基于竹材力学性能及其在土木工程中应用的研究进展

时延昭（中南大学土木工程学院，湖南长沙410010）

基于竹材力学性能及其在土木工程中应用的研究进展

时延昭（中南大学土木工程学院，湖南长沙410010）

竹材具有成材效率高和材性优良的优势，其在我国具有丰富的资源，是当前建筑材料中使用广泛的绿色优质材料。随着建筑领域越加重视对环境的保护以及发展维持，在土木工程中引用新型绿色环保是必然的。本文主要对竹材的三个方面进行研究：①竹材的力学性能；②原竹的应用；③工程竹的应用研究，总结了其在土木工程中的应用，并提出其中所需重视的技术要点，以在土木工程中，推动绿色竹材的应用范围。

竹材力学性能；土木工程；研究进展

我国森林面积较广，而竹子是其中最主要的一项资源，而竹类植物在全世界大约有107种属性，高达1350多种，而我国所拥有十分丰富的竹类资源，据统计大约有40多种属性，差不多550多种。总的来说，竹子与普通钢材和木材进行对比具有一定优势：①弹性好；②性能稳定；③强度高；④密度小等，因而被大量用于土木工程中。

1 竹材的力学性能

竹材由于其部位的不同，以及含水率和竹龄的差异都具有不相同的性能。竹子的组成部分主要包含两点：①纤维后壁细胞，也是维管束；②纤维薄壁细胞，即基体。排列整齐的维管束具有最大作用的竹材力学性能，其竹材的高刚度和高强度也是因为它的贡献。竹材由于部位的不同，其形状、纤维含量、细胞形状和大小都是不同的。经过研究证明，竹杆上部分的力学强度高于下部分，竹壁内侧的力学强度低于竹壁外侧。同时，竹材的力学性能随着竹龄的增加会有所提升，但在到达一定程度，即竹杆开始老化并变脆时，会逐渐下降强度。

竹材的抗剪强度、抗压和弹性等方面力学性能会因为含水率的多少而产生差异。新鲜竹材的力学性能会低于气干后，但在竹材干到一定程度时，其质量也会因为变脆而降低力学性能。相关研究发现，当竹材在具有30%以内的含水率时，其原竹会很快下降力学性能。当大于30%含水率时，原竹力学性能并未发生特别反应。

目前，在研究竹材力学模型和测定方法时，都需要对竹材的径向、顺纹和弹性等予以关注，较少关注三维受力的性能，并缺乏相关的研究定论和试验。同时，原竹受弯和受损等受力情况，大多是因为弦向劈裂而产生的，但至今还没有实际的破坏准则。所以，对竹材破坏准则的深入研究，可以对其破坏的各种模式进行比较准确的解释。

2 竹材的应用研究

2.1 原竹的基本结构

我国很多偏远地区都有大量竹子盛产，其中还有很多充满特色的原竹民居，而建造者的经验是设计和建造这些房屋的主要基础。近年来，原竹居民结构已经开始受到学者们的研究，并对其构造和设计方法提出观点。Sharma等通过实验足尺水平推覆，研究了在水平反复荷载下原竹柱底的表现。Richard等对原竹组合柱进行了受压性能研究，其结果表明单根竹柱会因为其曲度微弱而影响承载力，多根原竹组合进行受压时，组合柱的屈曲强度发生改变，其与原竹数量有直接联系。Elbaz等对原竹网壳体系进行研究，当发生灾害时，其可以快速搭建形成紧急避难场所。对原竹结构中的节点和构件进行研究，是推动其发展和促进原竹结构新型开发的必要途径。

原竹两端的连接是原竹结构中的重要因素。结点的常见形式有：①穿斗式节点；②棕绳捆绑；③钢板连接；④螺栓连接；⑤套筒连接等。其中穿斗式节点较容易发生劈裂。棕绳捆绑的优势在于操作方便，但缺点是容易腐烂和松弛，且承担能力有所欠缺。钢板连接是将中心钢构上的钻孔钢板和各根原竹利用螺栓进行连接。螺栓连接是利用原竹连接形成受力整体，如卡扣和钢筋挂钩等，将水泥砂浆灌注到节点区域的原竹空腔内，可以有效保持节点的稳定性和刚度。套筒连接的优势在于可以对中心构件和任意角度进行连接。钢板连接和套筒连接适用于多根竹材交于一点时。Albermani等对新型的中心构件和树脂套筒进行了研究，免去圆竹在连接时的打孔程序，降低了劈裂破坏对竹材端部造成的破坏。

2.2 竹筋混凝土结构的应用

目前，钢筋已经逐渐被竹筋替代，并广泛应用于建筑工程中，早期竹筋由于防水防腐的处理失误，导致之前竹筋混凝土构件不具有满意的耐久性和强度。因为竹筋没有防水处理会在浇筑时吸水，而随着混凝土的逐渐干燥，会严重导致竹筋的干缩，使其脱离与混凝土，造成很差的粘结。随着各国学者对竹筋防水防腐的研究，防水防霉涂层材料诞生了，并对其进行了防水防霉竹筋混凝土构件的研究。结果证明，在防水措施有效处理后，混凝土构件因为竹筋而产生了更显著的承载力，在实际工程中，竹筋混凝土建筑业开始大量建造。

通过对材料Sikadur32-gel进行了研究，发现其不仅能对防水防腐起到有效作用，还能使混凝土和竹筋的粘结力加强，进一步加大竹筋混凝土构件的承载力。目前为止，少数竹筋混凝土建筑仍在各地留存，但对其拆除后发现，竹筋混凝土构件的承载力没有达到实际目标，但其中存在良好的部分构件，也未发现腐烂情况，所以，竹筋混凝土未来的长期性能是值得进一步研究的内容。

3 工程竹的应用研究

工程竹根据不同工艺可以分为：①合成竹材；②竹席胶合板；③平行层竹材；④竹帘胶合板；⑤竹帘竹席复合胶合板等，其被广泛用于与地板材料和装饰板材中。

3.1 结构加固中工程竹的应用

经过研究人员对粘贴胶合竹板进行抗弯加固木梁实验后发现，木梁在加固胶合竹板后，明显提升了其初始弯曲刚度和受弯承载力。在混凝土空心板通过粘贴胶合竹板的加固后，其加固不同厚度的粘贴空心板，都不同程度的提高了极限荷载和开裂荷载，提高幅度跟胶合竹板的宽度和厚度有直接影响。在对混凝土梁进行加固粘贴胶合竹板后，其明显提高了极限承载力，并降低了极限位移。今后，还需对混凝土构架加固后的耐久性能、长久性能和作用技能做出深入研究，以为其设计方案和施工工艺做出相应的计划。当前，在土木工程中，竹与玻璃钢复合建筑材料是属于超混合和复合材料，其建筑结构是以天然竹子作为主要承力结构，在增加玻璃纤维以后，其整体性能可以大大提高，并且，在添加相关填充剂、添加剂以后，这种材料经过特殊的加工工艺，可以成为一种新型三维符合材料。

3.2 竹纤维的研究

竹纤维已经逐步应用到了土木建筑工程中，通过对竹纤维混凝土不同掺量的力学性能进行试验表明，混凝土因为掺入竹纤维而增加其延性和抗拉强度。其中，在深入竹纤维的混凝土进行研究时指出，掺入竹纤维对其抗弯强度没有产生过大影响，但对其混凝土微缝隙的控制具有一定的作用。在对竹纤维混凝土的研究中发现，与普通混凝土墙面相比，竹纤维混凝土墙面的延缓开裂和抗弯抗拉方面都具有明显优势。总之，未来应当对工程中的生产工艺和力学性能进一步优化，使其在土木工程中的实际应用技术方面做出整体参考，以推动竹材在建筑工程中的良好应用。

4 结束语

总之，竹材是一种可再生且十分优越的生态材料，具有良好的环保性能和力学性能。在土木工程建造中，竹材具有广泛的应用，如材料装饰、模板、土体加固、施工脚手架等。经过不少学者对竹材的努力研究，使竹材的结构性能和力学性能都有足够的认识和经验，对其在土木工程中的广泛应用具有良好的基础作用，但对于其中的一些关键技术还需进一步研究和总结，这也是目前很多研究学者们仍在努力的课题。

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TU531.3

A

2095-2066（2016）32-0266-02

2016-11-2

时延昭（1997-），男，2015年6月毕业于山东省济南市章丘四中，同年考入中南大学（湖南省长沙市）就读于土木工程学院，工程力学专业，现担任土木工程学院科创中心宣传部部长。