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竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高層建筑中應(yīng)用前景廣闊

隨著城市的發(fā)展，城區(qū)人口密度不斷增加，對高層建筑的需求成為必然。目前，世界上有一半的人口生活在城市環(huán)境中，預(yù)計在未來25年內(nèi)這一比例將增加至80%。為實現(xiàn)更可持續(xù)的城市環(huán)境，減少能源消耗，從而應(yīng)對氣候變化，在城市中建設(shè)高層建筑以容納更多的人口，已成為普遍共識。高層建筑可以節(jié)約土地、減少通勤時間，釋放出更多的開放空間，如運動場、廣場、公園和其他的社區(qū)空間，從而可以改善空氣質(zhì)量和城市的視覺吸引力。

目前高層建筑中使用的3種主要建筑結(jié)構(gòu)材料為鋼材、木材和混凝土。建筑業(yè)是世界上最大的能源消耗部門，消耗了全球三分之一的能源，排放的二氧化碳也幾乎占全球碳排放量的三分之一。僅混凝土生產(chǎn)排放的二氧化碳就占全球碳排放總量的5%以上。鋼材因其蘊含高能源和低熱性能，并非建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。與鋼材和混凝土相比，木材生產(chǎn)需要更少的基于化石燃料的能源，并產(chǎn)生更少的溫室氣體排放，因此被認(rèn)為是最佳的建筑結(jié)構(gòu)用材。然而，生產(chǎn)木材需要砍伐大量的樹木從而導(dǎo)致毀林，并最終降低地球吸收大氣中多余二氧化碳的能力。

最近，美國佛羅里達(dá)大學(xué)建筑、規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院的研究人員在對比分析主要的建筑材料鋼材、木材和混凝土各種特性的基礎(chǔ)上，分析了竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRC)在高層建筑結(jié)構(gòu)用材中的應(yīng)用潛力。與其他人們熟知的天然木質(zhì)素纖維相比，竹纖維的解剖特性使竹子成為一種優(yōu)良的可再生資源。從竹子植物中分離出的纖維可以是單個的纖維，也可以是纖維帶。將這些單個纖維或纖維帶嵌入在聚合物基體(環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂或其他類似物種)中，形成的復(fù)合材料BFRC融入了竹纖維的強(qiáng)度和韌性，提高了復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，具有更高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，耐火性、抗蟲性、耐腐蝕性和阻擋紫外線的能力更強(qiáng)。研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種將竹纖維與聚合物復(fù)合的方法，如通過單向、雙向和多向的壓縮、擠壓或拉擠成型。

竹子生長快、生長周期短、適生范圍廣，因此是一種成本低廉的自然資源。由于其生長速度快，可以吸收了大量的二氧化碳，是大多數(shù)樹木二氧化碳吸收量的3～4倍。因此，竹子作為一種建筑材料種植將有助于減緩氣候變化的速度。

研究認(rèn)為，在建筑復(fù)合材料中，竹子不僅可以替代木材作為復(fù)合成分，而且復(fù)合材料的性能得到大大改善。利用竹子的天然強(qiáng)度，BFRC材料需要較小的尺寸，因此縮小了結(jié)構(gòu)材料的體積，從而建筑物可利用空間增大、樓層之間的間距縮小、整個建筑物的整體質(zhì)量變輕。這樣既節(jié)省了建造時間和金錢，也減少了碳排放量。這是當(dāng)前任何其他結(jié)構(gòu)材料所無法比擬的。研究提出了一種新的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料首次對高層建筑的主要結(jié)構(gòu)用材混凝土、鋼材、木材提出了挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)因其材料組成的獨特性，在高層建筑中的利用前景無法估量，有望為建筑行業(yè)帶來一場革命。

研究成果在線發(fā)表于2016年7月的《建筑與建筑材料雜志》(Journal of Construction and Building Materials)上，文章題目為“Bamboo Fibre-Reinforced Composites for Tall Buildings”。