竹纤维增强复合材料在高层建筑中应用前景广阔



竹纤维增强复合材料在高层建筑中应用前景广阔

随着城市的发展，城区人口密度不断增加，对高层建筑的需求成为必然。目前，世界上有一半的人口生活在城市环境中，预计在未来25年内这一比例将增加至80%。为实现更可持续的城市环境，减少能源消耗，从而应对气候变化，在城市中建设高层建筑以容纳更多的人口，已成为普遍共识。高层建筑可以节约土地、减少通勤时间，释放出更多的开放空间，如运动场、广场、公园和其他的社区空间，从而可以改善空气质量和城市的视觉吸引力。

目前高层建筑中使用的3种主要建筑结构材料为钢材、木材和混凝土。建筑业是世界上最大的能源消耗部门，消耗了全球三分之一的能源，排放的二氧化碳也几乎占全球碳排放量的三分之一。仅混凝土生产排放的二氧化碳就占全球碳排放总量的5%以上。钢材因其蕴含高能源和低热性能，并非建筑结构的优选材料。与钢材和混凝土相比，木材生产需要更少的基于化石燃料的能源，并产生更少的温室气体排放，因此被认为是最佳的建筑结构用材。然而，生产木材需要砍伐大量的树木从而导致毁林，并最终降低地球吸收大气中多余二氧化碳的能力。

最近，美国佛罗里达大学建筑、规划与设计学院的研究人员在对比分析主要的建筑材料钢材、木材和混凝土各种特性的基础上，分析了竹纤维增强复合材料(BFRC)在高层建筑结构用材中的应用潜力。与其他人们熟知的天然木质素纤维相比，竹纤维的解剖特性使竹子成为一种优良的可再生资源。从竹子植物中分离出的纤维可以是单个的纤维，也可以是纤维带。将这些单个纤维或纤维带嵌入在聚合物基体(环氧树脂、不饱和聚酯树脂或其他类似物种)中，形成的复合材料BFRC融入了竹纤维的强度和韧性，提高了复合材料的尺寸稳定性，具有更高的抗拉强度和抗压强度，耐火性、抗虫性、耐腐蚀性和阻挡紫外线的能力更强。研究人员已经开发了多种将竹纤维与聚合物复合的方法，如通过单向、双向和多向的压缩、挤压或拉挤成型。

竹子生长快、生长周期短、适生范围广，因此是一种成本低廉的自然资源。由于其生长速度快，可以吸收了大量的二氧化碳，是大多数树木二氧化碳吸收量的3～4倍。因此，竹子作为一种建筑材料种植将有助于减缓气候变化的速度。

研究认为，在建筑复合材料中，竹子不仅可以替代木材作为复合成分，而且复合材料的性能得到大大改善。利用竹子的天然强度，BFRC材料需要较小的尺寸，因此缩小了结构材料的体积，从而建筑物可利用空间增大、楼层之间的间距缩小、整个建筑物的整体质量变轻。这样既节省了建造时间和金钱，也减少了碳排放量。这是当前任何其他结构材料所无法比拟的。研究提出了一种新的建筑结构系统，竹纤维增强复合材料首次对高层建筑的主要结构用材混凝土、钢材、木材提出了挑战。该系统因其材料组成的独特性，在高层建筑中的利用前景无法估量，有望为建筑行业带来一场革命。

研究成果在线发表于2016年7月的《建筑与建筑材料杂志》(Journal of Construction and Building Materials)上，文章题目为“Bamboo Fibre-Reinforced Composites for Tall Buildings”。