結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造與應(yīng)用*

符其山 羅榮軍 程方怡

(海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院雅和人居工程學(xué)院 海口 571127)

隨著社會(huì)發(fā)展和時(shí)代的不斷改革創(chuàng)新,國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)都保持著高速的發(fā)展,而在不同的創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)當(dāng)中,材料技術(shù)在其中具有比較強(qiáng)的代表性。近年來(lái),伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升,人民群眾的經(jīng)濟(jì)水平得到提升、物質(zhì)需求得到滿足,他們對(duì)于日常生活和工作中不同方面的要求都具有顯著的提升,其中自然也包含建筑工程領(lǐng)域環(huán)保方面的要求。在這種情況下,結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料就成為了其中一個(gè)很好的選擇,并且能夠在很大程度上促進(jìn)國(guó)內(nèi)建筑工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展,這也是國(guó)內(nèi)建筑工程領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一,需要給予高度關(guān)注和重視。筆者將針對(duì)結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述,并提出建設(shè)性的意見(jiàn),希望對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展起到一定的推廣作用。

1 竹質(zhì)材料在建筑工程的應(yīng)用

早在“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃期間,科技部示范項(xiàng)目就基于建筑材料的基本特征對(duì)竹質(zhì)材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì),成功研制了竹基型材和板材。該項(xiàng)目還對(duì)竹結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑物設(shè)計(jì),并以此為基礎(chǔ)建立生產(chǎn)線。除此之外,在“竹藤資源培育及高效利用產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目當(dāng)中,還研制和開發(fā)了無(wú)甲醛竹材集成材料、柔性大幅面無(wú)紡布竹材裝飾板和相對(duì)應(yīng)的材料防腐劑等等新型產(chǎn)品,這些產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)的技術(shù),為新時(shí)期現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑工程材料技術(shù)發(fā)展、材料應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。進(jìn)行相關(guān)的研究和調(diào)查之后發(fā)現(xiàn),竹材在國(guó)內(nèi)外建筑工程當(dāng)中進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用,在梁柱、地板、樓梯、屋面材料、墻體材料等等多方面都具有廣泛的運(yùn)用,在國(guó)內(nèi)上海世博會(huì)當(dāng)中,有13家場(chǎng)館使用了廣泛而全面的竹材元素,并且伴隨著竹材在建筑工程中的應(yīng)用,竹材建筑結(jié)構(gòu)的作用和價(jià)值已經(jīng)得到了印證,竹材也開始作為一種被全民所公認(rèn)的“綠色材料”、“環(huán)保材料”在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注[1]。

我國(guó)竹基建筑工程材料技術(shù)在歷史上曾處于世界領(lǐng)先地位,由于近代歷史的原因,國(guó)內(nèi)目前竹材的利用率和生產(chǎn)效率并不是十分理想,導(dǎo)致行業(yè)的整體發(fā)展受到了不小的限制和制約。以毛竹為主的大徑級(jí)竹材一次利用率較低,長(zhǎng)期處于50%以下。一些小徑級(jí)別的竹材難以進(jìn)行規(guī)模化的利用,導(dǎo)致竹材資料的浪費(fèi)情況相對(duì)明顯。再加上加工工藝難度高、產(chǎn)品質(zhì)量要求比較高等因素目前竹質(zhì)材料的生產(chǎn)效率比較低,這也在一定程度上阻礙了建筑用竹的發(fā)展。

竹材在建筑領(lǐng)域具有很好的作用和價(jià)值,在“竹藤資源培育及高效利用產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目研究工作的基礎(chǔ)之上,中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所繼續(xù)進(jìn)行了研究,并且參與執(zhí)行了“863”計(jì)劃,其中研制的高強(qiáng)度竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù)得到了很好的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)的小徑竹、叢生竹和毛竹等產(chǎn)量豐富,該技術(shù)以這些為主要原料,采用高強(qiáng)度竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù),開發(fā)出高強(qiáng)度的竹基纖維復(fù)合材料,從而使得竹質(zhì)材料能夠滿足建筑工程的材料性能需求。這項(xiàng)技術(shù)的推廣對(duì)于我國(guó)建筑工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)型與發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 高強(qiáng)度竹基纖維復(fù)合材料研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造技術(shù)并不是一項(xiàng)單一的技術(shù),而是一種復(fù)合的關(guān)鍵技術(shù),需要依據(jù)材料的不同選擇對(duì)應(yīng)的制造關(guān)鍵技術(shù),從而使得生產(chǎn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材能夠滿足性能方面的要求和需求。主要應(yīng)用到的結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造技術(shù)如下:

2.1 竹青竹黃差速異步點(diǎn)裂微創(chuàng)技術(shù)

在竹質(zhì)材料當(dāng)中,之所以難以達(dá)到理想性能強(qiáng)度要求,其主要是竹青竹黃難以膠合[2]。針對(duì)這一現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)行深入研究,得出的結(jié)論是由于竹材表層的蠟質(zhì)層、硅質(zhì)層以及竹腔壁的硅質(zhì)層導(dǎo)致的。這也是導(dǎo)致竹資源沒(méi)能在建筑領(lǐng)域大量使用的直接原因,其中占比超過(guò)50%以上的小徑級(jí)竹材資源無(wú)法得到有效的規(guī)模化利用。

針對(duì)以上問(wèn)題,我國(guó)開發(fā)了竹青竹黃差速異步點(diǎn)裂微創(chuàng)技術(shù)。林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所研制的疏解、浸膠裝置,可以通過(guò)點(diǎn)裂分離、線裂分裂和差速異步摩擦等方法,將竹材表面上的蠟質(zhì)層和硅質(zhì)層進(jìn)行有效分離。在后續(xù)的施膠工序當(dāng)中,可以運(yùn)用粘膠劑滲透到竹纖維當(dāng)中,使竹材在膠合過(guò)程中形成有效膠釘,大大提高膠合效果。可以說(shuō),竹青竹黃差速異步點(diǎn)裂微創(chuàng)技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生,突破了原有竹材人造板必須要取出竹青竹黃的歷史,使得大徑竹材的利用率達(dá)到了90%以上,小徑竹材的利用率也得到了顯著的提升,從中能夠看出竹青竹黃差速異步點(diǎn)裂微創(chuàng)技術(shù)的重要價(jià)值和作用[3]。除此之外,這項(xiàng)技術(shù)還開拓了竹材人造板在風(fēng)能、運(yùn)輸、建筑和戶外園林景觀等應(yīng)用新領(lǐng)域,其中有的企業(yè)的產(chǎn)品已出口歐洲和北美,具有國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本技術(shù)的推廣和實(shí)施,有力地推動(dòng)和促進(jìn)了竹產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步,確保我國(guó)竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推算,建筑材料每投入1 t竹材可以減少2.8畝森林砍伐,減少1.27 t二氧化碳排放。2021年,本技術(shù)投產(chǎn)項(xiàng)目消耗竹材約51萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)減排64.77萬(wàn)t,增加竹農(nóng)收入3億多元。本技術(shù)的推廣實(shí)施,可以有效緩解我國(guó)木材供需矛盾,減少碳排放,進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境[4]。

2.2 纖維原位可控分離技術(shù)

當(dāng)竹材承受荷載時(shí),其內(nèi)部維管束可以發(fā)揮較強(qiáng)承受載荷的效果,其中,竹材基本組織具有良好的傳遞載荷作用,從這一形式中也可以發(fā)現(xiàn),竹基復(fù)合材料的力學(xué)性能與維管束的數(shù)量和強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的直接聯(lián)系。在傳統(tǒng)的竹材復(fù)合材料制作過(guò)程中,采取傳統(tǒng)的竹片、竹束宏觀的單位結(jié)構(gòu)難以取得很好效果,施膠過(guò)程中難以全面透徹,后續(xù)產(chǎn)出的竹材人造板耐久性不理想,力學(xué)性能表現(xiàn)一般。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,其靜曲強(qiáng)度一般在85～155 MPa之間,超過(guò)165 MPa就是難以實(shí)現(xiàn),對(duì)于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展起到了比較強(qiáng)的限制作用和效果[5]。

我國(guó)研發(fā)的竹材纖維原位可控分離技術(shù),正好可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室中使用定向纖維氈疏解機(jī)進(jìn)行切割、劈裂和擠壓等,將竹材原料分離成若干基本組織和2～4個(gè)維管束原位纖維。這一技術(shù)的開發(fā)利用很好地將原本竹材纖維分離過(guò)程中的強(qiáng)度降低問(wèn)題得到解決,同時(shí)一定程度上改變了傳統(tǒng)人造板的基本單元結(jié)構(gòu),提升膠粘劑的滲透效果,產(chǎn)品強(qiáng)度得到顯著提升。該技術(shù)制造的高強(qiáng)度竹基復(fù)合材料竹基復(fù)合材料,其靜曲強(qiáng)度能夠達(dá)到360 MPa,材料強(qiáng)度比原材料大大提升。

2.3 纖維化竹單板的制造技術(shù)

原竹大多是圓形空心結(jié)構(gòu),而建筑工程材料需求較多的是竹單板材料,而傳統(tǒng)的竹旋切單板的生產(chǎn)工作成本比較高,同時(shí)難以達(dá)到理想的生產(chǎn)效率。從傳統(tǒng)竹單板制造工藝自身的角度上來(lái)說(shuō),其主要是將竹材料經(jīng)過(guò)剖分,后續(xù)再將剖分的竹條加工成單板,這一工藝流程相對(duì)復(fù)雜,生產(chǎn)效率和竹材的利用效率都難以達(dá)到理想水平[6]。

隨著竹材展平疏解機(jī)和竹束單板疏解機(jī)的投入使用,可以在不去除竹黃和竹青的情況下,將半圓的竹材經(jīng)過(guò)展平和疏解,后續(xù)組成對(duì)應(yīng)的纖維化單板,與傳統(tǒng)的竹材人造板相比,無(wú)論是產(chǎn)品的質(zhì)量還是生產(chǎn)效率都得到了比較大的提升;同時(shí)更為重要的是,這項(xiàng)技術(shù)減少了以往的資源浪費(fèi)現(xiàn)象和問(wèn)題,對(duì)于竹材加工生產(chǎn)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義和價(jià)值。

3 結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料的具體應(yīng)用

竹基纖維符合材料具有重要的價(jià)值和作用,在國(guó)內(nèi)社會(huì)強(qiáng)調(diào)建筑工程綠色環(huán)保的前提和基礎(chǔ)之上,結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料就變得更加地重要和必要,結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮出來(lái)了重要的價(jià)值和作用,具體應(yīng)用如下:

3.1 高強(qiáng)度竹木復(fù)合建筑梁柱

隨著結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造技術(shù)的推廣,可以使用小徑竹和速生木材為主要原料,采取超厚單板旋切技術(shù),制造出理想的結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料。這些材料通過(guò)后續(xù)重組、加工,可以得到應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域中的竹木復(fù)合梁柱,其靜曲強(qiáng)度能夠達(dá)到155 MPa以上,很好地滿足了現(xiàn)代建筑工程的要求和需求,其中國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心的安徽太平試驗(yàn)中心機(jī)構(gòu)建設(shè)工作中已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用[7]。受傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的啟發(fā),立柱和橫梁結(jié)構(gòu)遵循與建造傳統(tǒng)木屋相同的原則。該結(jié)構(gòu)由3個(gè)主要元素支撐:垂直柱、水平梁和交叉支撐,以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三角測(cè)量以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。在竹建筑中,圓形竹桿用于結(jié)構(gòu)元素。然后用桁架支撐竹屋頂結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由5個(gè)主框架支撐,每個(gè)主框架由2個(gè)主柱、2個(gè)主梁和一個(gè)支撐傾斜屋頂?shù)闹髦旒芙M成。此處添加了32個(gè)交叉支撐來(lái)支撐主體結(jié)構(gòu),并添加了8個(gè)對(duì)角支柱來(lái)支撐屋頂結(jié)構(gòu)。

3.2 竹基復(fù)合工程建筑面板

采取竹基復(fù)合工程建筑面板可以有效地解決傳統(tǒng)建筑工程施工過(guò)程中存在的問(wèn)題,將所述竹子經(jīng)過(guò)取絲、干燥、碳化、浸膠、壓制、固化、脫模的生產(chǎn)工藝,形成竹材原料;將所述竹材原料經(jīng)裁切、銑型、開孔、表面板處理的加工工藝[8],形成可直接應(yīng)用于裝配式建筑的復(fù)合材料。目前以結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料為基礎(chǔ)的建筑面板已經(jīng)得到了應(yīng)用,具有抗震抗風(fēng)、自然健康、利于設(shè)計(jì)、冬暖夏涼、防潮防蟲等優(yōu)勢(shì),解決了現(xiàn)有技術(shù)中的建筑物不綠色環(huán)保且抗震能力差的技術(shù)問(wèn)題。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上來(lái)看,竹基復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度達(dá)到140 MPa以上,是樟子松的7倍左右;即在一個(gè)點(diǎn)受力的情況下竹基纖維復(fù)合材料能夠承載3～6 t。而傳統(tǒng)深碳化戶外重組竹地板一般在60 MPa左右,靜曲強(qiáng)度低于竹基纖維復(fù)合材料一半以上。并且經(jīng)腐朽菌腐朽17周后,測(cè)得竹基纖維復(fù)合材料的質(zhì)量損失率僅在3%～4% 之間,耐腐等級(jí)為Ⅰ級(jí),達(dá)到了強(qiáng)耐腐水平。抗白蟻性能達(dá)到耐蟻蛀級(jí)。除此之外,經(jīng)霉菌感染4周后,試樣表面無(wú)菌絲獲感染面積小于30%,內(nèi)部顏色顯示正常,受霉菌侵害平均值為0.16% ,防霉效力為93.7% 。

4 結(jié)論

綜上所述,在國(guó)內(nèi)的材料技術(shù)領(lǐng)域和建筑工程領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)具有重要價(jià)值和作用。同時(shí),目前國(guó)內(nèi)社會(huì)強(qiáng)調(diào)建筑工程的綠色和環(huán)保,結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)的重要性進(jìn)一步提升。

技術(shù)層面和生產(chǎn)工藝方面要實(shí)現(xiàn)比較大的提升,需要在現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)一步優(yōu)化和完善,促使其發(fā)揮出對(duì)應(yīng)的價(jià)值和作用,除此之外,還需要注重情感的專業(yè)人才資源的培養(yǎng),引導(dǎo)更多專業(yè)人才投入該領(lǐng)域工作中,促進(jìn)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。