竹子或竹纤维增强材料在建筑材料领域“异军突起”

竹子是一种天然的、快速生长和可再生的资源。竹类植物在世界各地的热带和非热带地区都有。亚太地区的竹子的生物多样性特别丰富。由于现有建筑材料的高能源需求和其他天然材料（如木材）的稀缺，竹子是一个很好的建筑替代品。本文回顾了竹子的机械性能和在建筑中的应用。不同竹种的抗拉强度在70-210兆帕之间，抗压强度20-65兆帕，弹性模量2500-17500兆帕，断裂模量50-200兆帕。竹子是一种多功能的材料，可以以各种方式用于建筑。竹子可以根据建筑的具体需要进行设计，如层压竹和节疤竹。工程竹子可用于各种住房用途，如屋顶和地板。竹子的秆经常被直接使用而不作任何改动，作为结构件，如梁和柱。竹纤维也可以作为混凝土的加固物，以替代钢材。竹子加固混凝土（bamboo reinforced concrete，以下简称BRC）梁的剪切和弯曲行为明显优于普通混凝土梁。竹纤维加固混凝土（Bamboo fibers reinforced concrete，以下简称BFRC）是现有合成纤维加固混凝土（如玻璃纤维和钢纤维）的一个良好替代品。

竹子是一种部分通用的材料，可以在建筑中以不同方式使用。由于竹子的建筑需求，竹子的秆可以用作结构元素，也可以根据需要以不同的方式进行改造。它具有社会经济效益，因为它很耐用，而且价格便宜。竹子可以被证明是现有建筑材料的一个可行的替代品，并且可以用于有机形结构。在接下来的章节中，将讨论建筑中使用的各种形式的竹子。

完整的竹秆可以作为一个整体元素用于建筑需求、脚手架、度假村建设等。这种类型的使用在当地有竹子的地区比较常见。如图1所示，全竹或半竹被连接在一起，用于柱子、墙壁、屋顶檩条和杆子等。由于竹子的中空形状，这种类型的竹子使用中的连接是很困难的。通常情况下，竹秆在末端用绳子绑在一起。还有其他诸如使用软管夹、混凝土和螺栓的连接方法。使用软管夹子或混凝土嵌件可以大大改善连接的性能。

图1 竹秆的使用 (a) 完整的竹秆作为结构元素，(b) 半/完整的竹秆作为绳索

工程竹子是指在建筑中使用前经过加工和改变的竹子。这种用途被用于地板、板材、墙板和其他用途。建筑中最常见的工程竹子类型是层压竹子。在层压竹子中，竹子的秆首先被压扁，形成大小一致的层压条，如图2所示。这些层压条被分层粘在一起，形成层压竹板，如图3所示。

图2 

图3 

竹纤维在秆的纵向上生长，这使得它在拉伸和压缩中都具有轴向强度。竹子的这种行为使其成为传统钢筋的可行替代品。竹子的秆通常以条状或全秆的形式使用，并首先使用不同的解决方案进行白蚁处理。竹子加固混凝土的性能主要取决于竹条和混凝土之间的互锁。竹筋混凝土梁的承载行为与RC梁相似。使用粘合剂可以使竹筋防水，使用软管夹子可以防止竹筋滑落。使用Sikadur32-gel也能增强竹子和混凝土之间的粘合强度，也能提高竹筋梁的抗弯强度。

竹制钢筋一般用于梁，作为主筋或箍筋。它也可以用在柱子上作为主筋或箍筋。许多研究人员都在研究在混凝土中有效地使用竹子作为钢筋。BRC梁的行为通常远远好于PCC梁。用3.8%的竹子加固的BRC的剪切和弯曲行为变得与用1.23%的钢筋加固的RCC梁非常相似。竹筋的性能可以通过使用钢筋作为机械锚或使用软管夹来加强。图4显示了有200平方毫米竹筋的BRC梁和有100.48平方毫米钢纤维增强的钢筋梁（steel reinforced beam，以下简称SRC）的行为。如图所示，软管夹的使用提高了BRC梁的极限承载力，但一般来说，钢筋梁比BRC梁的刚度和延展性要好得多。

图4

纤维增强混凝土在过去已经利用不同的纤维进行了使用。由于混凝土在拉力方面很弱，所以一般在高拉力区提供纤维以加强混凝土和减少裂缝宽度。合成纤维，如玻璃、钢、石棉、碳和其他聚合物通常用于纤维增强混凝土，但由于合成纤维的稀缺性和高能源需求，鼓励在纤维增强混凝土中使用回收的骨料或天然的纤维，如木材、椰子、麻、剑麻和稻壳和竹。

竹纤维是环保型材料，可用于纤维增强混凝土。竹纤维通常是通过将竹子的秆粉碎和研磨成小纤维，然后通过干燥去除水分含量而获得。用于混凝土的竹纤维的长度从10毫米到67.5毫米不等。竹纤维不能提高混凝土的抗压强度。事实上，由于竹纤维的存在，它们会导致混凝土的抗压强度下降，因为骨料和水泥基体之间的结合强度差。相反，竹纤维明显改善了混凝土的抗拉强度。图5中对含有0.26%纤维的BFRC与普通混凝土的拉伸行为进行了比较。竹纤维的加入稍微改善了混凝土的抗折强度，但它增强了裂缝控制和延展性。与普通混凝土相比，竹纤维可以显著提高BFRC的抗冲击性。当它与钢纤维以混合形式使用时，它可以提高抗冲击性达550%。

图5

此文由中国复合材料工业协会综编，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。