结构用竹基复合材料制造与应用*

2023-03-10符其山罗荣军程方怡

陶瓷 2023年1期

符其山罗荣军程方怡

(海口经济学院雅和人居工程学院海口 571127)

随着社会发展和时代的不断改革创新,国内社会经济和科学技术都保持着高速的发展,而在不同的创新科学技术当中,材料技术在其中具有比较强的代表性。近年来,伴随着国民经济水平的提升,人民群众的经济水平得到提升、物质需求得到满足,他们对于日常生活和工作中不同方面的要求都具有显著的提升,其中自然也包含建筑工程领域环保方面的要求。在这种情况下,结构用竹基复合材料就成为了其中一个很好的选择,并且能够在很大程度上促进国内建筑工程领域的可持续发展,这也是国内建筑工程领域的主要目标之一,需要给予高度关注和重视。笔者将针对结构用竹基复合材料制造关键技术与应用进行详细阐述,并提出建设性的意见,希望对这项技术的发展起到一定的推广作用。

1 竹质材料在建筑工程的应用

早在“十五”国家科技攻关计划期间,科技部示范项目就基于建筑材料的基本特征对竹质材料进行重新设计,成功研制了竹基型材和板材。该项目还对竹结构进行建筑物设计,并以此为基础建立生产线。除此之外,在“竹藤资源培育及高效利用产业化关键技术研究与示范”项目当中,还研制和开发了无甲醛竹材集成材料、柔性大幅面无纺布竹材装饰板和相对应的材料防腐剂等等新型产品,这些产品和对应的技术,为新时期现代木结构建筑工程材料技术发展、材料应用打下了坚实的基础。进行相关的研究和调查之后发现,竹材在国内外建筑工程当中进行了广泛的运用,在梁柱、地板、楼梯、屋面材料、墙体材料等等多方面都具有广泛的运用,在国内上海世博会当中,有13家场馆使用了广泛而全面的竹材元素,并且伴随着竹材在建筑工程中的应用,竹材建筑结构的作用和价值已经得到了印证,竹材也开始作为一种被全民所公认的“绿色材料”、“环保材料”在世界范围内得到了广泛的关注[1]。

我国竹基建筑工程材料技术在历史上曾处于世界领先地位,由于近代历史的原因,国内目前竹材的利用率和生产效率并不是十分理想,导致行业的整体发展受到了不小的限制和制约。以毛竹为主的大径级竹材一次利用率较低,长期处于50%以下。一些小径级别的竹材难以进行规模化的利用,导致竹材资料的浪费情况相对明显。再加上加工工艺难度高、产品质量要求比较高等因素目前竹质材料的生产效率比较低,这也在一定程度上阻碍了建筑用竹的发展。

竹材在建筑领域具有很好的作用和价值,在“竹藤资源培育及高效利用产业化关键技术研究与示范”项目研究工作的基础之上,中国林业科学研究院木材工业研究所继续进行了研究,并且参与执行了“863”计划,其中研制的高强度竹基纤维复合材料制造技术得到了很好的发展。

国内的小径竹、丛生竹和毛竹等产量丰富,该技术以这些为主要原料,采用高强度竹基纤维复合材料制造技术,开发出高强度的竹基纤维复合材料,从而使得竹质材料能够满足建筑工程的材料性能需求。这项技术的推广对于我国建筑工程领域转型与发展具有重要现实意义。

2 高强度竹基纤维复合材料研发的关键技术

结构用竹基复合材料制造技术并不是一项单一的技术,而是一种复合的关键技术,需要依据材料的不同选择对应的制造关键技术,从而使得生产出来的结构用竹基复合材能够满足性能方面的要求和需求。主要应用到的结构用竹基复合材料制造技术如下:

2.1 竹青竹黄差速异步点裂微创技术

在竹质材料当中,之所以难以达到理想性能强度要求,其主要是竹青竹黄难以胶合[2]。针对这一现象和问题进行深入研究,得出的结论是由于竹材表层的蜡质层、硅质层以及竹腔壁的硅质层导致的。这也是导致竹资源没能在建筑领域大量使用的直接原因,其中占比超过50%以上的小径级竹材资源无法得到有效的规模化利用。

针对以上问题,我国开发了竹青竹黄差速异步点裂微创技术。林业科学研究院木材工业研究所研制的疏解、浸胶装置,可以通过点裂分离、线裂分裂和差速异步摩擦等方法,将竹材表面上的蜡质层和硅质层进行有效分离。在后续的施胶工序当中,可以运用粘胶剂渗透到竹纤维当中,使竹材在胶合过程中形成有效胶钉,大大提高胶合效果。可以说,竹青竹黄差速异步点裂微创技术的应运而生,突破了原有竹材人造板必须要取出竹青竹黄的历史,使得大径竹材的利用率达到了90%以上,小径竹材的利用率也得到了显著的提升,从中能够看出竹青竹黄差速异步点裂微创技术的重要价值和作用[3]。除此之外,这项技术还开拓了竹材人造板在风能、运输、建筑和户外园林景观等应用新领域,其中有的企业的产品已出口欧洲和北美,具有国际市场竞争力。本技术的推广和实施,有力地推动和促进了竹产业的科技进步,确保我国竹产业的发展处于世界领先水平。

根据试验数据及统计数据推算,建筑材料每投入1 t竹材可以减少2.8亩森林砍伐,减少1.27 t二氧化碳排放。2021年,本技术投产项目消耗竹材约51万t,实现减排64.77万t,增加竹农收入3亿多元。本技术的推广实施,可以有效缓解我国木材供需矛盾,减少碳排放,进一步保护生态环境[4]。

2.2 纤维原位可控分离技术

当竹材承受荷载时,其内部维管束可以发挥较强承受载荷的效果,其中,竹材基本组织具有良好的传递载荷作用,从这一形式中也可以发现,竹基复合材料的力学性能与维管束的数量和强度具有强烈的直接联系。在传统的竹材复合材料制作过程中,采取传统的竹片、竹束宏观的单位结构难以取得很好效果,施胶过程中难以全面透彻,后续产出的竹材人造板耐久性不理想,力学性能表现一般。根据实验数据显示,其静曲强度一般在85～155 MPa之间,超过165 MPa就是难以实现,对于整个行业的发展起到了比较强的限制作用和效果[5]。

我国研发的竹材纤维原位可控分离技术,正好可以有效解决这个问题。在实验室中使用定向纤维毡疏解机进行切割、劈裂和挤压等,将竹材原料分离成若干基本组织和2～4个维管束原位纤维。这一技术的开发利用很好地将原本竹材纤维分离过程中的强度降低问题得到解决,同时一定程度上改变了传统人造板的基本单元结构,提升胶粘剂的渗透效果,产品强度得到显著提升。该技术制造的高强度竹基复合材料竹基复合材料,其静曲强度能够达到360 MPa,材料强度比原材料大大提升。

2.3 纤维化竹单板的制造技术

原竹大多是圆形空心结构,而建筑工程材料需求较多的是竹单板材料,而传统的竹旋切单板的生产工作成本比较高,同时难以达到理想的生产效率。从传统竹单板制造工艺自身的角度上来说,其主要是将竹材料经过剖分,后续再将剖分的竹条加工成单板,这一工艺流程相对复杂,生产效率和竹材的利用效率都难以达到理想水平[6]。

随着竹材展平疏解机和竹束单板疏解机的投入使用,可以在不去除竹黄和竹青的情况下,将半圆的竹材经过展平和疏解,后续组成对应的纤维化单板,与传统的竹材人造板相比,无论是产品的质量还是生产效率都得到了比较大的提升;同时更为重要的是,这项技术减少了以往的资源浪费现象和问题,对于竹材加工生产领域的可持续发展具有非常重要的意义和价值。

3 结构用竹基复合材料的具体应用

竹基纤维符合材料具有重要的价值和作用,在国内社会强调建筑工程绿色环保的前提和基础之上,结构用竹基复合材料就变得更加地重要和必要,结构用竹基复合材料在国内建筑工程领域已经发挥出来了重要的价值和作用,具体应用如下:

3.1 高强度竹木复合建筑梁柱

随着结构用竹基复合材料制造技术的推广,可以使用小径竹和速生木材为主要原料,采取超厚单板旋切技术,制造出理想的结构用竹基复合材料。这些材料通过后续重组、加工,可以得到应用于建筑工程领域中的竹木复合梁柱,其静曲强度能够达到155 MPa以上,很好地满足了现代建筑工程的要求和需求,其中国际竹藤网络中心的安徽太平试验中心机构建设工作中已经进行了应用[7]。受传统木结构的启发,立柱和横梁结构遵循与建造传统木屋相同的原则。该结构由3个主要元素支撑:垂直柱、水平梁和交叉支撑,以对结构进行三角测量以实现稳定性。在竹建筑中,圆形竹杆用于结构元素。然后用桁架支撑竹屋顶结构。该结构由5个主框架支撑,每个主框架由2个主柱、2个主梁和一个支撑倾斜屋顶的主柱桁架组成。此处添加了32个交叉支撑来支撑主体结构,并添加了8个对角支柱来支撑屋顶结构。

3.2 竹基复合工程建筑面板

采取竹基复合工程建筑面板可以有效地解决传统建筑工程施工过程中存在的问题,将所述竹子经过取丝、干燥、碳化、浸胶、压制、固化、脱模的生产工艺,形成竹材原料;将所述竹材原料经裁切、铣型、开孔、表面板处理的加工工艺[8],形成可直接应用于装配式建筑的复合材料。目前以结构用竹基复合材料为基础的建筑面板已经得到了应用,具有抗震抗风、自然健康、利于设计、冬暖夏凉、防潮防虫等优势,解决了现有技术中的建筑物不绿色环保且抗震能力差的技术问题。从实验数据上来看,竹基复合材料静曲强度达到140 MPa以上,是樟子松的7倍左右;即在一个点受力的情况下竹基纤维复合材料能够承载3～6 t。而传统深碳化户外重组竹地板一般在60 MPa左右,静曲强度低于竹基纤维复合材料一半以上。并且经腐朽菌腐朽17周后,测得竹基纤维复合材料的质量损失率仅在3%～4% 之间,耐腐等级为Ⅰ级,达到了强耐腐水平。抗白蚁性能达到耐蚁蛀级。除此之外,经霉菌感染4周后,试样表面无菌丝获感染面积小于30%,内部颜色显示正常,受霉菌侵害平均值为0.16% ,防霉效力为93.7% 。