符其山 羅榮軍 程方怡

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隨著社會發(fā)展和時代的不斷改革創(chuàng)新,國內(nèi)社會經(jīng)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(jīng)濟水平的提升,人民群眾的經(jīng)濟水平得到提升、物質(zhì)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(nèi)建筑工程領域的可持續(xù)發(fā)展,這也是國內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)線。除此之外,在“竹藤資源培育及高效利用產(chǎn)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(chǎn)品,這些產(chǎn)品和對應的技術,為新時期現(xiàn)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(diào)查之后發(fā)現(xiàn),竹材在國內(nèi)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)目前竹材的利用率和生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量要求比較高等因素目前竹質(zhì)材料的生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)的小徑竹、叢生竹和毛竹等產(chǎn)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(zhì)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(zhuǎn)型與發(fā)展具有重要現(xiàn)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(jù)材料的不同選擇對應的制造關鍵技術,從而使得生產(chǎn)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)層、硅質(zhì)層以及竹腔壁的硅質(zhì)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)?；谩?/p>

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(zhì)層和硅質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)的科技進步,確保我國竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展處于世界領先水平。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(chǎn)項目消耗竹材約51萬t,實現(xiàn)減排64.77萬t,增加竹農(nóng)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(nèi)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(xiàn),竹基復合材料的力學性能與維管束的數(shù)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(chǎn)出的竹材人造板耐久性不理想,力學性能表現(xiàn)一般。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)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(xiàn),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(chǎn)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(chǎn)工作成本比較高,同時難以達到理想的生產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)品的質(zhì)量還是生產(chǎn)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(xiàn)象和問題,對于竹材加工生產(chǎn)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(nèi)社會強調(diào)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(nèi)建筑工程領域已經(jīng)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(xiàn)代建筑工程的要求和需求,其中國際竹藤網(wǎng)絡中心的安徽太平試驗中心機構建設工作中已經(jīng)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(xiàn)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?shù)闹髦旒芙M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(jīng)過取絲、干燥、碳化、浸膠、壓制、固化、脫模的生產(chǎn)工藝,形成竹材原料;將所述竹材原料經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(jīng)腐朽菌腐朽17周后,測得竹基纖維復合材料的質(zhì)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(jīng)霉菌感染4周后,試樣表面無菌絲獲感染面積小于30%,內(nèi)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(nèi)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(nèi)社會強調(diào)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(chǎn)工藝方面要實現(xiàn)比較大的提升,需要在現(xiàn)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。