹性模量。每个测试项目做12个试件。试件加工按照国家标准GB/T 15780-1995《竹材物理力学性质试验方法》进行。

2)测定与分析方法 竹材的密度、干缩率、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度等物理力学性质的测定方法和步骤按照国家标准GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》进行。顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度及其弹性模量应用MWD-50微机控制电子式木材万能力学试验机(济南时代试金仪器有限公司生产)进行测定。进行力学强度测试时,将试件放入温度(20±2)℃、相对湿度65%±5%条件下的恒温恒湿箱中,调整试件含水率至12%时进行测定。应用Microsoft Excel 2003和SPSS13. 0进行数据统计分析,其中毛竹秆不同部位(基部、中部、顶部)的竹材物理力学性质比较使用LSD法,钩梢对竹材物理力学性质的影响应用t检验分析。

2 结果与分析 2.1 钩梢对竹材物理性质的影响

密度和干缩率都是毛竹竹材重要的物理性质。竹材的密度是指单位体积竹材的质量,质量常指绝干或气干质量,体积指生材、气干或绝干体积,由此得到的密度是绝干密度、气干密度和基本密度。干缩率则依据考察对象不同,分为径向、弦向、纵向和体积干缩率。

表 1是钩梢和未钩梢毛竹竹秆不同部位竹材物理性质指标的检测结果以及每种竹秆不同部位之间的单因素方差分析结果。表 2是钩梢对竹材物理性质影响的t检验结果。

表 1 钩梢和未钩梢毛竹不同部位竹材物理性质比较 Tab.1 Physical properties of culms obtruncated and not obtruncated of Phyllostachys edulis
表 2 钩梢对毛竹竹材物理性质影响的t检验 Tab.2 t-test of obtrucation on physical properties of culms of Phyllostachys edulis

1) 钩梢对毛竹竹材密度的影响 竹材密度受环境、立地条件、年龄、竹秆部位等因子的影响(李源哲等,1986),与竹材的机械加工、化学处理等有十分密切的关系,直接影响竹材加工处理工艺的合理性、有效性和经济性。

表 1表明:未钩梢毛竹基部、中部和顶部竹材基本、气干和绝干密度均较钩梢毛竹大,说明钩梢降低了竹材密度,但降低幅度不大,在-1.4%(中部绝干密度)~-3.8%(基部基本密度)之间。从t检验结果(表 2)上看: P值在0.141 6~0.539 2之间,均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹各部位竹材的基本密度、气干密度和绝干密度指标之间均无显著差异。

表 1结果还表明:钩梢和未钩梢毛竹竹材密度从基部到顶部都逐渐增大,这与马灵飞等(1997)的研究结果相一致。其中,钩梢毛竹中部竹材3种密度值较基部分别增加16.5%,16.0%和15.9%,顶部较基部分别增加26.6%,26.0%和25.9%;未钩梢毛竹中部竹材3种密度值较基部分别增加14.8%,15.4%和14.7%,顶部较基部分别增加24.9%,26.4%和25.1%。单因素方差分析表明:无论是钩梢还是未钩梢毛竹,其不同部位竹材3种密度值之间均存在极显著差异。

2) 钩梢对毛竹竹材干缩性的影响 竹材是属于毛细管多孔有限膨胀胶体,表面积大,孔隙率高,具有一定的吸着性(周芳纯,1981),其干缩性能直接影响竹材和竹制品的尺寸、形状、结构的稳定性。

表 1结果表明:钩梢对毛竹竹材干缩性影响不大。钩梢毛竹各部位竹材干缩性指标值较未钩梢毛竹相比,变化幅度在-10.0%(中部竹材弦向干缩率)~ 13.3%(基部竹材径向干缩率)之间。t检验结果(表 2)表明: P值在0.156 9~0.991 7之间,均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹基部、中部和顶部竹材径向、弦向、纵向、体积干缩率均无显著差异。

表 1结果还表明,竹材径向干缩率从基部到顶部都逐渐增大:钩梢毛竹中部和顶部竹材径向干缩率指标值较基部分别增加17.4%和21.7%;未钩梢的分别增加22.2%和37.9%。弦向和纵向干缩率变化趋与径向干缩率相反,从基部到顶部都逐渐降低:钩梢毛竹中部和顶部竹材弦向干缩率指标值较基部分别降低14.3%和23.8%,纵向干缩降低28.6%和38.1%;未钩梢毛竹的弦向干缩率指标值分别降低4.8%和28.6%,纵向干缩降低25.0%和30.0%。而不同部位体积干缩率指标值变化趋势则不明显,在-11.3%(钩梢中部较基部)~ 12.1%(未钩梢项部较基部)之间。单因素方差分析结果表明:除体积干缩率外,钩梢或未钩梢毛竹基部竹材和顶部竹材的径向、弦向和纵向干缩率指标值之间均存在显著或极显著差异,说明竹秆部位对竹材干缩性影响很大; 同时可以看出,毛竹的径向干缩率普遍大于弦向干缩率和纵向干缩率,与王建和(1993)研究结果相一致。

2.2 钩梢对毛竹竹材力学性质的影响

毛竹竹材力学性质主要包括顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度、弦向抗弯强度及其弹性模量等,与含水率、竹秆部位、竹龄、立地条件等有关,且差异较大(鲁顺宝等,2005)。黄金水等(2005)研究表明:与正常毛竹相比较,受竹笋象危害断梢毛竹竹材抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗拉强度的差异显著,指标分别下降了43.79%,39.01%,29.28%;而竹腔注药防治后这3个指标下降了13.87%,10.95%,9.01%,但差异不显著。

表 3是钩梢和未钩梢毛竹竹秆不同部位竹材的力学性质指标的检测结果,以及每种竹秆不同部位之间的单因素方差分析结果。表 4是钩梢对竹材力学性质影响的t检验结果。

表 3 钩梢和未钩梢毛竹不同部分的竹材力学性质比较 Tab.3 Mechanical properties of culms obtruncated and not obtruncated of Phyllostachys edulis
表 4 钩梢对毛竹竹材力学性质影响的t检验 Tab.4 t-test of obtrucation on mechanical properties of culms of Phyllostachys edulis

1) 钩梢对毛竹竹材顺纹抗压强度的影响 竹材的顺纹抗压强度是指沿试件顺纹方向以匀速度对试件施加压力直至试件破坏达到的压力,或顺着竹材纹理竹材对外切作用力的抵抗能力。

表 3结果表明:钩梢毛竹竹材较未钩梢竹材顺纹抗压强度略有降低,基部、中部、顶部分别降低了1.0%,0.5%和2.6%。t检验结果(表 4)表明:其P值均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹各部位竹材顺纹抗压强度指标之间并无显著差异。

表 3结果还表明:钩梢和未钩梢毛竹竹材的顺纹抗压强度从基部到顶部竹材都逐渐增强,其中,钩梢竹材中部和顶部顺纹抗压强度分别比基部增加17.5%和25.5%,未钩梢竹材中部和顶部顺纹抗拉强度分别比基部增加16.9%和27.4%。单因素方差分析表明:不同部位的顺纹抗压强度存在极显著差异。

2) 钩梢对毛竹竹材顺纹抗剪强度的影响 抗剪强度是竹材力学的一个重要指标,竹材在竹结构连接中可能因顺纹剪切而破坏,竹结构中最常见的是竹材径面的顺纹抗剪,它更好地反映了竹材的材质。

表 3结果表明:钩梢毛竹竹材较未钩梢竹材顺纹抗剪强度略有降低,基部、中部、顶部分别降低了4.3%,4.5%和3.2%。t检验结果(表 4)表明:其P值均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹各部位竹材顺纹抗剪强度之间并无显著差异。

表 3结果还表明:钩梢和未钩梢毛竹竹材顺纹抗剪强度从基部到顶部都逐渐增强,其中,钩梢竹材中部和顶部顺纹抗剪强度分别比基部增加22.4%和37.2%,未钩梢竹材中部和顶部顺纹抗剪强度分别比基部增加22.7%和35.6%。单因素方差分析表明:不同部位的顺纹抗压强度存在极显著差异。

3) 钩梢对毛竹竹材顺纹抗拉强度的影响 竹材的抗拉强度是竹材最基本的力学性质指标,其大小除取决于竹种遗传特性外,还要受立地条件等环境因子的影响(鲁顺宝等,2005)。

表 3结果表明:钩梢降低了基部竹材的顺纹抗拉强度(-3.4%),提高了中部和顶部竹材的顺纹抗拉强度(4.5%和1.6%)。t检验结果(表 4)表明:其P值均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹各部位竹材顺纹抗拉强度指标之间并无显著差异。

表 3结果还表明:钩梢和未钩梢毛竹竹材顺纹抗拉强度从基部到顶部抗拉强度逐渐增强,其中,钩梢竹材中部和顶部顺纹抗拉强度分别比基部增加29.6%和48.3%,未钩梢竹材中部和顶部顺纹抗拉强度分别比基部增加19.7%和40.9%。单因素方差分析表明:不同部位之间存在着极显著差异。

4) 钩梢对毛竹竹材弦向抗弯强度及其弹性模量的影响 抗弯强度也叫抗折强度、支撑强度,竹材受静力载荷作用时所产生的最大弯曲应力,或竹材对外力折或弯的抵抗能力。竹材的抗弯强度和抗弯弹性模量对结构材来说是最重要的力学性质(鲁顺宝等,2005)。

表 3结果表明:钩梢提高了中部竹材弦向抗弯强度和顶部弦向抗弯强度弹性模量(8.9%和4.3%),降低了基部竹材弦向抗弯强度及其弹性模量(-5.7%和-13.5%)、中部竹材弹性模量(-11.9%)和顶部竹材弦向抗弯强度(-3.4%)。t检验结果(表 4)表明:其P值均大于0.05,说明钩梢和未钩梢毛竹各部位竹材弦向抗弯强度及其弹性模量之间并无显著差异。

表 3结果还表明:钩梢和未钩梢毛竹竹材弦向抗弯强度及其弹性模量从基部到顶部都逐渐增强,其中,钩梢竹材中部弦向抗弯强度和其弹性模量分别比基部增加109.3%和187.0%,顶部比基部增加166.2%和489.4%;未钩梢竹材中部比基部增加81.1%和182.0%,顶部比基部增加159.9%和389.0%。单因素方差分析表明:不同部位之间存在着极显著差异。

3 结论与讨论

本文测定了钩梢和未钩梢5年生毛竹基部、中部、顶部竹材的密度、干缩率、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度及其弹性模量等物理力学性质指标,t检验结果表明:钩梢毛竹和未钩梢毛竹竹材的基部、中部、顶部物理力学性质均没有显著差异,说明钩梢对毛竹的材性没有显著影响。

同时,通过分别比较5年生钩梢毛竹以及未钩梢毛竹竹材不同部位之间的物理力学性质发现,除体积干缩率变化不明显外,基部和顶部的各项物理力学性质指标之间均存在显著差异,其中,基本密度、气干密度、绝干密度、径向干缩率和各力学性质指标从基部到顶部都逐渐增大,而弦向干缩率和纵向干缩率则逐渐减少,说明毛竹竹材的部位效应明显,与红壳竹(Phyllostachys iridenscens)、雷竹(Phyllostachys praecox)、灰竹(Phyllostachys nuda)等竹材相类似(於琼花等,2004; 林金国等,2002; 俞友明等,2001; 杨云芳等,1998; 马灵飞等,1997)。

因此,就毛竹竹材材性而言,钩梢抚育措施对其无明显影响,而不同部位的差异则较为显著,说明钩梢不会降低毛竹的物理使用价值,在生产中可为做防雪灾的抚育措施加以推广应用。但钩梢减少了毛竹梢部枝条,降低了毛竹单株光合作用面积,其对竹林群体生产力的影响有待进一步研究。

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