范 慧,張 建,鮑建華,袁少飛,王洪艷,李 琴
(1. 浙江農林大學,浙江 臨安 311300;2. 浙江省林業科學研究院 浙江省竹類研究重點實驗室,浙江 杭州 310023;3. 浙江天振竹木開發有限公司,浙江 安吉 313300)
建筑結構用重組竹材重要性能研究現狀及發展趨勢
范 慧1,2,張 建2,鮑建華3,袁少飛2,王洪艷2,李 琴2
(1. 浙江農林大學,浙江 臨安 311300;2. 浙江省林業科學研究院 浙江省竹類研究重點實驗室,浙江 杭州 310023;3. 浙江天振竹木開發有限公司,浙江 安吉 313300)
重組竹是種不可多得的綠色建筑結構用材和替代木材的生物質材料。綜述了建筑結構用重組竹材的研究進展,詳細闡述了重組竹材的力學、防腐防霉、耐老化、阻燃等性能及其主要檢測方法,分析了當前結構用重組竹材產業存在生產企業少、制造工藝、產品安全性能等缺乏系統研究等問題。提出對重組竹材進行基礎研究、開發更多應用領域的產品、完善相關標準、加大推廣力度等建議。
重組竹材;結構;力學性能;防腐防霉;耐老化性能;阻燃性能
Abstract:Bamboo scrimber is a kind of biologic material for replacing wood to be used as architecture structure. Reviews were made on research progress of bamboo scrimber in recent years. Description was given on its properties such as mechanical, anticorrosion and mildew proof, ageing resistant and fire-retardant and their test methods. Problems namely fewer producers, lack of systematic researches on manufacturing technology,safety performance of final product were analyzed. Suggestions for a healthy and sustainable development were put forwarded like fundament6al study on bamboo scrimber, more products available, relative standards performed and more extension.
Key words:bamboo scrimber; structure; mechanical property; anticorrosion and mildew proof; aging resistant; fire-retardant
傳統建筑大部分采用鋼材、水泥等材料,無法循環利用且難以降解,易造成環境污染?!秶抑虚L期科學與技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中已明確把綠色建筑、節能降耗和開發利用農林生物質資源列為重點領域和優先主題。竹材木材是典型的綠色低碳環保建筑材料,易降解且可循環利用。竹結構在設計與建筑中有較好的靈活性、抗震性能,其性能甚至超過木結構;竹質工程材料不僅符合當代建筑工程需求,還適宜規?;茝V發展[1-2]。重組竹材主要用于梁、柱、室內外墻板及屋面板[3]。本文對我國建筑結構用重組竹材研究現狀、重要性能及檢測方法進行歸納分析,旨在為結構用重組竹材產業發展以及相關檢測方法的制定提供參考。
重組竹材是我國最先自主研發、擁有自主知識產權并形成了產業化的一個主要竹材產品[4],其原料主要是資源豐富且生長周期短的竹材。重組竹材具有竹材利用率高、力學性能優良、價格低廉等優點,可滿足公眾休閑場所及高級住宅區等對戶外建材及用品的需求[5],是一種不可多得的綠色建筑用材和替代木材的生物質材料。和天然木材及傳統人造板相比,重組竹材具有更優異的硬度、強度、耐水性和耐久性[6-7]。傳統重組竹材基本用于生產竹地板,但因其具有優異的力學性能,眾多學者對其應用于建筑領域開展了研究,并逐漸用作建筑的柱、梁、桁架等結構部件。重組竹材向建筑結構和室外發展的最大受限因素是耐候性。耐候性是指材料在使用過程中抵抗干濕、冷熱、霜凍、雨雪和紫外線輻射等外界自然條件的能力,所以有時又統稱為耐老化性。近年來隨著竹材防腐、防霉和熱處理等技術的發展,突破了這些技術瓶頸,為重組竹材用于建筑結構夯實了基礎[8-10]。重組竹材用于建筑結構受力及抗震等性能,主要分為基礎、框架柱、框架梁、結構板、結構墻等部分[11]。張齊生[12]指出重組竹材具有強度大、韌性好、耐磨損、紋理通直、色澤高雅等優點,適宜作為結構材料和裝飾材料。于文吉等[13]在竹材不去竹青竹黃的條件下開發出高性能竹基纖維復合材料,將竹材利用率提高到90%以上。余養倫等[14]制造出可用于建筑梁柱及建筑撐木用的竹基纖維復合材料。
建筑結構用材料在性能上有著特殊的要求。目前,建筑結構用竹木產品重要性能有力學、耐老化、防腐防霉、阻燃等性能[15-16],具體指標主要有尺寸變化率、內結合強度、膠合強度、靜曲強度、彈性模量、浸漬剝離、防腐等級、防霉效力等[17]。影響竹木質材料用于結構的主要因素,一是材料所用膠粘劑耐水、耐熱等性能;二是組成單元材料的化學組成、纖維形態;三是材料使用時所處的溫度、濕度等環境條件[18-19]。對于重組竹材來說,根據其用于建筑結構的不同部位,其重要性能主要有力學性能、防腐防霉性能、耐老化性能等。近年來,有關學者對重組竹材結構力學特性、防腐防霉、耐老化等性能開展了試驗研究。
魏洋等[1]對竹簾膠合板、竹材層積材和重組竹3種竹質工程材料比較后發現重組竹力學性能穩定、離散性小、強度高,適宜制作承重構件結構柱。于文吉等[20]試驗發現重組竹材密度與靜曲強度成線性關系,竹青對內結合強度影響很大,但對彈性模量影響不明顯。肖忠平等[21]檢測碳化重組竹力學性能后發現其抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度等都高于一般的木質材料。李霞鎮等[22]研究發現以毛竹Phyllostachys heterocycla‘Pubescens’為原料的重組竹材的順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、順紋剪切強度、橫紋局部和橫紋全部抗壓強度等物理力學性能均一穩定且遠高于普通木材,完全滿足建筑結構用材的力學強度要求。呂清芳等[23]對重組竹材制造的結構用柱構件進行了足尺試驗,發現其具有優異的彈性恢復能力。于子絢等[24]通過落錘沖擊試驗后證明高密度重組竹材的耐沖擊性能優異。張俊珍等[25]對以慈竹Neosinocalamus affinis為原料制作的重組竹材與落葉松Larix gmelinii等6種木材進行了力學性能對比研究,結果表明重組竹材各個方向的強度值均比6種木材高,且穩定性能好,順紋和橫紋(弦向)的抗變形能力差別小,橫紋抗壓表現出較好的延性,是一種塑性破壞。馬欣欣等[26]對竹材和竹質工程材料通過Burger模型進行蠕變測試后發現,在不同時間段、不同竹質材料擬合效果都有所不同,對結構用重組竹材受力后的長期蠕變預測提供了技術支持。李霞鎮等[27]驗證了電測法在重組竹彈性常數測定中的適用性,在對比重組竹和幾種木材的彈性常數后,發現重組竹彈性常數比普通木材的彈性常數大,其彈性常數滿足正交各向異性模型的限制條件。盛寶璐等[28]試驗后發現在重組竹材的承載范圍內,應力-應變關系呈完全線性特征,達到比例極限后,表現出非線性特征;重組竹材順紋抗拉和抗壓彈性模量相差不大,但順紋抗拉強度是橫紋抗壓強度的近2倍;順紋抗剪強度大大低于橫紋抗剪強度,但兩者的剪切彈性模量相差不大。張蘇俊等[29]對重組竹材制作的方形柱進行受壓試驗,證明重組竹材彈性較好,其穩定承載力可采用材料力學基本公式進行計算。張秀華等[30-31]利用木結構設計計算方法進行竹楠木Phoebe zhennan重組竹材力學特性研究,試驗發現重組竹材抗壓試件破壞需經過三個階段,得到抗拉和抗壓強度計算方法,為竹楠木材結構設計、試驗研究提供了理論基礎。劉方舟等[32]對重組竹材和木材的順紋抗拉強度試驗后發現,重組竹材的抗拉強度遠遠大于東北落葉松,而且重組竹材材質均勻,具有較好的穩定性,其順紋抗拉強度和彈性模量之間的離散性更小。陳國等[33]對5 m和6 m大跨度房屋結構用竹質屋架進行了檢驗性試驗和破壞性試驗,結果顯示竹結構屋架比木結構屋架具有較大的強度儲備和更高的承載力及剛度。
竹材含有淀粉、糖類等營養物質,在加工、運輸和使用過程中易發生腐朽、霉變和蟲蛀,造成硬度、強度、可使用性等降低甚至消失[7-34],研究發現引起竹材霉變腐朽的真菌有50多種[35-36],因此重組竹材的防腐防霉性能也是其用于建筑結構的重要性能之一??蒲腥藛T通過借鑒木材防腐防霉處理方法,對重組竹材防腐防霉性能做了眾多研究。魏萬姝等[37]、侯瑞光等[38]等研究發現竹材經高溫炭化處理,使用酚醛樹脂壓制的重組竹材具有較好的防腐效果。張宏等[6]進行了同等濃度不同藥劑及處理方式對重組竹材的霉腐防治效力試驗,結果表明重組竹材進行防霉處理的效果優于對其制造單元進行防霉處理,篩選出2種適宜重組竹材的防霉劑。覃道春等[39]選擇7種常見防霉劑制備防霉重組竹材,發現防霉處理后的重組竹材經水洗后,防霉性能均有不同程度降低,篩選出適用于戶外重組竹材的防霉劑。張曉春等[40]開展了重組竹材模擬室外霉變試驗,結果表明重組竹材吸藥量隨防霉劑濃度的增加而增大,重組竹材浸漬水性防霉劑后,再在其表面均勻刷涂油性防霉劑或保護劑,防霉效果最好。張建等[41]采用5種防腐防霉劑對炭化重組竹材進行抑菌效果試驗,發現5種防腐防霉劑均具有較好的抑菌效果,不同防腐防霉劑抑菌效果有所差異,同時發現未防腐防霉處理的炭化重組竹材也具有較好的耐腐能力,達到Ⅰ級強耐腐,但其防霉性能差。趙鶴[42]采用5種水溶性防腐劑壓制重組竹材,篩選出適合于戶外重組竹材使用的防腐劑,并通過輾壓竹束防腐處理工藝和重組竹材生產工藝的優化研究,開發出性能優異的戶外家具用防腐重組竹材。
建筑結構用重組竹材在使用過程中,特別是用于戶外時,隨著溫度、濕度、光照等環境條件的變化以及時間的推移,會使重組竹材性能不同程度受到影響,嚴重的會造成重組竹材力學性能受損或降低,影響其安全性和正常使用。耐老化性能(也稱耐久性能)是衡量用于建筑和戶外重組竹材的安全性的又一個重要指標,但目前國內外還沒有針對重組竹材的耐老化性能的檢測方法。目前,主要參照國內外一些常用的加速老化試驗方法對重組竹材進行加速老化處理,分析其處理前后的力學性能變化情況,從而評價重組竹材的耐老化性能。黃小真[43-44]采用ASTM D1037,BS EN1087-1,European AFNOR V313三種人工加速老化方法對戶外重組竹材耐老化性能進行研究,分析了加速老化前后的力學性能變化情況,并進行了耐腐性能試驗。
重組竹材用于建筑結構時,其阻燃性能也是要考量的重要指標之一。目前,只開展了一些對其他竹質板材阻燃性能的研究,而對于重組竹材阻燃性能的研究較少。周泉等[45]對以竹膠合板為材料制造的裝配式竹結構房屋進行了受火試驗,結果證明竹結構墻體具有較好的隔熱阻燃功能,裝配式竹結構房屋比輕鋼活動板房具有更好的安全性和抗火性。肖巖等[46]對以竹膠合板為材料制造的竹結構輕型框架房屋安全性能進行了火災模擬試驗,表明竹結構房屋具有良好的火災安全性能,耐火時間可達1 h以上。杜春貴等[47]通過對竹束進行阻燃浸漬處理來制取阻燃重組竹材,試驗證明阻燃處理后,重組竹材含水率、吸水厚度膨脹率、內結合強度和靜曲強度等性能都有所降低。對建筑用炭化重組竹材進行阻燃性能檢測,結果顯示炭化重組竹材阻燃性能可達難燃B1級。
重組竹材性能主要參照木質人造板相關檢測方法進行檢測。重組竹材由于其加工原料單元的特殊性,使得其產品的力學性能與普通的竹材或木材人造板有很大差異,特別是重組竹材在室外和建筑等應用領域的不斷拓展,現有的檢測方法已不能適應其性能檢測。目前,建筑結構用重組竹材重要性能主要參照ISO、英國、美國和中國的一些標準對其力學、防腐防霉、耐老化能和阻燃等性能進行檢測,參照標準不同,測試的具體指標和所用檢測方法也有所不同。
重組竹材力學性能最初主要參照GB/T 17657中有關方法測試,主要檢測靜曲強度、彈性模量、膠合強度、膠層剪切強度、浸漬剝離、握螺釘力、沖擊韌性等力學性能[48]。林業行業標準LY/T 1573-2000《竹地板》在2006年升級為國家標準GB/T 20240-2006《竹地板》,但該標準主要適用于以竹片為主要原料加工而成的竹地板,主要測試靜曲強度、浸漬剝離、表面抗沖擊等性能[49]。于文吉[50]在對毛竹、淡竹Phyllostachys glauca,剛竹Ph. sulphurea‘Viridis’,綠竹Dendrocalamopsis oldhami等多個竹種的重組竹材膠合進行系統試驗后,2008年牽頭制定重組竹地板國家標準,2013年GB/T 30364-2013《重組竹地板》國家標準正式頒布,為重組竹材的開發以及產品檢測提供了依據。該標準將重組竹地板分為室內用和室外用兩種,并對室外用重組竹地板在吸水寬度(厚度)膨脹率、水平剪切強度、表面耐水蒸汽性能等方面提出了較高要求[51]。建筑結構用重組竹材的力學安全性能尤為關鍵,目前主要參照木結構的有關標準。GB 50206-2012《木結構工程施工質量驗收規范》主要對方木、原木、膠合木及輕型木結構等用于建筑結構的施工質量中的木材強度、板材質量、釘彎曲試驗、受彎木構件力學性能等進行了明確要求[52];GB/T 50329-2012《木結構試驗方法標準》主要明確了梁彎曲、軸心壓桿、偏心壓桿、橫紋承壓比例極限、膠粘能力、膠合指形連接、桁架等試驗測定方法[53]。GB/T 21128-2007《結構用竹木復合板》明確了適宜制作承載構件的竹木復合板在彈性模量、靜曲強度、水平剪切強度、浸漬剝離、集中靜載與沖擊荷載、均布荷載等力學性能指標要求及測試方法[54]。林業行業標準LY/T 1975-2011《木材和工程復合木材的持續負載和蠕變影響評定》主要規定了檢驗和評價持續負載和蠕變對木材和工程復合材料影響的方法[55]。
重組竹材防腐防霉性能檢測主要參考木材的防腐防霉檢測方法[6]。《重組竹地板》中對室外用重組竹地板防霉防變色性能以及防腐性能進行了明確的要求,其中防霉菌性能被害值至少為1,防變色菌能力至少為2,防腐性能要達到1級[51]。2009年修訂的GB/T 13942.1《木材耐久性能 第1部分:天然耐腐性實驗室試驗方法》是在實驗室條件下測試木材抵抗木腐菌浸染能力,根據質量損失情況分為不耐腐、稍耐腐、耐腐和強耐腐4個等級[56]。GB/T 13942.2-2009《木材耐久性能 第2部分:天然耐久性野外試驗方法》主要是對木材在野外暴露條件下抗微生物破壞或白蟻蛀蝕的性能,并分為不耐久、稍耐久、耐久和強耐久共4個等級[57]。LY/T 1283-2011《木材防腐劑對腐朽菌毒性實驗室試驗方法》是對1998年版本的修訂,規定了褐腐菌和白腐菌的具體菌種,是在最適宜的實驗室條件下測試防腐處理后的木材受腐朽菌浸染情況,也是以質量損失作為測試指標[58]。GB/T 18261-2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗方法》采用實驗室及戶外試驗方法來評價防霉劑對木材霉菌和變色菌的防治效力,將試樣受霉菌和變色菌表面感染值、試樣受變色菌浸染后變色程度均分為5個等級[59]。
國外對于木質材料耐老化性能的檢測方法標準制定起步較早,主要有國際標準(ISO)、英國標準(BS)、美國標準等。近幾年我國在新制定或修訂標準時,在借鑒國內外標準的基礎上,也相繼提出了耐老化性能的檢測方法。耐老化性能的檢測主要是借助儀器設備,模擬重組竹材使用環境,設置條件對重組竹材進行加速老化處理,測試其相關性能并分析變化情況。目前常用的加速老化試驗方法主要有循環試驗法、煮沸試驗法等。BS EN 321: 2002和ISO 16987: 003(E)是三循環試驗法,主要是將試件恒重處理后,以水浸、冷凍和干燥作為一個處理,循環處理3次,最后測試相關性能[60-61]。GB/T 17657-2013中4.26和ASTM D 1037-06a是六循環試驗法,將試件先后進行熱水浸泡、噴蒸、冷凍、干燥、噴蒸、干燥等加速老化處理,按此條件進行6個循環,最后測定試件靜曲強度、握螺釘力等性能,來評價材料的耐老化能力[48,62]。GB/T 17657-2013中4.10是將試件進行水煮(浸)-冷凍-干燥處理后測試靜曲強度,試件厚度不同水煮和干燥時間分為3 h和6 h。BS EN 1087-1:1995,ISO 16998:2003(E),GB/T 17657-2013和GB/T 11718-2009等標準中明確了沸騰試驗法。BS EN 1087-1:1995標準是先將試件處理至恒重后置于水中,100℃沸水煮120 min,然后取出放入20℃的水中浸泡1 ~ 2 h,試件表面擦干后立即進行性能測試[63]。GB/T 17657-2013中4.9是將試件在沸水中煮2 h,冷卻1h后測試靜曲強度[48]。ISO 16998:2003(E)和GB/T 11718-2009中6.11的沸騰試驗方法是將試件處理至恒重后沸水煮120 min,20℃水中浸泡60 min后取出試件擦干表面,平放在70℃干燥箱中干燥960 min,冷卻至室溫后測試性能[64-65]。BS EN 1087-1:1995和GB/T 17657-2013中4.9兩種沸騰試驗法是試件在濕狀態下進行測試,而ISO 16998:2003(E)和GB/T 11718-2009 中6.11的沸騰試驗方法是試件在干燥狀態下進行測試。
建筑結構用重組竹材的阻燃性能檢測主要參照建筑材料或木質材料的相關燃燒性能檢測方法。我國阻燃性能標準中部分試驗方法和燃燒性能分級標準參照了歐盟、德國等標準。我國現行的建筑材料和木質材料燃燒性能方面的標準主要有GB/T 8625-2005《建筑材料難燃性試驗方法》、GB/T 20284-2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》、GB/T 20285-2006《材料產煙毒性危險分級》、GB/T 8626-2007《建筑材料可燃性試驗方法》、GB/T 8627-2007《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》、GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》、GB/T 14523-2007《對火反應試驗建筑制品在輻射熱源下的著火性試驗方法》、GB/T 16172-2007《建筑材料熱釋放速率試驗方法》、GB/T 17658-1999《阻燃木材燃燒性能試驗火傳播試驗方法》、GA/T42.1-92《阻燃木材燃燒性能試驗方法木垛法》等[66-75]。
我國在重組竹材生產和利用已經取得了眾多的研究成果,處于國際領先水平,但重組竹材用于建筑領域尚處于探索和起步發展階段,專業生產建筑結構用重組竹材的龍頭企業仍偏少,在對建筑結構用重組竹材制造工藝、安全性能、產品開發、標準制定等方面仍缺乏系統研究,還需要進一步深入系統地開展研究。
由于竹材在材質和材性上與木材有很大差異,重組竹材用作工程結構材料時,其相關基礎研究還需做更深入研究。除了系統開展重組竹材用于建筑結構不同部位的基本強度要求和科學合理生產工藝的研究,還需加快開展重組竹材尺寸穩定性、耐久性、防蟲防霉性、蠕變性、抗沖擊性及耐火性等關系到建筑結構安全的重要性能研究。這樣既能更好的提升建筑結構用重組竹材生產技術,又能為拓展重組竹材用途和產業化推廣提供有力的可靠的技術支持。
充分利用竹材韌性好、耐磨、強度大的特點,根據市場需求,從提高原料利用率和產品安全性能出發,加強建筑結構用重組竹材產品的研發,不斷拓展重組竹材應用領域,使產品向多元化、功能化、系列化發展。加快開發具有環保、防腐、防霉、耐水、阻燃、保溫、隔音等功能的建筑用梁、柱、桁架、覆面板、墻板等重組竹材產品,特別是大跨度的梁、柱和桁架等工程用結構構件連接方式研究和產品開發,實現產品標準化和模塊化生產。
目前,國內外還沒有專門的關于建筑用重組竹材及其產品的相關標準。重組竹材用在建筑不同部位,導致其最終產品在性能和用途上也有所不同。因此,在借鑒國內外先進測試方法的基礎上,制訂適宜建筑結構用重組竹材及其產品的生產技術規程和產品標準,以及重組竹材建筑結構用構件的產品設計、安全性能評價、施工質量驗收等技術標準和規范,建立一套健全的建筑用重組竹材標準體系。
在工業4.0的時代大背景下,建筑行業也面臨全新的挑戰和機遇,特別是新興的裝配式結構建筑發展迅速,已經成為當今建筑工業化的發展趨勢之一。非常適用于建筑預制技術的重組竹材有著廣泛的發展前景和潛力。但是由于竹木質建筑結構造價較高,市場份額小,社會認知度不高等原因,使得重組竹材在建筑上還沒有得到廣泛應用。因此,需加強宣傳,提高重組竹材影響力和市場份額;同時政府和行業部門制定出臺一些專門針對建筑用重組竹材和木質建筑的扶持政策,以便更好地推動建筑結構用重組竹材的產品開發和市場推廣。
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Current Situation and Trend of Researches on Properties of Bamboo Scrimber for Architectural Structure
FAN Hui1,2,ZHANG Jian2,BAO Jian-hua3,YUAN Shao-fei2,WANG Hong-yan2,LI Qin2
(1. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Key Lab of Bamboo Research of Zhejiang, Zhejiang Academy of Forestry,Hangzhou 310023, China; 3. Zhejiang Tianzhen Bamboo and Wood Development Co.,Ltd.,Anji313300,China)
S795.9;TS653
A
1001-3776(2017)04-0100-07
10.3969/j.issn.1001-3776.2017.04.018
2017-03-04 ;
2017-06-19
浙江省林業廳省院合作重大林業科技項目“重組竹材自動化連續生產線關鍵設備研制與應用”(2017SY11);浙江省科技廳科研院所專項項目“竹質結構材安全性能研究及其在建筑工程中的應用”(2015F50051)
范慧,在讀碩士研究生,從事竹木材加工研究;E-mail:360526425@qq.com。通信作者:張建,研究員、博士,從事竹木材加工研究;E-mail:zhjianzj@126.com。