小径竹组织比例与力学性能的关联研究：以孝顺竹为例及其在建筑应用中的潜力

推荐：本研究针对小径竹（Bambusa multiplex）在建筑领域利用率低的问题，系统分析了其组织比例与力学性能的关联。结果表明，孝顺竹的拉伸强度（320.88 MPa）、弯曲模量（15.51 GPa）和压缩强度（62.66 MPa）均优于毛竹，纤维比例（35.16%）是力学性能的主要决定因素。该研究为小径竹在竹筋混凝土和结构梁等领域的应用提供了理论依据。

　　

在全球倡导可持续发展的背景下，竹材因其快速生长（3-5年可采伐）和优异力学性能，被视为木材的理想替代品。然而，目前建筑领域主要使用直径大于50 mm的大径竹（如毛竹Phyllostachys edulis），而直径小于50 mm的小径竹（如孝顺竹Bambusa multiplex）因缺乏系统研究，其应用多局限于装饰领域。这种资源错配不仅限制了竹材的多元化利用，也造成了小径竹的经济价值未被充分挖掘。

为评估小径竹的结构应用潜力，安徽农业大学的研究团队以华东地区广泛分布的孝顺竹为研究对象，首次系统揭示了其组织比例与力学性能的关联规律。研究发现，孝顺竹的拉伸强度高达320.88 MPa，是毛竹的2.26倍；弯曲模量达15.51 GPa，超出毛竹30%。这些突破性发现发表于农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》，为小径竹在承重结构的应用提供了颠覆性认知。

研究采用微波软化结合石蜡切片技术制备竹材显微样本，通过点计数法量化纤维（FB）、薄壁细胞（PC）和输导组织的体积占比。力学测试严格遵循LY/T 2564-2015等标准，采用WDW-100万能试验机完成压缩（加载速率1 mm/min）、弯曲（跨距160 mm）和扭转（扭矩20 N·mm/s^-1）实验，结合DIC数字图像相关技术捕捉拉伸应变场。电镜观测使用GeminiSEM 360分析断口形貌。

组织比例分析显示，孝顺竹薄壁细胞占比55.56%，纤维仅35.16%，但其力学性能却表现出反常优势。压缩性能测试中，试样呈现轴向劈裂（图6c）和局部屈曲（图6d）两种失效模式，平均强度达62.66 MPa。电镜观察到纤维屈曲和薄壁细胞撕裂（图6e,f），证实界面剪切是主要破坏机制。弯曲特性分析发现，壁厚与最大载荷呈显著正相关（R²=0.91），但平均弯曲强度64.71 MPa仍低于毛竹，这与其较低的纤维含量一致。

扭转性能测试中，试样出现纵向裂纹扩展（图8b,e），电镜下可见纤维滑移而薄壁细胞严重破坏（图8c,d）。拉伸性能的DIC分析显示，破坏前60%时段横向应变ε_xx已显著分化，而纵向应变ε_yy在80%时段才剧烈变化（图10），证实材料非均质性导致应变局部化。值得注意的是，孝顺竹拉伸强度（320.88 MPa）远超毛竹，但弹性模量（8.00 GPa）较低，这种"高强低模"特性使其特别适合需要韧性变形的应用场景。

通过相关性分析，研究发现所有力学性能与纤维比例呈强正相关（r=0.75-0.96），与薄壁细胞比例呈强负相关（r=-0.92至-0.72）。基于复合材料混合律推算，孝顺竹纤维的拉伸强度达761.71 MPa，但压缩强度（145.36 MPa）低于毛竹纤维，这种各向异性差异解释了宏观性能的分化。

该研究首次证实小径竹可通过优化纤维取向实现力学性能的跨越式提升。尽管壁厚限制其绝对承载能力，但优异的比强度（强度/密度）使其在竹筋混凝土、轻型结构等领域具有独特优势。作者建议通过制备竹基胶合木（Bamboo scrimber）等改性技术弥补其尺寸缺陷。这项研究不仅为竹材资源的高值化利用开辟新途径，也为生物质复合材料的仿生设计提供了重要参考。