1.1.5 竹子

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

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

從材料的角度來看，竹子是典型具有梯度結構的長纖維增強復合材料，其增強體——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(中部或基體系統(tǒng))逐漸散開，而其內層(竹黃部分或髓環(huán))變成另一種細密結構，竹子的顯微結構如圖1-6所示。

圖1-6 竹壁結構

相關研究表明，竹子不同部位拉伸強度與維管束體積分數(shù)的關系可用纖維增強復合材料的混合定律來解釋，如式(1-1)。

壓力差維管束體積分數(shù)大的地方強度高，因此，徑向不同厚度位置由于纖維體積分數(shù)不同，導致相應的抗拉強度也呈梯度變化[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構。木材由外向內依次是周皮、韌皮部、形成層、木質部和髓部。樹干的基部粗、上部細，呈圓纖維狀。樹木增粗時由形成層向外分化韌皮部細胞，向內分化為木質部，在橫切面上出現(xiàn)一個完整的結構，稱為生長輪，也稱為年輪。樹木的年輪是以圓錐套狀一層層的向內增加(以髓為中心)。木材細胞壁是木材年輪結構的物質基礎，也是木材具有一定強度的基礎。研究表明，木材以髓心為中心，至12~13個生長輪，生長輪的寬度逐漸減少，以后大致一定；而且從髓心到樹皮，管胞和木纖維的長度逐漸增長；木材密度也逐漸增加。作為木材年輪結構基礎的纖維細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，細觀結構非常精妙。木材纖維細胞壁的這種精細結構和整體的年輪狀結構，使木材具有優(yōu)異的力學性能[4~5]。