竹材在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用

李海濤，宣一偉，許斌，李淑恒

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)復(fù)合建筑材料與結(jié)構(gòu)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南京 210037)

竹子是重要的生態(tài)、產(chǎn)業(yè)和文化資源。竹材生長(zhǎng)周期短、輕質(zhì)高強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)良，作為結(jié)構(gòu)材料已有上千年歷史。全球已鑒定出70余屬1 200余種竹類(lèi)植物，共有1 500余種用途，涵蓋了從食物到房屋等人類(lèi)生存的必須領(lǐng)域。目前，全球有10億人居住在竹屋里。我國(guó)竹資源世界第一，人們對(duì)竹子栽培和竹材利用的歷史悠久，素有“竹子王國(guó)”之譽(yù)[1-3]。竹材一直以來(lái)在土木工程領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。

竹子有很多優(yōu)點(diǎn)。物理特性方面：竹材比強(qiáng)度高，具有韌性好，可塑性強(qiáng)，抗拉、抗壓及抗彎性能好等諸多優(yōu)勢(shì)[4]。景觀(guān)特性方面：竹材具有柔和的肌理、芳香的氣味、溫和的觸感、天然的親和力等。生態(tài)特性方面：竹子生長(zhǎng)周期短，可再生和循環(huán)利用，其生產(chǎn)與建造能耗低，對(duì)大自然負(fù)荷小，其廢棄物可降解，對(duì)環(huán)境污染小，在固碳、水土保持和水流域保護(hù)等方面效益良好。文化特性方面： 英國(guó)學(xué)者李約瑟曾說(shuō)過(guò)，東亞文明就是“竹子文明”。建筑的“筑”字是竹字頭。竹子已成為中國(guó)最有代表性的文化符號(hào)，其內(nèi)涵已成中華民族品格、稟賦、精神依托與象征。竹子也存在一些缺點(diǎn)，如竹材力學(xué)性能差異大，易開(kāi)裂、易燃燒、易受到蟲(chóng)害侵?jǐn)_、易腐爛，耐候性差，并且連接困難。目前主要采用物理和化學(xué)兩類(lèi)方法解決竹材的防腐防蟲(chóng)問(wèn)題。物理方法有高溫法、浸水法、煙熏法、氣調(diào)法、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)法、微波法等，化學(xué)方法有涂布法、浸漬法、蒸煮法、熏蒸法和加壓法等。經(jīng)過(guò)系列處理后，竹子的壽命可達(dá)50 a以上。

1 原竹材在土木工程中的應(yīng)用

竹材易加工，取材方便，被廣泛應(yīng)用于巖土工程、水利工程、道路工程、橋梁工程等領(lǐng)域。

1.1 巖土工程

原竹可以應(yīng)用到基礎(chǔ)工程中。越南民間將經(jīng)過(guò)防腐處理的原竹打入土壤中1 m左右作為樓房的基礎(chǔ)，使用壽命達(dá)50 a以上。20世紀(jì)50年代，我國(guó)南方一些地區(qū)采用竹材作為建筑或橋梁的樁基[5]。四川省沐川縣、興文縣等一些低等級(jí)公路，采用竹筋編制成格柵加固改良粉質(zhì)黏土路基[6]。京九線(xiàn)贛龍段DK439+600～+680處的軟土路基，采用孟宗竹制作竹筋鋪網(wǎng)進(jìn)行的加固[7]。竹子可作為抗拉筋材加固軟土路堤[8]。四川攀枝花學(xué)院運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的高填方土質(zhì)邊坡采用了竹筋處理技術(shù)[9]。放坡竹筋土釘墻[10]在南京奧體中心嘉業(yè)陽(yáng)光城小區(qū)得到了應(yīng)用。竹筋還可作為充填體骨架應(yīng)用到礦山首層充填工程里[11]。馬來(lái)西亞林業(yè)研究所利用竹材或編織竹材加固土壤結(jié)構(gòu)。

1.2 道路工程

竹子可應(yīng)用到道路工程中：1941年京塘公路楊家堤至汗溝鎮(zhèn)之間的一段路面[12]，采用竹筋混凝土鋪裝；20世紀(jì)90年代，湖南一些地方(如郴州)修建水泥道路時(shí)，采用了預(yù)制水泥混凝土竹筋模板。竹子可用做鐵路上的墊木，我國(guó)鐵路運(yùn)輸部門(mén)于1986年制定了關(guān)于竹墊木標(biāo)準(zhǔn)。竹原纖維還可以同水泥基、瀝青基混合應(yīng)用鋪設(shè)路面，能有效提高混凝土或?yàn)r青路面的融合度和穩(wěn)定性。

1.3 水利工程

水利上應(yīng)用竹材至少有兩千多年的歷史。公元前250年左右李冰修建都江堰時(shí)，使用了大量竹子。 “石籠”至今仍廣泛用來(lái)防止河岸沖刷、鞏固堤壩、修建水庫(kù)等工程。我國(guó)東漢時(shí)代，人們用竹子制作竹筧作為“管道”，運(yùn)輸鹽鹵。非洲坦桑尼亞將竹管替代塑料或鋼管，用于農(nóng)村給水[13]。陜西鎮(zhèn)安縣在建立縣城水電站中[14]，采用了竹筋混凝土壓力管道。1949年以前，我國(guó)南方一些省份就利用竹材修建涵洞，或用竹材作為涵洞的蓋板[15]。1953—1955年，湖南省在修建永大和大慈公路時(shí)，對(duì)于一些平原地段，采用了三合土竹篾涵管[16]。過(guò)去，北方農(nóng)業(yè)打井抗旱也大量使用毛竹。

在鋼材短缺的年代，四川成都市猛追灣游泳場(chǎng)練習(xí)池外的溢水溝采用了竹筋混凝土。個(gè)別地區(qū)利用竹筋加筋制作低壓輸水管，應(yīng)用到小型庫(kù)渠中，如武勝縣五排水庫(kù)(中型)灌區(qū)U型竹筋混凝土薄殼渡槽[17]；武勝縣在20世紀(jì)70年代共建成該類(lèi)渡槽60余座，跨度一般在6～9 m，到90年代仍正常運(yùn)行，未發(fā)生拉裂破壞[17]。三汊灣水利樞紐工程的船閘四周采用了竹筋混凝土板樁[18]。1991年起，江蘇如東縣在北坎、東凌、鹽場(chǎng)、凌陽(yáng)、王家潭等海堤險(xiǎn)段先后興建竹筋混凝土護(hù)坡24.4 km[19]，經(jīng)汛期考驗(yàn)，效果良好。在延安市南泥灣鎮(zhèn)陽(yáng)灣溝溝道的排洪渠施工中[20]，也采用了竹子。

1.4 橋梁工程

人類(lèi)利用竹材建造橋梁[21]的歷史悠久。以竹篾編織成竹纜繩，可用作吊橋或竹索橋，公元前3世紀(jì)已有竹索橋。建于1803年的安瀾橋全長(zhǎng)320 m，10根慈竹扭成的碗口粗的纜繩橫跨岷江南北，一直使用到1962年重修替換成鋼纜繩。竹筒可直接作為橋梁的主要受力構(gòu)件，竹筒或竹片可以作為橋梁的面板，竹材還可以同其他材料形成組合構(gòu)件。1956年，我國(guó)一些工程師在浙江紹(興)漓(渚)公路上建了4座竹橋：1座跨徑9 m的豪式桁架，1座跨徑為4 m的釘板梁橋，2座跨徑為8 m的用鐵絲捆綁的多格框桁構(gòu)梁橋[22]。1958年，江西南昌公路運(yùn)檢局在改建珠蘭坳橋時(shí)，其中一孔(5.5 m)采用竹材為橋面板[23]。日本在1939年曾建造了一座竹筋混凝土板橋。哥倫比亞首都波哥大的Jenny Garon人行橋(圖1)主體橋身由瓜多竹建造，橋跨長(zhǎng)45.6 m。

圖1 Jenny Garon人行橋Fig. 1 Jenny Garon foot bridge

1.5 建筑工程

1.5.1 腳手架和模板

竹腳手架被長(zhǎng)期廣泛使用。我國(guó)頒布的JGJ 254—2011《建筑施工竹腳手架安全技術(shù)規(guī)范》，詳細(xì)規(guī)定了腳手架的選材及綁扎等要求。Chung等[24]編寫(xiě)過(guò)一本竹腳手架設(shè)計(jì)手冊(cè)。整體上來(lái)說(shuō)，由于竹徑尺寸不一，腳手架的搭建和拆卸難度較大，限制了其推廣和應(yīng)用。另外，在一些竹產(chǎn)區(qū)，建筑工人將竹筒劈成竹片，適當(dāng)風(fēng)干后釘于木框上形成模板，用來(lái)澆筑混凝土，這種方法成本低，但澆筑的混凝土表面不平。

1.5.2 籬笆、墻體和樓梯

竹材常被用作籬笆或墻體材料，還被用來(lái)制造樓梯[25]。將竹筒劈成篾，編成竹席或簾，并固定在竹架或木架的一側(cè)或兩側(cè)形成墻體，還可直接將竹筒平行排列并用竹筋或金屬貫穿形成竹筒墻體[26]。1929年發(fā)現(xiàn)的四川廣漢三星堆二期文化遺址中，出土了木棍和有竹片痕跡的火燒土塊，推測(cè)是竹編木骨泥墻的建筑遺址。在成都金沙遺址(商代晚期至西周前期)也發(fā)現(xiàn)大量房屋建筑遺址，均為挖基槽的木(竹)骨泥墻式建筑。臺(tái)灣地區(qū)至今還保留了有竹厝，其墻體是利用竹子和泥土組合而成。我國(guó)南方地區(qū)一些土樓的墻體也采用竹筋增強(qiáng)，福建土樓為典型代表?？箲?zhàn)時(shí)期，在重慶流行的“孔子壁”采用灰泥和竹材組合而成。在印度及南美洲一些國(guó)家，人們將竹材同泥土、石膏、石灰、水泥、混凝土、各類(lèi)砂漿等黏結(jié)劑中的一種或多種組合形成墻體。也有國(guó)家和地區(qū)的人們用竹筒作為豎向構(gòu)件，竹片為水平構(gòu)件編織成墻體，再涂上泥土(摻入纖維、糞等)等。在哥倫比亞西部馬尼薩萊斯市有大量房屋采用該類(lèi)墻體，其中一棟建于1890年的房子，采用竹材石灰砂漿組合墻體，使用至今[27]。在南美洲秘魯及我國(guó)云南一些地區(qū)，人們將小徑竹材嵌入砌體墻體厚度中間部位來(lái)提高這類(lèi)房屋的抗震性能。也有一些學(xué)者圍繞噴涂復(fù)合砂漿-原竹骨架組合墻體、噴涂復(fù)合砂漿-冷彎薄壁型鋼組合墻體開(kāi)展了相關(guān)研究[28]。

1.5.3 樓板、樓面或屋面

原竹樓板由竹筒或者半圓竹并行排列而成，用竹片或鋼材將中間串聯(lián)，用竹篾捆扎兩端。至今我國(guó)南方一些地區(qū)仍在采用這種樓板形式[29]。在東南亞一些民居建筑中，人們直接把竹筒展平做成竹席或竹簾鋪設(shè)地面。竹材可用作屋面，常見(jiàn)的竹屋面形式有：原竹筒屋面、半回竹瓦屋面、片狀竹瓦屋面和竹席波形瓦屋面。竹席波形瓦是用竹編后的黃蔑編織成席，涂膠，再在金屬波形模具上熱壓而成，它具有幅面大，施工省等特點(diǎn)。在一些竹產(chǎn)區(qū)，人們用竹筒做屋頂支架，然后蓋上竹席，再在竹席上覆以稻草、棕櫚及一些植物的枝葉等形成屋面(圖2a)，也有些地方采用泥漿或石灰拌和形成屋面，還可直接在竹席或竹簾上鋪設(shè)屋面瓦(圖2b)。李海濤等[30]將原竹材和秸稈組合形成復(fù)合板，應(yīng)用到樓板、樓面或屋面領(lǐng)域。

圖2 屋頂結(jié)構(gòu)Fig. 2 Bamboo roof structure

1.5.4 竹混凝土結(jié)構(gòu)

早在1867年，法國(guó)人蒙尼亞進(jìn)行了竹筋混凝土結(jié)構(gòu)的初步嘗試。1914年，麻省理工學(xué)院Chu進(jìn)行了竹筋混凝土的應(yīng)用研究。二戰(zhàn)期間，美國(guó)、日本在太平洋小島上建造了不少竹筋混凝土結(jié)構(gòu)。1974年，哥倫比亞Hidalgo采用竹壁外層3 mm左右厚度的竹片纏繞成竹纜繩作為竹筋澆筑混凝土構(gòu)件，還用竹子制作構(gòu)件的箍筋[31]。印度林業(yè)科學(xué)院將編扎好的竹筋用瀝青浸漬后，在竹筋瀝青外黏上一層小石子，來(lái)提高竹筋混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度及竹筋耐腐性。建于1918年的廣州市培正中學(xué)王廣昌寄宿舍、中山大學(xué)北校區(qū)的行政辦公樓及建于20世紀(jì)50年代末期的廣州市第一商業(yè)局辦公大樓等均采用竹筋混凝土樓蓋，至今保存完好。在哥倫比亞波哥大，85%以上的混凝土結(jié)構(gòu)采用了竹箱現(xiàn)澆混凝土樓板(圖3)，也有地區(qū)采用原竹筒組成的格柵澆筑混凝土樓板(圖4)[31]。李海濤等[32-33]將高強(qiáng)性能纖維材料(FRP)、混凝土、原竹筒組合在一起形成梁、柱等構(gòu)件，朱雷等[34]開(kāi)展了竹片加固混凝土的研究。在混凝土里摻入竹纖維可以改善構(gòu)件的力學(xué)性能，起到延緩開(kāi)裂的效果[35]。

圖3 竹箱澆筑混凝土樓板[31]Fig. 3 Bamboo box concrete floor

圖4 竹筒格柵混凝土樓板[31]Fig. 4 Bamboo tube grid concrete floor

1.5.5 竹結(jié)構(gòu)

竹材作為結(jié)構(gòu)材有數(shù)千年歷史?！皾h時(shí)有竹宮, 以竹為之”指的是漢代時(shí)期能工巧匠們利用竹子建造的甘泉祠宮。晉代有以竹“為柱為棟”的記載。宋代的“黃岡竹樓”是歷史上有名的建筑。云南吊腳樓、傣家竹樓、景頗族竹樓都是我國(guó)南方地區(qū)傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)的代表。原竹結(jié)構(gòu)根據(jù)用途可分為5類(lèi)[25-27]：一是民居類(lèi)竹結(jié)構(gòu)，在南美洲、東南亞的鄉(xiāng)間和很多太平洋小島較為常見(jiàn)；二是游憩類(lèi)竹結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)于園林和庭院中，尤其是公園、度假村、風(fēng)景區(qū)等，例如竹廊、竹亭、竹樓以及一些特殊造型或者文化意義的構(gòu)筑物等；三是文教類(lèi)竹結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)于展覽館、學(xué)校建筑；四是服務(wù)類(lèi)竹結(jié)構(gòu)，包括旅客接待中心、公廁和餐飲類(lèi)建筑等；五為農(nóng)用類(lèi)竹結(jié)構(gòu)，典型代表為蔬菜大棚。

2 工程竹材在土木工程中的應(yīng)用

原竹壁薄中空、尺寸不一且有局限性，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代竹建筑對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能及大尺寸的要求。工程竹材泛指將原竹加工成各種竹材單元形式(竹單板、竹簾、竹席、竹片、竹篾、竹絲、竹纖維、竹碎料等)，結(jié)合膠黏劑，通過(guò)物理、化學(xué)等手段制作而成的復(fù)合材料。工程竹材的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)竹材的局限性，開(kāi)辟了應(yīng)用的新領(lǐng)域。

2.1 工程竹材的發(fā)展歷程

竹材工業(yè)化在我國(guó)大致經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段[1, 36-39]：

第1階段：1980年以前，技術(shù)萌發(fā)與產(chǎn)品初創(chuàng)期。早在20世紀(jì)50年代，南京林學(xué)院和中國(guó)林科院森工所等單位就開(kāi)發(fā)出了竹編膠合材。同一時(shí)期，也有專(zhuān)家從三夾板的思路得到啟示，將竹片膠合得到了三夾竹板，并研究了其力學(xué)性能。這一時(shí)期的膠合竹材曾被用來(lái)制造飛機(jī)機(jī)翼。20世紀(jì)50年代，人們還將處理好的竹材纏繞成管狀制品，替代純鐵或無(wú)縫鋼管應(yīng)用到高速離心紗罐領(lǐng)域。整體上講，這一時(shí)期的產(chǎn)品相對(duì)單一，工業(yè)化規(guī)模較小，應(yīng)用范圍較窄。

第2階段：1980—1992年，技術(shù)深入開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品豐富期。20世紀(jì)80年代起，以南京林業(yè)大學(xué)為代表的林業(yè)高校，以及中國(guó)林科院、浙江、湖南、江西、福建等地一些研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)圍繞竹材工業(yè)化制造工藝、設(shè)備等方面進(jìn)行了深入研究，取得了系列成果，先后開(kāi)發(fā)出了以竹篾、竹席、竹簾、竹纖維束、竹片為構(gòu)成單元的竹篾積成材、竹編膠合材、竹重組材、竹集成材等。南京林業(yè)大學(xué)張齊生院士等于20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始進(jìn)行竹材工業(yè)化利用研究，先后于1982年7月及1984年5月通過(guò)了小試和中試，還開(kāi)發(fā)了完整的制造工藝和竹材加工專(zhuān)用設(shè)備，并在江西宜豐、奉新和安徽黔縣建設(shè)了多個(gè)竹膠板廠(chǎng)。80年代中后期，張齊生院士又率先提出了以“竹材軟化展平”為核心的竹材工業(yè)化加工利用方式，發(fā)明了新的竹膠合板生產(chǎn)技術(shù)。

第3階段：1993—2004年，大面積推廣及加工技術(shù)成熟期。20 世紀(jì)90 年代初期竹材工業(yè)發(fā)展迅速，竹家具板、竹地板等各種人造板材的生產(chǎn)規(guī)?？焖賶汛蟆Ｖ裰亟M材冷壓技術(shù)被廣泛采用，熱壓制造工藝也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。20世紀(jì)90年代中后期，竹材加工企業(yè)在各地不斷涌現(xiàn)。張齊生[1]又適時(shí)提出了“竹木復(fù)合”的發(fā)展理念，建立了竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)理論體系，開(kāi)發(fā)了竹木復(fù)合集裝箱底板等5種系列產(chǎn)品，竹材加工技術(shù)逐步走向成熟。

第4階段：2005年至今，蓬勃發(fā)展期。這一時(shí)期，竹材加工利用技術(shù)更加成熟，機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)進(jìn)一步提高，出現(xiàn)了竹材高頻膠合、竹材加工數(shù)控機(jī)床等技術(shù)或設(shè)備，竹纏繞技術(shù)得到了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品種類(lèi)更加豐富，應(yīng)用更加廣泛，各類(lèi)竹材加工企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)。汶川地震后，工程竹材建筑走進(jìn)人們的視野。2008年，張齊生院士和呂志濤院士牽頭在南京林業(yè)大學(xué)建造了一棟2層竹樓(圖5a)，建筑材料包括竹重組材、竹集成材、竹編膠合材等；江西飛宇集團(tuán)也在同一時(shí)期建造了竹重組材別墅(圖5b)。2009年，肖巖教授牽頭在湖南大學(xué)校園里建成了一棟竹編膠合材別墅(圖5c)[40]。2014年，江西貴竹有限公司在沙特建造了一棟2層竹集成材別墅(圖5d)。

圖5 工程竹材示范建筑Fig. 5 Engineered bamboo buildings

2.2 工程竹材的種類(lèi)與應(yīng)用

工程竹材可廣泛應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域，如室內(nèi)外裝修、建筑模板、竹建筑、竹橋、管廊等，依據(jù)不同竹單元、不同排列方式、不同制造工藝，主要分為以下6類(lèi)[1]。

2.2.1 竹集成材

竹集成材[1]是將速生、短周期的竹材加工成定寬、定厚的竹片或者將原竹展平形成寬幅面竹單元(去除竹青和竹黃)[41]，經(jīng)過(guò)處理(如炭化等)并干燥至一定的含水率，再通過(guò)膠粘劑將竹片膠合而成的型材。常用的壓制工藝有平壓、側(cè)壓、平側(cè)相間壓制[39]，結(jié)構(gòu)材常用側(cè)壓工藝[42]。竹片的排列方向可以全部順紋方向(又稱(chēng)平行竹集成材，圖6)，也可以縱橫交錯(cuò)(又稱(chēng)正交竹集成材，圖7)[39]。由展平竹單元壓制而成的竹集成材亦稱(chēng)展平竹集成材(圖6c、7c)。竹集成材主要采用大徑竹，如毛竹、巨龍竹、瓜多竹等[43]，可實(shí)現(xiàn)截面尺寸的任意化[44-45]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞竹集成材的加工、力學(xué)性能[46-47]、防腐等開(kāi)展了大量相關(guān)研究，工程應(yīng)用案例(圖8)也越來(lái)越多。由筆者和贛州森泰竹木有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的辦公樓(圖8b)，建筑面積超過(guò)1 000 m2，是目前單體面積最大的竹集成材建筑。

圖6 平行竹集成材[39]Fig. 6 Parallel laminated bamboo lumber

圖7 正交竹集成材[39]Fig. 7 Cross laminated bamboo lumber

圖8 竹集成材及應(yīng)用(照片：熊振華)Fig. 8 Laminated bamboo lumber and its applications

2.2.2 竹重組材

竹重組材[48-50]是將竹材破成竹篾或疏解成通長(zhǎng)的、保持纖維原有排列方式的竹束或去除有機(jī)質(zhì)的疏松網(wǎng)狀竹纖維束或者純纖維，再經(jīng)處理(如炭化等)、干燥、施膠、組坯成型后壓制而成的竹質(zhì)型材。常用的破壞或去除纖維與纖維之間有機(jī)質(zhì)的方法為機(jī)械法和化學(xué)法。機(jī)械法[48-49]是將纖維與纖維之間的有機(jī)質(zhì)破壞，而化學(xué)法[50]是直接將有機(jī)質(zhì)通過(guò)化學(xué)方式處理取出，剩下纖維束，可制作出性能更優(yōu)的材料。由竹篾模壓而成的竹質(zhì)型材又稱(chēng)竹篾層積材[51]。采用模壓是現(xiàn)有竹重組材制造技術(shù)的共同特點(diǎn)，但模壓限制了竹重組材的尺寸，制約了其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用[52-53]。整體上講，竹重組材的原料來(lái)源廣泛，不受原竹直徑的影響[54-55]，現(xiàn)有技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化生產(chǎn)，制造成本相對(duì)較低，若能實(shí)現(xiàn)截面尺寸的任意化，其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景會(huì)更好。從竹重組材問(wèn)世開(kāi)始，科研人員圍繞其加工工藝[55-56]、力學(xué)性能[56-62]、阻燃及防腐處理[63-65]等開(kāi)展了大量相關(guān)研究，有力推動(dòng)了其應(yīng)用。還有學(xué)者[66-69]圍繞高強(qiáng)性能纖維增強(qiáng)竹重組材開(kāi)展了研究。竹重組材不僅可以用來(lái)鋪設(shè)室內(nèi)外地板，建造廊亭、房屋(圖9a)、廁所(圖9b)等，還可以應(yīng)用到景觀(guān)護(hù)欄、道路護(hù)欄等項(xiàng)目中。

圖9 竹重組材及應(yīng)用(照片：周春貴)Fig. 9 Parallel bamboo strand lumber and its applications

2.2.3 竹編膠合材

竹編膠合材[1]是將竹材斷料去青, 劈成竹片或竹篾編成竹席或竹簾，經(jīng)過(guò)處理(如炭化等)并干燥至一定含水率，然后浸膠或涂膠，組坯壓制而成的竹質(zhì)型材。圖10a為一種竹編膠合材產(chǎn)品。竹編膠合材是20世紀(jì)50年代就開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，早期常被用作建筑模板、車(chē)廂底板等。后來(lái)也被開(kāi)發(fā)成各類(lèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者組合構(gòu)件，應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域。竹編膠合材對(duì)竹片加工工藝要求較低，整體制造成本較低。作為最早出現(xiàn)的工程竹材，人們[1,70-72]對(duì)其開(kāi)展的研究較多，也有不少工程應(yīng)用，如北京紫竹院別墅(圖10b)[71]、耒陽(yáng)竹橋[71]、華科石榴居等。

圖10 竹編膠合材及應(yīng)用Fig. 10 GluBam and its applications

2.2.4 竹纏繞復(fù)合材

竹纏繞復(fù)合材[73-74]是指以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的旋切竹皮、竹篾或細(xì)竹條等為基材，以樹(shù)脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的生物基材料。葉柃等開(kāi)發(fā)出了竹纏繞復(fù)合管系列產(chǎn)品(圖11a)，創(chuàng)建了工業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)，并在多地進(jìn)行了工程示范[73]。李海濤等[74-76]共開(kāi)發(fā)出4類(lèi)竹纏繞制作技術(shù)：第1類(lèi)，將處理好的原竹展平，刨切成竹皮，纏繞成竹復(fù)合材；第2類(lèi)：將原竹直接旋切成竹皮，纏繞成竹復(fù)合材；第3類(lèi)：將原竹破成竹篾或細(xì)竹條，編成竹簾或竹席然后纏繞成竹復(fù)合材；第4類(lèi)，將制作的竹重組材、竹集成材、竹編膠合材等各類(lèi)工程竹材大幅面單板，旋切成竹皮，然后纏繞成竹復(fù)合材。圖11b為開(kāi)發(fā)的一種產(chǎn)品。還開(kāi)發(fā)出了將竹皮與FRP復(fù)合材、各類(lèi)生物質(zhì)材料、傳統(tǒng)建材等組合纏繞形成組合構(gòu)件的制造關(guān)鍵技術(shù)和系列復(fù)合產(chǎn)品。竹纏繞復(fù)合材可應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域，尤其是水利工程和市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中。

圖11 竹纏繞復(fù)合材及工程應(yīng)用Fig. 11 Bamboo twined composite materials and its applications

2.2.5 竹碎料型材

竹碎料型材[1]主要依據(jù)木材刨花板的制造原理，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的雜竹、毛竹梢和各種竹材加工邊角料等為原料, 經(jīng)切片、輥壓、篩選、施膠、鋪裝等工藝, 最后熱壓而成的型材。該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝與木質(zhì)刨花板相近，制成的竹碎料板的強(qiáng)度高于木刨花板，其吸水膨脹率低于木刨花板，在水泥模板及復(fù)合板的基材等方面應(yīng)用前景廣闊。

2.2.6 竹塑復(fù)合材

竹塑復(fù)合材[1]以經(jīng)過(guò)預(yù)處理改性的竹粉、竹鋸末、竹屑或竹渣等為主要原料，利用高分子化學(xué)界面融合原理，與熔融熱塑性樹(shù)脂(主要有PE、PP、PVC等)按一定的比例混合，在添加劑的作用下，經(jīng)過(guò)高溫混煉和成型加工而制得的一種新型復(fù)合材料。

竹塑復(fù)合材和竹碎料型材一樣，充分地把各種形式的竹材利用起來(lái)，將竹材原料的工業(yè)化利用發(fā)揮到了極致。竹材的竹青和竹簧對(duì)膠黏劑潤(rùn)濕性差。在前述的4種產(chǎn)品生產(chǎn)中，均需將竹青和竹簧除去方可獲得滿(mǎn)意的膠合效果，使得工藝復(fù)雜且降低了竹材利用率。竹塑復(fù)合材和竹碎料型材將竹材加工成竹粉或分離成針狀竹絲，在一定程度上改變了竹青、竹簧原有的表面狀態(tài)，大大地改善了膠合效果，且原料來(lái)源廣，是提高竹材綜合利用率和竹材加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的兩類(lèi)值得開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。

2.3 其他復(fù)合材料及應(yīng)用

除前述一些以竹材為主要原料的工程竹材產(chǎn)品外，一些科研人員[77-82]還將工程竹材同原竹材、木材(或廢棄的木材及其碎屑)、秸稈、鋼、FRP、廢棄塑料、混凝土等中的一種或多種組合起來(lái)，形成新的復(fù)合材料或組合構(gòu)件，并應(yīng)用到工程領(lǐng)域，拓展了工程竹材的應(yīng)用范圍。

2.3.1 竹木復(fù)合材

竹木復(fù)合材[79]是將處理后的竹材和木材通過(guò)膠黏劑膠合而成的型材。通常是將竹材置于表層，中間層以木材取代，也可以交錯(cuò)組合。竹木復(fù)合材由張齊生院士在20世紀(jì)90年代提出，并成功開(kāi)發(fā)出竹木復(fù)合集裝箱底板等系列產(chǎn)品。“一種竹木復(fù)合集裝箱底板及其制造方法(ZL98111153.X)”獲中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)，“竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)新與應(yīng)用”獲2012年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2.3.2 竹秸稈復(fù)合材

竹秸稈復(fù)合材是將處理后的竹材和秸稈通過(guò)膠黏劑膠合而成的型材。竹材既可以置于表層，也可以置于秸稈內(nèi)部，組合形式多樣。竹材可以是竹單板、竹片、竹篾、竹絲、竹纖維、竹碎料等，秸稈可以是麥稈、稻草、玉米稈、高粱稈、亞麻稈、蘆葦稈、棉稈等。李海濤等[80-81]先后開(kāi)發(fā)出了包括梁、板、柱、磚等在內(nèi)的系列擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的竹秸稈復(fù)合產(chǎn)品。

3 結(jié) 語(yǔ)

竹材已深入到了土木工程領(lǐng)域的方方面面。對(duì)于原竹結(jié)構(gòu)體系，其應(yīng)用較為廣泛，歷史也悠久，如何提高耐久性、抗裂性是未來(lái)研究的重要方向；而對(duì)于工程竹材結(jié)構(gòu)其應(yīng)用剛起步，工程竹材產(chǎn)品的品種越來(lái)越多，但整體上現(xiàn)有的加工制造成本較高，自動(dòng)化程度較低，某種程度上制約了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。另外，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系還沒(méi)建立起來(lái)，人們對(duì)這類(lèi)材料的研究局限性較強(qiáng)，往往受制于某種加工工藝的產(chǎn)品，相關(guān)研究成果的通用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，大量相關(guān)基礎(chǔ)理論有待進(jìn)一步的建立。標(biāo)準(zhǔn)體系的建立是推動(dòng)竹結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵。ISO委員會(huì)分別于2018年和2019年啟動(dòng)了結(jié)構(gòu)用工程竹材力學(xué)性能試驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)用工程竹材產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制。中國(guó)建筑工程協(xié)會(huì)已立項(xiàng)了一些工程竹材結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

國(guó)家有關(guān)部門(mén)也出臺(tái)了多項(xiàng)政策支持竹木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。2013年1月，國(guó)家發(fā)改委、住建部聯(lián)合發(fā)布了《綠色建筑行動(dòng)方案》，鼓勵(lì)大力發(fā)展綠色建材，加強(qiáng)綠色建筑相關(guān)技術(shù)研發(fā)推廣。2015年8月31日，工信部、住建部發(fā)布了《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》，提出“鼓勵(lì)在竹資源豐富地區(qū)，發(fā)展竹制建材和竹結(jié)構(gòu)建筑”。2016年2月，中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》里指出“在具備條件的地方，倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑”。2016年9月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》里指出“在具備條件的地方倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑”。可以預(yù)見(jiàn)，隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)體系的健全，竹材在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用將更加深入和廣泛。

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