同跨高比不同软化处理方法对荆条抗弯性能的影响

高 璟，张晓燕，赵丽娟，刘倩云

（河北农业大学 河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定071000）

荆条广泛分布于我国东北、华北、西北、华中、西 南等省、区［1］。北京北部山区、河北承德、内蒙古昭乌达盟等地区都有自然形成的天然屏障分布，是北方干旱山区阳坡、半阳坡的典型植被［2］，多为灌木，对荒山护坡和防止风沙具有良好的环境保护作用，是优良的水土保持树种。荆条性强健，其根茎萌发力强，平茬后第2年仍可旺盛生长，同时由于荆条枝条粗细均匀、坚韧有弹性，又是优良的编织材料。但由于当年生枝条质脆易折，限制了荆条的适用范围，只能做筐、篓等粗糙用品。因此提高荆条柔软度，使其能满足编织工艺的要求、创造高附加值产品——荆编家具，对荆条进行软化处理，是提高荆条使用价值的重要途径和关键技术。

荆条木质部细胞壁是由纤维素、半纤维素和木素组成的。木素是天然的粘合剂，其作用是把纤维素、半纤维素粘合起来，从而赋予细胞壁一定的硬度和强度，细胞之间也由于木素的作用而彼此牢固地粘结在一起。软化荆条的目的是使细胞壁的强度降低，可塑性增强，同时使细胞间的结合力减弱，有利于细胞间的滑动。为此，本研究采用水煮、碳酸氢钠、尿素、乙二胺4种方法［3-4］，对荆条进行软化处理，通过最大弯曲挠度、抗弯弹性模量表征荆条的软化效果，揭示不同软化处理对荆条弯曲性能的影响，为荆条加工利用——编制荆条家具提供理论依据。

几十年来，国内外的学者主要对木材的软化弯曲处理及木材的力学性质进行了研究［5-7］。由于国内外还没有灌木及藤材物理力学性能测试的相应国家标准，因而现有的关于灌木或藤力学性质测试方法的研究也较少，主要有红岭等沙柳材物理力学性质测试方法［8］研究，罗真付［9］等棕榈藤力学性质测试方法研究，高璟［10］等荆条藤柳力学性质测试与对比研究，高璟［11］等高径比跨高比对荆条纵向抗压抗弯性能测试精度的影响。基于国内外研究者的相关研究方法，本研究结合灌木枝条的圆形截面截取试样，但这样截取的试样直径粗细不同，若采用相同跨度（即两支座间距），则由于跨高比不同对抗弯力学指标的测试结果必定造成影响，使荆条的抗弯力学性能指标缺乏相互比较的基础，为此以同跨高比为前提条件，采用水煮、碳酸氢钠、尿素、乙二胺4种软化处理方法，测试了荆条的最大弯曲挠度、抗弯弹性模量、抗弯强度，据此分析不同软化处理对荆条弯曲性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

荆条（Vitex negundo var.heterophylla），直径8、10mm，采自河北省保定市易县清西陵。

1.2 仪器

WDW-100微控电子万能试验机、电子万用炉、数显恒温水浴锅HH-1、电子天平、游标卡尺、1 000 mL量筒、125mL量筒、温度计。

1.3 试剂

10%尿素（分析纯）：用电子天平称取100g的尿素，溶于900mL蒸馏水，现配现用。

10%NaHCO3（分析纯）：用电子天平称取100 g的NaHCO3，溶于900mL蒸馏水，现配现用。

10%乙二胺（分析纯）：密度0.9g／mL，用量筒准确量取111mL的乙二胺，溶于900mL蒸馏水，现配现用。

1.4 试样制备

梁横截面抗弯强度计算公式是在纯弯曲时，以平面假设和单向受力假设为基础推导出的。而弯曲试验采用的中央单点加荷的3点弯曲试验，横截面上不仅有弯矩，而且有剪力。因此，梁的横截面上不仅有正应力，而且还有切应力。由于切应力的存在，梁的横截面不能保持平面，而发生翘曲。同时，由于横向力的作用，梁各层纵向纤维之间还存在着挤压应力。由此可见，在纯弯曲时所作的平面假设和单向受力假设，都不再成立。但是，精确的理论分析证明，工程中常见的梁，当跨度与高度之比L／h（简称跨高比）＞5时，正应力计算公式可以推广应用于横力弯曲，其计算结果略低于精确解。随着跨高比的减小，其误差随之增大。

根据“高径比跨高比对荆条纵向抗压抗弯性能测试精度的影响［11］”一文的结论，跨高比为8～12均能满足测试精度要求，考虑试样过短不便于测试抗弯弹性模量，因此本试验选用跨高比为12，并且直径取8mm和10mm的2组试件测试，即按照跨高比12，将直径为10mm的试样截成150mm长、跨度为120mm的试件，直径为8mm的试样截成120mm长、跨度为96mm的试件。为避免节疤影响，锯截试件时应保证试样中部加载部位附近无节疤。

1.5 软化处理方法

荆条软化处理方法考虑木材改性的物理和化学方法及荆条的传统软化方法，在对荆条软化工艺条件分析研究基础上，采用了4种处理方案：1）水煮处理，用水浸泡2d，加热至100℃，处理时间2.5h；2）尿素处理，用10%的尿素浸泡2d，加热至100℃，处理时间1.5h；3）碳酸氢钠处理，10%的碳酸氢钠浸泡2d，加热至100℃，处理时间75min；4）乙二胺处理，10%的乙二胺浸泡2d，加热至60℃，处理时间1.5h。每种处理方法均选取直径为8mm和10 mm的2组试样各30个，以便比较分析不同粗细的荆条弯曲软化的差异。

1.6 试验方法

试验方法参照GB／T1936.1-2009“木材抗弯强度试验方法”［12］及 GB／T1936.1-2009 “木材抗弯弹性模量试验方法”［13］。采用中央单点加载法测定。

水煮、碳酸氢钠、尿素、乙二胺4种软化处理方法处理荆条后直接测定能体现软化效果的力学指标：纵向抗弯强度、最大弯曲挠度、抗弯弹性模量。由于试件均为圆形截面，其惯性矩IZ=πd4／64，抗弯强度及弹性模量计算公式由材料力学理论［14-15］得出。

抗弯强度MOR计算公式：

式中：F—最大荷载（N）；L—两支座距离（mm）；d—试件直径（mm）。

最大弯曲挠度为试样弯曲最大位移量，从弯曲曲线上读取。

抗弯弹性模量MOE计算公式：

式中：△F—上下限荷载之差（N）；△f—上下限荷载间试件中部的挠度（mm）；L—2支座距离（mm）；d—试件直径（mm）。

2 结果与分析

2.1 同跨高比不同软化处理方法的抗弯性能

根据跨高比为12、直径为8mm和10mm各软化处理的测试指标平均值，汇总得出表1。

表1 跨高比为12、直径8 mm和10 mm各软化处理的测试指标平均值Table 1 Averages of the indices of the twigs with diameter 8and 10mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

2.2 同跨高比不同软化处理方法对荆条最大弯曲挠度的影响

弯曲挠度是衡量荆条弯曲软化效果的重要力学指标之一，在同跨高比前提下，其值越大，则弯曲软化效果越好。软化处理后，荆条的弯曲挠度增加。

由表1可知，直径8mm的各处理弯曲挠度表明：最大弯曲挠度的均值，水煮＞尿素＞碳酸氢钠＞乙二胺＞未处理。处理比未处理的最大弯曲挠度高16.84%～52.73%。

由表1可知，直径10mm的各处理弯曲挠度表明：最大弯曲挠度的均值，尿素＞水煮＞碳酸氢钠＞乙二胺＞未处理。处理比未处理的最大弯曲挠度高24.50%～65.88%。

表1同种处理方法下，直径10mm的最大弯曲挠度大于直径8mm的最大弯曲挠度，即最大弯曲挠度随直径的增大而增大。

2.2.1 同跨高比不同软化处理方法的最大弯曲挠度的方差分析 根据跨高比为12、直径为8mm和10mm各处理荆条的最大弯曲挠度进行方差分析［16］，得出表2、表3。

表2、表3表明，未处理与碳酸氢钠和乙二胺处理的荆条最大弯曲挠度显著性F＞0.05，差异不显著；而与尿素和水煮处理的显著性F＜0.05，差异显著。各处理间，尿素与水煮的显著性F＞0.05，差异不显著；尿素与碳酸氢钠和乙二胺的显著性F＜0.01，差异极显著。

2.2.2 相同软化处理方法不同粗细的最大弯曲挠度的方差分析 根据跨高比为12、对相同软化处理不同粗细荆条的最大弯曲挠度进行方差分析得出表4。

表2 跨高比为12、直径8 mm各处理挠度方差分析统计值Table 2 Variance analysis of deflection of twigs with diameter 8mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表3 跨高比为12、直径10 mm各处理挠度方差分析统计值Table 3 Variance analysis of deflection of twigs with diameter 10mm and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表4 跨高比为12、相同软化处理不同粗细荆条的最大弯曲挠度方差分析统计值Table 4 Variance analysis of deflection of twigs with different diameters and span to diameter ratio 12after treated by different methods

表4表明，未处理和碳酸氢钠处理细的（直径8 mm）与粗的（直径10mm）荆条的最大弯曲挠度显著性F＜0.05，差异显著；而水煮、乙二胺、尿素处理不同粗细的差异性F＜0.01，差异极显著。

综上所述，同跨高比前提下，直径为8mm的最大弯曲挠度均值，水煮＞尿素＞碳酸氢钠＞乙二胺＞未处理；直径为10mm的最大弯曲挠度均值，尿素＞水煮＞碳酸氢钠＞乙二胺＞未处理。未处理荆条的最大弯曲挠度与水煮、尿素处理的荆条的最大弯曲挠度差异显著；而水煮与尿素处理二者间无显著差异。相同处理不同粗细荆条的最大弯曲挠度差异显著，最大弯曲挠度随直径的增大而增大。

2.3 同跨高比不同软化处理方法对荆条纵向抗弯强度的影响

表1表明，抗弯强度均值，未处理＞碳酸氢钠＞水煮＞乙二胺＞尿素，说明软化处理后荆条的纵向抗弯强度降低。其中尿素处理的纵向抗弯强度最低，但与藤的纵向抗弯强度（70.75MPa）［10］近似，能满足编制家具等使用要求。

2.3.1 同跨高比不同软化处理方法的纵向抗弯强度的方差分析 根据跨高比为12、直径为8mm和10mm各处理的荆条纵向抗弯强度进行方差分析，结果表明，未处理荆条的抗弯强度与处理过的荆条的抗弯强度显著性F＜0.01，差异极显著。各处理间，尿素与水煮和碳酸氢钠的显著性F＜0.01，差异极显著；而尿素与乙二胺直径8mm的差异性F＞0.05，差异不显著，与直径10mm的差异性F＜0.01，差异极显著。

2.3.2 相同软化处理方法不同粗细的纵向抗弯强度的方差分析 根据跨高比为12的同种软化处理不同粗细荆条的纵向抗弯强度进行方差分析，结果表明，未处理荆条细的（直径8mm）与粗的（直径10 mm）二者的抗弯强度显著性F＜0.05，差异显著；而水煮、碳酸氢钠、乙二胺、尿素不同粗细的差异性F＞0.05，差异不显著。

综上所述，同跨高比前提下，纵向抗弯强度均值，未处理＞碳酸氢钠＞水煮＞乙二胺＞尿素，说明软化处理后荆条抗弯强度降低。未处理荆条的抗弯强度与处理后的荆条的抗弯强度差异显著。未处理不同粗细荆条的抗弯强度差异显著，细的（直径8 mm）的抗弯强度大于粗的（直径10mm）；相同处理不同粗细荆条的抗弯强度无显著差异。

2.4 同跨高比不同软化处理方法对荆条弹性模量的影响

抗弯弹性模量代表木材的弹性，即比例极限内抵抗弯曲变形的能力。抗弯弹摸越大，则越刚硬；反之，则比较柔曲。软化处理后，荆条的抗弯弹性模量降低。

由表1可知，直径8mm的抗弯弹性模量表明，弹性模量均值，未处理＞碳酸氢钠＞乙二胺＞水煮＞尿素。处理比未处理的弹性模量降低29.79%～40.24%。

由表1可知，直径10mm的抗弯弹性模量表明，弹性模量均值，未处理＞乙二胺＞碳酸氢钠＞水煮＞尿素。处理比未处理的弹性模量降低27.16%～40.35%。

软化处理后，荆条的抗弯弹性模量降低，经过处理的荆条弹性模量比未处理的降低27.16%～40.35%。同种处理方法下，除水煮条件下直径10 mm的弹性模量稍大于直径8mm的外，尿素、碳酸氢钠、乙二胺3种处理方法均是直径10mm的弹性模量小于直径8mm的弹性模量，说明同跨高比前提下，弹性模量随直径增大而减小，与最大弯曲挠度的结果一致。

2.4.1 同跨高比不同软化处理方法的弹性模量的方差分析 根据跨高比为12、直径为8mm和10 mm各处理的荆条弹性模量进行方差分析，结果表明，未处理荆条的弹性模量与处理过的荆条的弹性模量显著性F＜0.01，差异极显著。直径8mm的荆条，尿素与水煮的显著性F＞0.05，差异不显著；尿素与乙二胺、碳酸氢钠的显著性F＜0.05，差异显著。直径10mm的荆条，尿素与水煮的显著性F＜0.05，差异显著；尿素与碳酸氢钠和乙二胺的显著性F＜0.01，差异极显著。

2.4.2 相同软化处理方法不同粗细的弹性模量的方差分析 根据跨高比为12的同种软化处理不同粗细的荆条弹性模量进行方差分析，结果表明，未处理、水煮、碳酸氢钠、乙二胺、尿素处理5种情况下，细的（直径8mm）与粗的（直径10mm）的荆条弹性模量的显著性F＞0.05，差异均不显著。

综上所述，同跨高比前提下，直径为8mm的弹性模量均值，未处理＞碳酸氢钠＞乙二胺＞水煮＞尿素；直径为10mm的弹性模量均值，未处理＞乙二胺＞碳酸氢钠＞水煮＞尿素，说明软化处理后荆条弹性模量降低。未处理荆条的弹性模量与处理后的荆条的弹性模量差异显著；且尿素处理与乙二胺、碳酸氢钠、水煮处理的抗弯弹性模量差异显著，说明尿素处理的软化效果最佳。同种处理不同粗细的抗弯弹性模量随直径增大而减小，但二者无显著差异。

2.5 软化处理对纵向抗弯强度与抗弯弹性模量二者相关关系的影响

根据未处理荆条在含水率12%时的纵向抗弯强度和抗弯弹性模量［17］，发现二者之间存在线性相关性，并得出关系式：

EW=84.735σW+1 441.4（MPa），相关系数R2=0.605 6。

根据水煮处理荆条的纵向抗弯强度和抗弯弹性模量，得出关系式：

EW=68.243σW+2 086.6（MPa），相关系数R2=0.347 8。

根据10%碳酸氢钠处理荆条的纵向抗弯强度和抗弯弹性模量，得出关系式：

EW=65.059σW+23 824（MPa），相关系数R2=0.3531。

根据10%乙二胺处理荆条的纵向抗弯强度和抗弯弹性模量，得出关系式：

EW=71.411σW+2 503.2（MPa），相关系数R2=0.524 2。

根据10%尿素处理荆条的纵向抗弯强度和抗弯弹性模量，得出关系式：

EW=61.711σW+2 664.2（MPa），相关系数R2=0.281 5。

由相关系数看出，水煮、碳酸氢钠、乙二胺、尿素4种软化处理后纵向抗弯强度与抗弯弹性模量的相关性均降低。

3 结论与讨论

最大弯曲挠度表现为，尿素、水煮＞碳酸氢钠＞乙二胺＞未处理；未处理荆条的最大弯曲挠度与水煮、尿素处理的荆条的最大弯曲挠度差异显著；而水煮与尿素处理二者间无显著差异；相同处理不同粗细荆条的最大弯曲挠度差异显著，最大弯曲挠度随直径的增大而增大。

纵向抗弯强度表现为，未处理＞碳酸氢钠＞水煮＞乙二胺＞尿素；未处理荆条的抗弯强度与处理后的荆条的抗弯强度差异显著。未处理不同粗细荆条的纵向抗弯强度差异显著，细的（直径8mm）的抗弯强度大于粗的（直径10mm）；相同处理不同粗细荆条的纵向抗弯强度无显著差异。

抗弯弹性模量表现为，未处理＞乙二胺、碳酸氢钠＞水煮＞尿素；未处理荆条的弹性模量与处理后的荆条的弹性模量差异显著；尿素处理与水煮、碳酸氢钠、乙二胺处理的抗弯弹模差异显著，说明尿素处理的软化效果最佳；同种处理不同粗细的抗弯弹模无显著差异。

综合分析4种软化处理的弯曲挠度、抗弯弹性模量、抗弯强度，尿素处理方法抗弯弹性模量最小、弯曲挠度大，软化效果最佳。其次是荆条编织中采用的传统软化处理方法——水煮处理。

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