基于竹材力學性能及其在土木工程中應用的研究進展

時延昭（中南大學土木工程學院，湖南長沙410010）

基于竹材力學性能及其在土木工程中應用的研究進展

時延昭（中南大學土木工程學院，湖南長沙410010）

竹材具有成材效率高和材性優(yōu)良的優(yōu)勢，其在我國具有豐富的資源，是當前建筑材料中使用廣泛的綠色優(yōu)質材料。隨著建筑領域越加重視對環(huán)境的保護以及發(fā)展維持，在土木工程中引用新型綠色環(huán)保是必然的。本文主要對竹材的三個方面進行研究：①竹材的力學性能；②原竹的應用；③工程竹的應用研究，總結了其在土木工程中的應用，并提出其中所需重視的技術要點，以在土木工程中，推動綠色竹材的應用范圍。

竹材力學性能；土木工程；研究進展

我國森林面積較廣，而竹子是其中最主要的一項資源，而竹類植物在全世界大約有107種屬性，高達1350多種，而我國所擁有十分豐富的竹類資源，據統(tǒng)計大約有40多種屬性，差不多550多種?？偟膩碚f，竹子與普通鋼材和木材進行對比具有一定優(yōu)勢：①彈性好；②性能穩(wěn)定；③強度高；④密度小等，因而被大量用于土木工程中。

1 竹材的力學性能

竹材由于其部位的不同，以及含水率和竹齡的差異都具有不相同的性能。竹子的組成部分主要包含兩點：①纖維后壁細胞，也是維管束；②纖維薄壁細胞，即基體。排列整齊的維管束具有最大作用的竹材力學性能，其竹材的高剛度和高強度也是因為它的貢獻。竹材由于部位的不同，其形狀、纖維含量、細胞形狀和大小都是不同的。經過研究證明，竹桿上部分的力學強度高于下部分，竹壁內側的力學強度低于竹壁外側。同時，竹材的力學性能隨著竹齡的增加會有所提升，但在到達一定程度，即竹桿開始老化并變脆時，會逐漸下降強度。

竹材的抗剪強度、抗壓和彈性等方面力學性能會因為含水率的多少而產生差異。新鮮竹材的力學性能會低于氣干后，但在竹材干到一定程度時，其質量也會因為變脆而降低力學性能。相關研究發(fā)現(xiàn)，當竹材在具有30%以內的含水率時，其原竹會很快下降力學性能。當大于30%含水率時，原竹力學性能并未發(fā)生特別反應。

目前，在研究竹材力學模型和測定方法時，都需要對竹材的徑向、順紋和彈性等予以關注，較少關注三維受力的性能，并缺乏相關的研究定論和試驗。同時，原竹受彎和受損等受力情況，大多是因為弦向劈裂而產生的，但至今還沒有實際的破壞準則。所以，對竹材破壞準則的深入研究，可以對其破壞的各種模式進行比較準確的解釋。

2 竹材的應用研究

2.1 原竹的基本結構

我國很多偏遠地區(qū)都有大量竹子盛產，其中還有很多充滿特色的原竹民居，而建造者的經驗是設計和建造這些房屋的主要基礎。近年來，原竹居民結構已經開始受到學者們的研究，并對其構造和設計方法提出觀點。Sharma等通過實驗足尺水平推覆，研究了在水平反復荷載下原竹柱底的表現(xiàn)。Richard等對原竹組合柱進行了受壓性能研究，其結果表明單根竹柱會因為其曲度微弱而影響承載力，多根原竹組合進行受壓時，組合柱的屈曲強度發(fā)生改變，其與原竹數量有直接聯(lián)系。Elbaz等對原竹網殼體系進行研究，當發(fā)生災害時，其可以快速搭建形成緊急避難場所。對原竹結構中的節(jié)點和構件進行研究，是推動其發(fā)展和促進原竹結構新型開發(fā)的必要途徑。

原竹兩端的連接是原竹結構中的重要因素。結點的常見形式有：①穿斗式節(jié)點；②棕繩捆綁；③鋼板連接；④螺栓連接；⑤套筒連接等。其中穿斗式節(jié)點較容易發(fā)生劈裂。棕繩捆綁的優(yōu)勢在于操作方便，但缺點是容易腐爛和松弛，且承擔能力有所欠缺。鋼板連接是將中心鋼構上的鉆孔鋼板和各根原竹利用螺栓進行連接。螺栓連接是利用原竹連接形成受力整體，如卡扣和鋼筋掛鉤等，將水泥砂漿灌注到節(jié)點區(qū)域的原竹空腔內，可以有效保持節(jié)點的穩(wěn)定性和剛度。套筒連接的優(yōu)勢在于可以對中心構件和任意角度進行連接。鋼板連接和套筒連接適用于多根竹材交于一點時。Albermani等對新型的中心構件和樹脂套筒進行了研究，免去圓竹在連接時的打孔程序，降低了劈裂破壞對竹材端部造成的破壞。

2.2 竹筋混凝土結構的應用

目前，鋼筋已經逐漸被竹筋替代，并廣泛應用于建筑工程中，早期竹筋由于防水防腐的處理失誤，導致之前竹筋混凝土構件不具有滿意的耐久性和強度。因為竹筋沒有防水處理會在澆筑時吸水，而隨著混凝土的逐漸干燥，會嚴重導致竹筋的干縮，使其脫離與混凝土，造成很差的粘結。隨著各國學者對竹筋防水防腐的研究，防水防霉涂層材料誕生了，并對其進行了防水防霉竹筋混凝土構件的研究。結果證明，在防水措施有效處理后，混凝土構件因為竹筋而產生了更顯著的承載力，在實際工程中，竹筋混凝土建筑業(yè)開始大量建造。

通過對材料Sikadur32-gel進行了研究，發(fā)現(xiàn)其不僅能對防水防腐起到有效作用，還能使混凝土和竹筋的粘結力加強，進一步加大竹筋混凝土構件的承載力。目前為止，少數竹筋混凝土建筑仍在各地留存，但對其拆除后發(fā)現(xiàn)，竹筋混凝土構件的承載力沒有達到實際目標，但其中存在良好的部分構件，也未發(fā)現(xiàn)腐爛情況，所以，竹筋混凝土未來的長期性能是值得進一步研究的內容。

3 工程竹的應用研究

工程竹根據不同工藝可以分為：①合成竹材；②竹席膠合板；③平行層竹材；④竹簾膠合板；⑤竹簾竹席復合膠合板等，其被廣泛用于與地板材料和裝飾板材中。

3.1 結構加固中工程竹的應用

經過研究人員對粘貼膠合竹板進行抗彎加固木梁實驗后發(fā)現(xiàn)，木梁在加固膠合竹板后，明顯提升了其初始彎曲剛度和受彎承載力。在混凝土空心板通過粘貼膠合竹板的加固后，其加固不同厚度的粘貼空心板，都不同程度的提高了極限荷載和開裂荷載，提高幅度跟膠合竹板的寬度和厚度有直接影響。在對混凝土梁進行加固粘貼膠合竹板后，其明顯提高了極限承載力，并降低了極限位移。今后，還需對混凝土構架加固后的耐久性能、長久性能和作用技能做出深入研究，以為其設計方案和施工工藝做出相應的計劃。當前，在土木工程中，竹與玻璃鋼復合建筑材料是屬于超混合和復合材料，其建筑結構是以天然竹子作為主要承力結構，在增加玻璃纖維以后，其整體性能可以大大提高，并且，在添加相關填充劑、添加劑以后，這種材料經過特殊的加工工藝，可以成為一種新型三維符合材料。

3.2 竹纖維的研究

竹纖維已經逐步應用到了土木建筑工程中，通過對竹纖維混凝土不同摻量的力學性能進行試驗表明，混凝土因為摻入竹纖維而增加其延性和抗拉強度。其中，在深入竹纖維的混凝土進行研究時指出，摻入竹纖維對其抗彎強度沒有產生過大影響，但對其混凝土微縫隙的控制具有一定的作用。在對竹纖維混凝土的研究中發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土墻面相比，竹纖維混凝土墻面的延緩開裂和抗彎抗拉方面都具有明顯優(yōu)勢?？傊磥響攲こ讨械纳a工藝和力學性能進一步優(yōu)化，使其在土木工程中的實際應用技術方面做出整體參考，以推動竹材在建筑工程中的良好應用。

4 結束語

總之，竹材是一種可再生且十分優(yōu)越的生態(tài)材料，具有良好的環(huán)保性能和力學性能。在土木工程建造中，竹材具有廣泛的應用，如材料裝飾、模板、土體加固、施工腳手架等。經過不少學者對竹材的努力研究，使竹材的結構性能和力學性能都有足夠的認識和經驗，對其在土木工程中的廣泛應用具有良好的基礎作用，但對于其中的一些關鍵技術還需進一步研究和總結，這也是目前很多研究學者們仍在努力的課題。

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TU531.3

A

2095-2066（2016）32-0266-02

2016-11-2

時延昭（1997-），男，2015年6月畢業(yè)于山東省濟南市章丘四中，同年考入中南大學（湖南省長沙市）就讀于土木工程學院，工程力學專業(yè)，現(xiàn)擔任土木工程學院科創(chuàng)中心宣傳部部長。