探究竹子的建材特性

探究竹子的建材特性组员:杨丛懋杨庆杰于浩孟海青每一届世博会都是建筑的“群英会”。上海世博会上走一遭，我们时时刻刻都能眼前一亮，在其中我们小组特别关注了两个建筑。一个是上海世博园内最小的展馆——“德中同行之家”展馆，这是一座覆膜全竹结构的二层环保建筑。另一个就是超过4000平方米的印度馆，也主要采用竹结构完成。印度馆高18米，大型圆形穹顶单跨度达36米，仅穹顶和大梁就用掉40吨竹子。因此，我们小组讨论了竹子在当今建筑中的用途。通过查资料我们找到了竹子的一些性质：竹是多年生木质化植物，具地上茎（竹杆）和地下茎（竹鞭）。竹杆常为圆筒形，极少为四角形，由节间和节连接而成，节间常中空，少数实心，节由箨环和杆环构成。每节上分枝。叶有两种，一为茎生叶，俗称箨叶；另一为营养叶，披针形，大小随品种而异。竹花由鳞被、雄蕊和雌蕊组成。果实多为颖果。竹类的一生中，大部分时间为营养生长阶段，一旦开花结实后全部株丛即枯死而完成一个生活周期。竹类大都喜温暖湿润的气候，福州森林公园的竹子一般年平均温度为12C～22C，年降水量1000毫米～2000毫米。竹子对水分的要求，高于对气温和土壤的要求，既要有充足的水分，又要排水良好散生竹类的适应性，强于丛生竹类。由于散生竹类基本上是春季出笋，入冬前新竹已充分木质化，所以对干旱和寒冷等不良气候条件，有较强的适应能力，对土壤的要求也低于丛生竹和混生竹。丛生、混生竹类地下茎入土较浅，出笋期在夏、秋，新竹当年不能充分木质化，经不起寒冷和干旱，故北方一般生长受到限制，他们对土壤的要求也高于散生竹。竹材的力学性质是竹材抵抗外力作用的性能。包括抗拉强度、抗压强度、静曲强度和抗剪、硬度、抗冲击性能等。竹材的抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度比木材约高于10%左右。钢材的抗拉强度虽为竹材的2.5~3.0倍，但钢材的密度为竹材的1.0倍左右，因此，竹材的比强度为钢材比强度的3~4倍。此外竹材还具有很好的弹性和较好的柔软性。竹材的强度是由竹材自身的解剖结构决定的。我们们知道竹材主要由具有厚壁细胞的维管束和薄壁细胞组成的基本组织所构成，所以维管束的多少及其分布是影响竹材强度的主要因素。由于在竹材的高度方向，维管束密集度由下而上逐渐增大;在竹壁厚度方向，维管束密集度由外而内逐渐减小。所以，在同一竹秆上上，上部比下部的力学强度大;竹壁外侧比内侧的力学强度大。竹材节间的维管束互相平行，而节部的维管束分布呈弯曲交错状态，因此节间的抗拉强度比节部高25%左右，但对抗压强度的影响不大。竹子在生长期，随着竹龄的增加，其木质化程度逐步提高，这无疑将增加竹材的强度，所以竹龄与竹材强度关系密切。、竹材的强度对竹材的加工利用至关重要，故采伐时必须选择好适合的竹龄。一般2年以下的幼竹强度较低，其后力学强度逐年提高，5~8年生竹材的力学强度息定在较高水平，9~10年及以上竹龄的竹材，由于纤维老化发脆，力学强度会有所降低。不同竹种、不同地区的竹材其力学强度与竹龄的关系虽有一些差异，但基本趋势是一致的。因此，竹子可以代替钢筋做为受拉构件从而降少钢筋的的用量，并对建筑的总体承重没有任何的影响。在潮湿的环境中氧化反应是钢筋混凝土的一大克星，但是经过处理过的竹子反而因为吸水可以增加抗拉强度。竹子不仅可以少量的代替钢筋作为受拉构件，而且可以竹子的外部纤维可以在加入混凝土作为纤维混凝土。壁厚度方向，维管束密集度由外而内逐渐减小，因此竹子的最外部的纤维具有最大的抗拉性。将竹子的外部纤维分成丝加入混凝土中可以大幅度的增加混凝土的抗拉强度。最近地震经常发生但竹结构的韧性好，抗震性能好，即使在强烈地震下结构整体出现变形，也不会散架或垮塌。因为竹子的纤维细胞中可以储存一部分的空气，因此竹子同时可以增加室内的保温性。建材需求和应用领域不断扩大，主要建材产品产量急剧增长，能源消耗总量亦相应增加。根据中国建材协会信息部提供的数据，规模以上建材工业企业的总能耗由2000年的O.996亿吨标煤增长到2005年的1.55亿吨标煤(注：该能耗数据以电热当量计算法计算，若以发电煤耗计算法计算，则2000年、2005年能耗总量分别为1.18亿吨标煤和1.92亿吨标煤)，占2005年全国能源消耗总量的7.0%。另据国家统计局2004年全国经济普查资料，2004年建材规模以下企业共14万家。耗能4751万吨标煤(注：以电热当量计算法计算)。2005年建材工业总能耗若计及建材规模以下企业能源消耗则约为2.03亿吨标煤(注：以发电煤耗计算法计算则为2.46亿吨标煤)；原煤和电力消耗折合标准煤占建材能耗总量的87.01%，构成建材工业的主要能源。但是竹子常绿、生长速度快、可再生，已经在诸多领域代替木材及其它高能耗原材料，被誉为“植物钢筋”。据统计，70公顷的竹林每年能够提供建造1000栋原竹结构房屋所需竹材。但如果这些房屋采用天然木材做原料，将毁掉600公顷的原始森林。同时能够减少大量的能耗。并且可以减少大量的建筑垃圾，从而为可持续发展做出贡献。竹子的多种优良特性表明，它有很大的潜质作为未来建筑材料。我们相信在未来的建筑中我们可以看会看到竹子的身影，它将会在未来的建筑中发挥重要的作用。