竹子开裂的综合研究：开裂过程及影响因素探索

《Industrial Crops and Products》：A comprehensive study on bamboo cracking: Exploration of the cracking process and factors influencing cracking

　　

描述了竹子双相结构（dual-phase structure）内裂纹扩展的完整演化过程。系统研究了直径（diameter）、高度（height）、竹节（node）和沟槽（groove）对竹子开裂的潜在机制。建立了竹子干燥过程中开裂行为的预期框架。

竹子作为一种快速生长、高机械强度、环境可持续且易于改性的材料，在建筑、家具和日用品等领域展现出巨大潜力。然而，其固有的结构缺陷，尤其是开裂问题，严重制约了竹材产业的进一步发展。外部因素如应力施加和环境湿度变化可诱发开裂，但竹材自身的内在结构才是开裂的根本原因。当前，对竹材内部裂纹扩展路径及机制的认识仍不充分，且直径、高度、竹节和沟槽等关键因素对抗裂性能的影响尚不明确。为此，研究人员聚焦于竹材开裂过程，通过动态裂纹成像技术记录开裂行为，系统分析了裂纹在双相结构（dual-phase structure）中的完整传播序列，并阐明了直径、高度、竹节和沟槽影响开裂的内在机制。该研究为双相结构材料的防裂研究提供了理论参考，论文发表在《Industrial Crops and Products》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：从浙江安吉永裕竹业有限公司获取6年生毛竹（Phyllostachys edulis (Carr) H. de Lebaie）样本，经90天风干后，在105℃烘箱中进行加速干燥开裂试验，每30分钟记录裂纹状态；利用Image-Pro Plus 6.0（IPP）软件测量裂纹数据，包括轴向裂纹长度、径向裂纹长度和首次开裂时间；采用单因素方差分析（ANOVA）和事后检验（Tukey’s HSD或Games-Howell）进行统计比较；使用宏观镜头（Baiwei Pro）分析双相结构在开裂过程中的行为。

**3.1 竹子裂纹的产生与传播路径**
通过动态裂纹成像研究发现，竹材干燥过程中裂纹均起源于竹青（bamboo green）并向竹黄（bamboo culm）内部扩展。在裂纹早期，遇到维管束组织（vascular bundle tissue）时会发生偏转、停顿或穿透，呈现出三种响应模式：模式1为裂纹显著偏转，绕过维管束组织，完全在薄壁组织（parenchyma tissue）中扩展；模式2为裂纹部分偏转但穿透维管束组织，导致其内部开裂；模式3为裂纹因内部应力不足而终止。裂纹路径主要集中于薄壁组织，且远离维管束时裂纹快速直线扩展，靠近时则缓慢弯曲。维管束因其坚固结构起到减缓裂纹扩展的作用，而薄壁组织结构较弱，易开裂。裂纹在必须穿过维管束时，倾向于通过其内部薄弱区域。

**3.2 竹材直径对开裂的影响**
随着直径增加，总裂纹数先增后减，其中宽度大于0.5mm的裂纹减少，小于0.5mm的增多。10cm直径组平均裂纹数最低（6条），比平均值低53.94%。首次开裂时间随直径增大呈增加趋势，10cm组平均开裂时间最晚（4.6±1.1h）。裂纹扩展度（degree of crack propagation）在直径10cm前随直径增大而降低，之后上升，表明10cm直径竹材抗裂性最优。在轴向和径向方向上，4cm、6cm、8cm组均出现完全开裂，而10cm和12cm组轴向开裂程度低。单因素方差分析显示组间轴向裂纹长度差异极显著（Welch’s ANOVA, p<0.0001），10cm组轴向裂纹长度最小。壁厚测量表明，10cm直径竹材壁厚显著增加（比4cm组增加108.77%），这是其抗裂性增强的主要原因。直径继续增大后壁厚增速放缓，裂纹扩展度逐渐回升。

**3.3 竹材高度对开裂的影响**
当竹环高度超过4cm时，各组总裂纹数维持在4-6条，首次开裂时间差异不大，说明高度对裂纹数量和初始时间影响较小。但裂纹开口尺寸表明，较低高度竹材开裂程度更高。裂纹扩展过程显示，随高度增加，裂纹发展速率降低，因为高度增大需要更大应力驱动裂纹扩展。轴向裂纹长度先随高度增加而增加，随后在12cm处下降20.65%，表明高度超过一定值后抑制轴向裂纹扩展。径向裂纹方面，4cm至10cm组均完全径向开裂，而12cm组仅达到44.43%的径向开裂度，说明高度增加可降低开裂程度。2cm组未出现裂纹，可能因环高较低利于水分快速平衡，减少开裂应力。

**3.4 竹节对开裂的影响**
竹节（bamboo node）是竹秆上规律出现的环状突起，具有增强结构的作用。研究设置无节组（WN）、单节侧位组（SN/NSN）、双节组（DN）、延伸双节组（EN）和中心节组（CN）。裂纹数量按WN、NSN、EN、CN、SN、DN顺序递减，表明竹节可减少裂纹数。首次开裂时间受节点与横截面距离影响较小。裂纹扩展度显示，WN和NSN更易形成主裂纹，而其他组仅出现局部开裂。单因素方差分析显示组间轴向和径向开裂度差异极显著（Welch’s ANOVA, p<0.001）。与WN相比，NSN、EN、CN、SN的轴向开裂度分别降低7.81%、80.84%、64.28%和20.57%，径向开裂度分别降低18.27%、91.57%、89.15%和87.74%。这表明竹节对开裂的影响主要取决于节点与横截面的距离，而非节点数量。竹节通过提供局部壁厚增厚、增强结构韧性、阻止裂纹穿越等机制抑制开裂。节点越靠近横截面，其抑制效果越强。

**3.5 竹材沟槽结构对开裂的影响**
沟槽（groove）是竹材常见形态特征，多见于直径12cm以下竹秆，其最外缘局部壁厚增厚以增强抗弯性。裂纹概率分析表明，沟槽区域每10cm周长上的平均裂纹数比非沟槽区域高87.44%，首次开裂时间平均提前42.95%，且裂纹扩展度更高，沟槽区域裂纹更易导致竹壁完全断裂。沟槽区域轴向裂纹长度平均比非沟槽区域短5.97%，径向裂纹长度短1.01%，说明沟槽对最终裂纹长度影响不显著，但显著增加裂纹发生概率。小直径沟槽竹材在沟槽区域易产生大裂纹，随直径增大，大裂纹逐渐转向非沟槽区域。沟槽破坏了竹材的圆形结构，导致应力集中，成为易开裂区域。沟槽长度占直径比例与轴向开裂程度相关。此外，竹材初始含水率17.38%，在7小时达到绝干，开裂起始时间与快速失水期接近，表明水分丧失诱导开裂。

**4. 结论**
在本研究中，研究人员系统记录了竹材裂纹发展的完整过程，并研究了直径、高度、竹节和沟槽四个关键因素对开裂程度的影响。结果表明，竹材开裂起源于竹青，并向竹黄扩展。维管束组织是裂纹偏转的主要原因。竹材直径的增加可以减少大裂纹的发生。同时，竹材高度的增加有效增强了其抗裂性。竹节显著降低了裂纹生长，且横截面与节点距离越近，裂纹发展越弱。沟槽结构是竹材中易开裂的区域。本研究总结了竹材的开裂模式，并分析了多种因素对裂纹形成的影响，为双相结构材料的防裂研究提供了理论参考。