結構用竹基復合材料制造與應用*

符其山 羅榮軍 程方怡

(?？诮洕鷮W院雅和人居工程學院 海口 571127)

隨著社會發(fā)展和時代的不斷改革創(chuàng)新,國內社會經濟和科學技術都保持著高速的發(fā)展,而在不同的創(chuàng)新科學技術當中,材料技術在其中具有比較強的代表性。近年來,伴隨著國民經濟水平的提升,人民群眾的經濟水平得到提升、物質需求得到滿足,他們對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域環(huán)保方面的要求。在這種情況下,結構用竹基復合材料就成為了其中一個很好的選擇,并且能夠在很大程度上促進國內建筑工程領域的可持續(xù)發(fā)展,這也是國內建筑工程領域的主要目標之一,需要給予高度關注和重視。筆者將針對結構用竹基復合材料制造關鍵技術與應用進行詳細闡述,并提出建設性的意見,希望對這項技術的發(fā)展起到一定的推廣作用。

1 竹質材料在建筑工程的應用

早在“十五”國家科技攻關計劃期間,科技部示范項目就基于建筑材料的基本特征對竹質材料進行重新設計,成功研制了竹基型材和板材。該項目還對竹結構進行建筑物設計,并以此為基礎建立生產線。除此之外,在“竹藤資源培育及高效利用產業(yè)化關鍵技術研究與示范”項目當中,還研制和開發(fā)了無甲醛竹材集成材料、柔性大幅面無紡布竹材裝飾板和相對應的材料防腐劑等等新型產品,這些產品和對應的技術,為新時期現代木結構建筑工程材料技術發(fā)展、材料應用打下了堅實的基礎。進行相關的研究和調查之后發(fā)現,竹材在國內外建筑工程當中進行了廣泛的運用,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用,在國內上海世博會當中,有13家場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用,竹材建筑結構的作用和價值已經得到了印證,竹材也開始作為一種被全民所公認的“綠色材料”、“環(huán)保材料”在世界范圍內得到了廣泛的關注[1]。

我國竹基建筑工程材料技術在歷史上曾處于世界領先地位,由于近代歷史的原因,國內目前竹材的利用率和生產效率并不是十分理想,導致行業(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竹材一次利用率較低,長期處于50%以下。一些小徑級別的竹材難以進行規(guī)?；睦?導致竹材資料的浪費情況相對明顯。再加上加工工藝難度高、產品質量要求比較高等因素目前竹質材料的生產效率比較低,這也在一定程度上阻礙了建筑用竹的發(fā)展。

竹材在建筑領域具有很好的作用和價值,在“竹藤資源培育及高效利用產業(yè)化關鍵技術研究與示范”項目研究工作的基礎之上,中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所繼續(xù)進行了研究,并且參與執(zhí)行了“863”計劃,其中研制的高強度竹基纖維復合材料制造技術得到了很好的發(fā)展。

國內的小徑竹、叢生竹和毛竹等產量豐富,該技術以這些為主要原料,采用高強度竹基纖維復合材料制造技術,開發(fā)出高強度的竹基纖維復合材料,從而使得竹質材料能夠滿足建筑工程的材料性能需求。這項技術的推廣對于我國建筑工程領域轉型與發(fā)展具有重要現實意義。

2 高強度竹基纖維復合材料研發(fā)的關鍵技術

結構用竹基復合材料制造技術并不是一項單一的技術,而是一種復合的關鍵技術,需要依據材料的不同選擇對應的制造關鍵技術,從而使得生產出來的結構用竹基復合材能夠滿足性能方面的要求和需求。主要應用到的結構用竹基復合材料制造技術如下:

2.1 竹青竹黃差速異步點裂微創(chuàng)技術

在竹質材料當中,之所以難以達到理想性能強度要求,其主要是竹青竹黃難以膠合[2]。針對這一現象和問題進行深入研究,得出的結論是由于竹材表層的蠟質層、硅質層以及竹腔壁的硅質層導致的。這也是導致竹資源沒能在建筑領域大量使用的直接原因,其中占比超過50%以上的小徑級竹材資源無法得到有效的規(guī)模化利用。

針對以上問題,我國開發(fā)了竹青竹黃差速異步點裂微創(chuàng)技術。林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所研制的疏解、浸膠裝置,可以通過點裂分離、線裂分裂和差速異步摩擦等方法,將竹材表面上的蠟質層和硅質層進行有效分離。在后續(xù)的施膠工序當中,可以運用粘膠劑滲透到竹纖維當中,使竹材在膠合過程中形成有效膠釘,大大提高膠合效果?？梢哉f,竹青竹黃差速異步點裂微創(chuàng)技術的應運而生,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裂微創(chuàng)技術的重要價值和作用[3]。除此之外,這項技術還開拓了竹材人造板在風能、運輸、建筑和戶外園林景觀等應用新領域,其中有的企業(yè)的產品已出口歐洲和北美,具有國際市場競爭力。本技術的推廣和實施,有力地推動和促進了竹產業(yè)的科技進步,確保我國竹產業(yè)的發(fā)展處于世界領先水平。

根據試驗數據及統(tǒng)計數據推算,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,本技術投產項目消耗竹材約51萬t,實現減排64.77萬t,增加竹農收入3億多元。本技術的推廣實施,可以有效緩解我國木材供需矛盾,減少碳排放,進一步保護生態(tài)環(huán)境[4]。

2.2 纖維原位可控分離技術

當竹材承受荷載時,其內部維管束可以發(fā)揮較強承受載荷的效果,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,竹基復合材料的力學性能與維管束的數量和強度具有強烈的直接聯(lián)系。在傳統(tǒng)的竹材復合材料制作過程中,采取傳統(tǒng)的竹片、竹束宏觀的單位結構難以取得很好效果,施膠過程中難以全面透徹,后續(xù)產出的竹材人造板耐久性不理想,力學性能表現一般。根據實驗數據顯示,其靜曲強度一般在85～155 MPa之間,超過165 MPa就是難以實現,對于整個行業(yè)的發(fā)展起到了比較強的限制作用和效果[5]。

我國研發(fā)的竹材纖維原位可控分離技術,正好可以有效解決這個問題。在實驗室中使用定向纖維氈疏解機進行切割、劈裂和擠壓等,將竹材原料分離成若干基本組織和2～4個維管束原位纖維。這一技術的開發(fā)利用很好地將原本竹材纖維分離過程中的強度降低問題得到解決,同時一定程度上改變了傳統(tǒng)人造板的基本單元結構,提升膠粘劑的滲透效果,產品強度得到顯著提升。該技術制造的高強度竹基復合材料竹基復合材料,其靜曲強度能夠達到360 MPa,材料強度比原材料大大提升。

2.3 纖維化竹單板的制造技術

原竹大多是圓形空心結構,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工作成本比較高,同時難以達到理想的生產效率。從傳統(tǒng)竹單板制造工藝自身的角度上來說,其主要是將竹材料經過剖分,后續(xù)再將剖分的竹條加工成單板,這一工藝流程相對復雜,生產效率和竹材的利用效率都難以達到理想水平[6]。

隨著竹材展平疏解機和竹束單板疏解機的投入使用,可以在不去除竹黃和竹青的情況下,將半圓的竹材經過展平和疏解,后續(xù)組成對應的纖維化單板,與傳統(tǒng)的竹材人造板相比,無論是產品的質量還是生產效率都得到了比較大的提升;同時更為重要的是,這項技術減少了以往的資源浪費現象和問題,對于竹材加工生產領域的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義和價值。

3 結構用竹基復合材料的具體應用

竹基纖維符合材料具有重要的價值和作用,在國內社會強調建筑工程綠色環(huán)保的前提和基礎之上,結構用竹基復合材料就變得更加地重要和必要,結構用竹基復合材料在國內建筑工程領域已經發(fā)揮出來了重要的價值和作用,具體應用如下:

3.1 高強度竹木復合建筑梁柱

隨著結構用竹基復合材料制造技術的推廣,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,制造出理想的結構用竹基復合材料。這些材料通過后續(xù)重組、加工,可以得到應用于建筑工程領域中的竹木復合梁柱,其靜曲強度能夠達到155 MPa以上,很好地滿足了現代建筑工程的要求和需求,其中國際竹藤網絡中心的安徽太平試驗中心機構建設工作中已經進行了應用[7]。受傳統(tǒng)木結構的啟發(fā),立柱和橫梁結構遵循與建造傳統(tǒng)木屋相同的原則。該結構由3個主要元素支撐:垂直柱、水平梁和交叉支撐,以對結構進行三角測量以實現穩(wěn)定性。在竹建筑中,圓形竹桿用于結構元素。然后用桁架支撐竹屋頂結構。該結構由5個主框架支撐,每個主框架由2個主柱、2個主梁和一個支撐傾斜屋頂的主柱桁架組成。此處添加了32個交叉支撐來支撐主體結構,并添加了8個對角支柱來支撐屋頂結構。

3.2 竹基復合工程建筑面板

采取竹基復合工程建筑面板可以有效地解決傳統(tǒng)建筑工程施工過程中存在的問題,將所述竹子經過取絲、干燥、碳化、浸膠、壓制、固化、脫模的生產工藝,形成竹材原料;將所述竹材原料經裁切、銑型、開孔、表面板處理的加工工藝[8],形成可直接應用于裝配式建筑的復合材料。目前以結構用竹基復合材料為基礎的建筑面板已經得到了應用,具有抗震抗風、自然健康、利于設計、冬暖夏涼、防潮防蟲等優(yōu)勢,解決了現有技術中的建筑物不綠色環(huán)保且抗震能力差的技術問題。從實驗數據上來看,竹基復合材料靜曲強度達到140 MPa以上,是樟子松的7倍左右;即在一個點受力的情況下竹基纖維復合材料能夠承載3～6 t。而傳統(tǒng)深碳化戶外重組竹地板一般在60 MPa左右,靜曲強度低于竹基纖維復合材料一半以上。并且經腐朽菌腐朽17周后,測得竹基纖維復合材料的質量損失率僅在3%～4% 之間,耐腐等級為Ⅰ級,達到了強耐腐水平?？拱紫佇阅苓_到耐蟻蛀級。除此之外,經霉菌感染4周后,試樣表面無菌絲獲感染面積小于30%,內部顏色顯示正常,受霉菌侵害平均值為0.16% ,防霉效力為93.7% 。

4 結論

綜上所述,在國內的材料技術領域和建筑工程領域,結構用竹基復合材料制造關鍵技術具有重要價值和作用。同時,目前國內社會強調建筑工程的綠色和環(huán)保,結構用竹基復合材料制造關鍵技術的重要性進一步提升。

技術層面和生產工藝方面要實現比較大的提升,需要在現有的關鍵技術基礎之上進一步優(yōu)化和完善,促使其發(fā)揮出對應的價值和作用,除此之外,還需要注重情感的專業(yè)人才資源的培養(yǎng),引導更多專業(yè)人才投入該領域工作中,促進技術的可持續(xù)發(fā)展。