1.1.5 竹子

竹子是自然界存在的一種典型的、具有良好力學(xué)性能的生物體，強(qiáng)度高、彈性好、性能穩(wěn)定，而且密度小(只有0.6~1.2 g/cm3)，被廣泛應(yīng)用于建筑工程。竹子良好的力學(xué)性能來(lái)自其獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)，特別是竹壁結(jié)構(gòu)。

從竹壁內(nèi)可以分辨出多種不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞，但是從力學(xué)角度來(lái)考慮，這些細(xì)胞可以分為兩大類: 第一類是基本組織細(xì)胞，在顯微鏡下呈圓形薄壁結(jié)構(gòu)，起著傳遞載荷的作用；第二類是以維管束為主體的厚壁細(xì)胞，這類細(xì)胞被基本組織細(xì)胞包圍著，起著承載的作用。

從材料的角度來(lái)看，竹子是典型具有梯度結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其增強(qiáng)體——維管束的分布是不均勻的，竹青部分或表層系統(tǒng)致密，體內(nèi)(中部或基體系統(tǒng))逐漸散開(kāi)，而其內(nèi)層(竹黃部分或髓環(huán))變成另一種細(xì)密結(jié)構(gòu)，竹子的顯微結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。

圖1-6 竹壁結(jié)構(gòu)

相關(guān)研究表明，竹子不同部位拉伸強(qiáng)度與維管束體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系可用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的混合定律來(lái)解釋，如式(1-1)。

壓力差維管束體積分?jǐn)?shù)大的地方強(qiáng)度高，因此，徑向不同厚度位置由于纖維體積分?jǐn)?shù)不同，導(dǎo)致相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度也呈梯度變化[16~20]。

其他天然材料，如木頭等，也表現(xiàn)出類似的梯度分布結(jié)構(gòu)。木材由外向內(nèi)依次是周皮、韌皮部、形成層、木質(zhì)部和髓部。樹(shù)干的基部粗、上部細(xì)，呈圓纖維狀。樹(shù)木增粗時(shí)由形成層向外分化韌皮部細(xì)胞，向內(nèi)分化為木質(zhì)部，在橫切面上出現(xiàn)一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，稱為生長(zhǎng)輪，也稱為年輪。樹(shù)木的年輪是以圓錐套狀一層層的向內(nèi)增加(以髓為中心)。木材細(xì)胞壁是木材年輪結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是木材具有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)。研究表明，木材以髓心為中心，至12~13個(gè)生長(zhǎng)輪，生長(zhǎng)輪的寬度逐漸減少，以后大致一定；而且從髓心到樹(shù)皮，管胞和木纖維的長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)；木材密度也逐漸增加。作為木材年輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的纖維細(xì)胞壁中的纖維分子聚合成束狀，稱為微纖絲。在微纖絲之間填充著半纖維素和木素，細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常精妙。木材纖維細(xì)胞壁的這種精細(xì)結(jié)構(gòu)和整體的年輪狀結(jié)構(gòu)，使木材具有優(yōu)異的力學(xué)性能[4~5]。