随着国家天然林保护政策的制定，高效开发利用竹材资源成为重要课题。毛竹(Phyllostachys heterochycla var.pubescens)为我国主要用材竹种，若要对其竹材进行科学利用，就必须深入研究它的结构和性能。我国竹业科技工作者对竹子栽培经营研究较多，而对竹材材性研究相对较少(关明杰等，2001)。日本学者竹内叔雄(1957)著《竹的研究》颇有影响；著名林学家家梁希等(1944)曾对国产竹材物理力学性质进行试验研究；著名木材学家李源哲等(1986)进一步研究竹材物理力学性质，为竹材试验方法标准奠定了基础。杨云芳等(1996)曾对毛竹材纤维束含量径向分布做过研究，但没有定量描述竹材密度径向变化。由于不同年龄、不同部位毛竹材微纤丝角差异较小(江泽慧等，2000)，因此密度是决定竹材力学强度和干缩性的主要因子¹⁾。本研究以X射线直接扫描法定量研究竹材密度的径向变异规律，系统分析了竹材密度梯度的变化规律，旨在为竹材加工利用服务。

1) 王朝晖.竹材材性变异规律及其与加工利用关系研究.中国林业科学研究院博士论文，2001

1 材料与方法 1.1 试样制备

竹材采自安徽广德，分别不同年龄采集1度竹、2度竹、3度竹、4度竹(1度相当2年)各3~4株，其中1度竹为当年发笋成竹。同一株竹秆在不同高度取样，从基部到梢部以节间序数表示高度，分别在第12、28、24节间中段不同方向取试条，然后将试条加工成厚度均为1.0~1.3 mm的径切片试样，共计取样168个。用X射线沿试样径向进行逐点扫描，获得竹材密度径向变化图，通过实测整个样品的平均密度，精确推算出竹材密度径向变化图上每点所代表的实际密度。

1.2 单色X射线直接扫描法测定微密度原理和方法

实践和理论可以证明，单色强度为I₀的X射线，垂直入射通过厚度为t的物质层后，透射后射线强度为

(1)

式中ρ为物质密度，μ_m为质量吸收系数，是波长和物质元素组成的函数(与X射线波长、吸收物质的种类及其密度有关的量)，由(1)可得

(2)

(2) 式是X射线密度计算的基本公式。由(2)式可知：如果知道I₀、I、μ_m、t，物质的密度即可求得。I₀、I射线强度可从闪烁计数器或正比计数器量得，厚度t可以用螺旋测微计或测厚仪测量。X射线管发出的X射线谱可分为连续X射线(又称白色X射线)和特征X射线两大部分。由于白色X射线包括大量短波部分，且电压越高短波限的波长越小，因此质量吸收系数偏小。对于薄样品测量效果明显降低，电压的波动将引起质量吸收系数的改变。由于上述原因，本次试验采用能量处于5.13~5.69 keV范围的单色X射线测量1.0~1.3 mm厚的竹材样品，其分辨率相对较高。单色软X射线木材密度计原理参见相关文献(阮锡根等，1995；潘惠新等，1996)。加工出的样品用螺旋测微尺实测厚度，准确至0.01 mm；扫描方向为径向，厚度方向为弦向。步进电极转速为30°min^-1；样品步进速度为15 mm·min^-1；前缝宽度：水平0.6 mm，垂直0.15 mm；后缝宽度：垂直0.45 mm；管电压：30 kV；管电流：10 mA；射线源为Fe55靶，采用Mn滤波。用竹材自身作为标准样品估算竹材质量吸收系数。由公式(2)可得，竹材样品的平均密度应为

(3)

由重力法求出扫描竹片的平均基本密度，将、I₀和I_i代入前面公式，I_i为每一测量点所得透射强度数值，N为样品的取样总数。由此式可以求得该样品的μ_mt，从而可以求出竹片径向扫描测量点的基本密度值，一般从竹青到竹黄扫描测量点数为50~100个。竹材径向某测量点微密度。

2 结果与分析 2.1 竹材微密度径向变异分析

由于加工试样时不同竹片厚度略有差异，一般在1.0~1.3 mm之间，而μ_m值与厚度有关，对同一试样加工时尽量保持厚度均匀，对于不同厚度竹材的μ_m值，一般在16~20 cm²·g^-1之间。竹材X射线径向(从竹青到竹黄)扫描密度图谱见图 1。由于不同高度竹片的宽度(径向竹壁厚)是不同的，为了分析不同宽度竹片的密度径向变异规律，将竹黄到竹青外皮的距离定为1，以到竹青外皮的相对距离为自变量，以基本密度为因变量建立非线性经验回归方程为二次多项式曲线y=ax²-bx+c(x≤1)，回归相关系数都在0.8~0.9以上，表明经验方程拟合效果良好，列举典型经验方程如表 1。

由图 2可见，竹材密度从竹青到竹黄开始迅速降低，约到1/3~1/2部位时下降梯度变缓，密度变化在一个很窄的范围内，到接近竹黄时密度达最小值，最小密度通常不及竹青处最大密度的一半，而后在竹黄处密度又有所上升，通常研究结论认为从竹青到竹黄密度逐渐降低，没有提及竹黄处密度上升的现象，竹黄由多层厚壁石细胞构成(戴伦焰等，1959)，对于不同年龄和高度的竹黄厚度相近，通常只有0.8 mm左右，竹黄密度通常比最小密度高50%以上。

为了验证径向变异拟合方程的可信性，设定竹黄(或髓环)的厚度为0.6 mm，剔除竹黄部分，将竹片由外到内3等分，根据回归方程式计算出每个试样内、中、外3等分的平均基本密度，然后将同一年龄同一竹节内层平均、中层平均、外层平均，见表 2。

日本竹材专家Yoko Inokuchi等(1999)测出毛竹外、中、内三层基本密度分别为0.815、0.612、0.550g·cm^-3，而本次试验用回归法算出2度、3度、4度竹材第18节(中部高度)外、中、内三层基本密度分别为0.810、0.612、0.582 g·cm^-3，两者是非常接近的，用经验方程估算的内层基本密度比日本专家实测值略大，主要由于竹黄密度增大造成最小密度回归值比实际最小密度偏大所致。由图 3可见，对于同一高度竹材近竹青1/3处密度明显偏大，比其余部分密度高30%~40%，随着竹节高度提高，径向从竹青到竹黄相应部位的密度均增加，竹肉部位密度增加相对幅度比竹青部位略大。根据竹材的这种径向变异特性，可以考虑分层劈篾，将径向不同部位的竹篾进行分级，用竹青部位的竹篾压制成强度较高的竹质人造板，而用其余竹肉部位的竹篾压制成强度较低的竹质人造板，也可根据模量匹配原则，将两种不同部位的竹篾按一定比例均匀混合压制成符合某种密度要求的人造板，这样可以提高竹篾使用效率和附加值。

2.2 竹秆年龄、高度对竹材径向密度组成分量和密度梯度影响的分析

竹材径向密度梯度：DG=(ρ_max-ρ_min)/(R_max-R_min)，表示竹材径向密度变异幅度与最大密度和最小密度之间距离的比值。中点密度是指从竹青到竹黄的中点处的密度实测值。按照以上公式将168个试样的密度组成分量及密度梯度求出，取其平均值，见表 3。

从表 3可见，基本密度回归值和实测基本密度值非常接近。随年龄变化，竹材不同密度组成分量变异幅度差异较大，其中最大密度变异幅度最小，说明年龄变化对于竹材最大密度影响很小，而最小密度变异幅度最大，说明年龄变化对于竹材最小密度影响很大，正是由于1度竹最小密度比2度竹和2度以上竹子小很多，而1度竹最大密度比2度竹和2度以上竹子稍小，从而使任何高度1度竹比其它年龄竹的密度小、而密度梯度大，这说明竹材从1度竹到2度竹的生长过程中，平均密度的增长主要发生在竹肉部分，是竹肉密度提高的过程，从而使最小密度大幅提高。而从3度竹到4度竹生长过程中，情况恰恰相反，最大密度没有降低，而最小密度有所降低，从而使4度竹的平均密度比3度竹低，同时使4度竹的密度梯度有增大的趋势。这说明在竹子生长过程中，竹肉密度变化大，由于竹肉在竹材中所占比例大，所以竹肉密度的变化会决定竹材的平均密度。

由图 4可见，对于同一年龄不同高度的竹材来说，随着高度的增加，各密度组成分量均提高，最小密度提高幅度比最大密度提高幅度略大，但是由于随着高度的增加，竹片的竹壁厚越来越薄，单位距离的密度差异相应提高，从而使得竹片的密度梯度随着高度的增加而绝对增大。

2.3 通过竹材密度组成分量和密度梯度之间相关性分析竹秆高度对密度梯度的影响

为了分析竹材平均基本密度与以上各种密度组成分量之间以及各密度组成分量之间的内在联系，将不同年龄和不同高度168个试样竹材密度与相应的密度组成分量进行相关分析，得出相关系数见表 4。

从表 4可见，平均基本密度与相应基本密度回归值相关系数非常高，表明二次多项式方程拟合效果良好，同时平均基本密度与中点密度相关性最高，相关系数R=0.973，由表 3可见中点密度略小于平均基本密度约5%，但可作为表征竹材密度可靠的基本参量。其次，竹材平均基本密度与最小密度相关系数达R=0.858，竹材平均基本密度与最大密度相关系数只有R=0.579，竹材平均基本密度与密度梯度相关系数最小R=0.139，中点密度与最小密度相关性也较高，相关系数R=0.881。

由于1度竹的最小密度较小导致密度梯度较大，一般高度越高，密度梯度越大，由于这种矛盾性造成密度梯度与竹材密度及其各分量的相关性较小。现剔除1度竹，将2度以上年龄所有高度竹材密度梯度与相应的密度及其分量进行相关分析，见表 5。

从表 5可见，2度以上竹材径向密度梯度与最大密度具有正相关性，但相关系数不是很高，这是由于对于同一高度的竹秆，竹壁厚度相近，密度梯度随着最大密度的增加而增加，随着竹秆高度的增加，最大密度略有增加，密度梯度的绝对增加主要取决于竹壁厚度(即最大密度与最小密度之间的距离)的减小。表 4可见，密度梯度与最小密度相关性较低，这是由于对于同一高度的竹秆，竹壁厚度相近，密度梯度与最小密度呈负相关，而随着竹秆高度的增加，最小密度对密度梯度影响较小，主要取决于竹壁厚度减小，结果使得密度梯度与最小密度呈正相关，这种不确定性导致总体上密度梯度与最小密度相关性小。综上所述，对于同一高度竹秆，密度梯度主要取决于最小密度，随最小密度的减小而增加；对于不同高度的竹秆，最大密度、最小密度随着高度增加而增加，密度梯度主要取决于竹壁厚度，随竹壁厚度的减小而绝对增加。竹壁厚度与密度及其各分量一般呈弱负相关，竹壁越厚，竹青相对比例有减小趋势。与木材相比，竹材的密度梯度是很大的，一般杨树的木材密度梯度在0.2~0.3 g·cm^-3cm^-1(阮锡根等，1995)之间，由本文可知竹材密度梯度为0.7~1.0，是杨木的3~4倍。正是由于竹材密度梯度大导致竹青和竹黄弦向干缩差异大，从而使得因干缩引起的表面裂纹由竹青向竹黄方向扩展。因此在生产竹地板和竹集成材时在板坯含水率调整后，应该用油漆封住端头；也可考虑采用侧压板(径向)组坯工艺，应采取各种有效措施减少或避免因干缩不均引起的表面开裂。

3 小结

竹材微密度从竹青到竹黄径向变化，开始迅速降低，约到1/3部位时下降梯度变缓，密度变化在一个很窄的范围内，到接近竹黄时密度达最小值，而后在竹黄处密度又有所上升，主要由于竹黄属于厚壁细胞，通常比最小密度高50%以上。以到竹青外皮的相对距离为自变量，以基本密度为因变量建立非线性经验回归方程为二次多项式曲线y=ax²-bx+c(x≤1)，回归系数都在0.8~0.9以上。用该回归方程估算出2度、3度、4度竹材第18节(中部高度)外、中、内三层平均基本密度分别为0.810、0.612、0.582 g·cm^-3。根据竹材的这种径向变异特性，可以考虑分层劈篾，对竹篾进行分级，以提高竹篾使用效率和附加值。

关于不同年龄竹材微密度径向变异规律：这说明在竹子生长过程中，竹肉部位密度变化大，同时由于竹肉在竹壁厚度中所占比例大，竹肉部位密度是决定竹材的平均密度的主要因子.关于不同高度竹材微密度径向变异规律：对于同一年龄不同高度的竹材来说，随着高度的增加，各密度组成分量均提高，最小密度提高幅度比最大密度提高幅度略大，但是由于随着高度的增加，竹片的竹壁厚越来越薄，单位距离的密度差异相应提高，从而使得竹片的密度梯度绝对增大。对于同一年龄不同高度的竹材来说，随着高度的增加，平均基本密度与各密度组成分量之间的关系：以平均基本密度与中点密度、最小密度相关性较高。

竹材径向密度梯度变化规律：总体上2度以上竹材径向密度梯度与最大密度具有正相关性。对于同一高度竹秆，密度梯度主要取决于最小密度，随最小密度的减小而增加；对于不同高度的竹秆，密度梯度主要取决于竹壁厚度，随竹壁厚度的减小而绝对增加。与木材相比，竹材的密度梯度为0.7~1.0g·cm^-3cm^-1，是杨木的3~4倍，在竹材加工时应采取各种措施减少或避免因密度梯度大引起的干缩不均而导致的表面开裂。