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中国竹资源十分丰富,竹种植面积及存储量均位于世界第一[1]。竹子具有生长周期短、环境友好、比强度大、韧性好等特性,其比强度为钢材的3~4倍[2],是一种物美价廉的可持续发展生态资源。与水泥、钢制品相比,竹材生长周期短、生长过程中可以起到对环境的固碳作用,加工简单、能耗小,使用废弃后可降解,对环境无污染[3]。竹缠绕复合材料是一种生物基复合材料,可充分发挥竹材拉伸强度高、韧性好的特性。2015年、2016年及2018年两会,全国政协委员和人大代表联名建议加快促进竹缠绕复合材料技术产业化。2016年竹缠绕复合材料被科技部、环保部、工信部列入“节能减排与低碳技术成果转化推广清单”。国家林业和草原局专门成立了“国家林业局推进竹缠绕产业发展领导小组”,对竹缠绕产业加大领导力度,扶持力度。竹缠绕技术就是将以竹篾、竹束或者竹纤维构成的加工单元应用连续的缠绕成型工艺,通过控制缠绕角和缠绕张力将缠绕单元有规律地缠绕到芯模上,缠绕单元可以是其中的一种或者多种[4]。竹缠绕技术的诞生,不但符合生态环保要求,也可以带动竹产区经济快速发展。近年来国家也出台了相关政策推进生态文明建设,利用竹子轴向拉伸强度高的这一特性,能在产品结构中形成无应力缺陷分布,研发了一大批以竹缠绕复合材料为代表的科技成果,具有巨大社会、经济、生态效应和国际影响力[5]。同时,竹材具有非常良好的加工性能,是我国实现“碳达峰、碳中和”的最佳材料,竹缠绕技术也是实现乡村振兴的重要产业支撑。由于竹缠绕复合材料为新兴技术,相关研究较少,给竹缠绕制品研发、推广及应用带来一定难度。因此,本文梳理了竹缠绕复合制品研究与应用进展,并对其发展方向提出建议。
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竹材是一种优良的纤维增强复合材料,与玻璃纤维和碳纤维相比,其具有低成本、可再生、低能耗、绿色环保等优点[6]。国外竹内叔雄于1932年首次对竹材进行研究[7]。随后,我国以梁希、余仲奎等对竹材的物理特性和力学特性进行初步实验探究。南京林产工业学院竹类研究室通过实验,得出下竹材、木材、钢材强度对比结果表1[8]。可知,竹材在抗拉、抗压强度上均明显优于木材。但是钢材的抗拉强度是竹材的2.5倍以上,考虑在工程应用中的实际情况,竹材一般是通过缠绕的方式应用于实际产品中,钢材比重是竹材的5倍,在相同单位重量下,竹材抗拉强度为钢材的3~4倍。因而,竹材代替钢材应用于实际工程中是具备可行性的。
材质
Material平均抗拉强度/MPa
Average tensile
strength /MPa平均抗压强度/MPa
Average compressive
strength /MPa竹材 Bamboo 208.2 48.7 木材Wood 107.3 44.4 钢材Steel 517~556.3以上 — Table 1. Strength comparison of bamboo, wood and steel
许多学者对竹材力学进行测试研究,如郝际平等[9]对毛竹进行了抗压、抗拉、抗弯、抗剪等一系列力学性能试验,测得4年生毛竹的抗压弹性模量为12.73 GPa,抗拉弹性模量为12.94 GPa,顺纹抗拉弹性模量略大于抗压弹性模量。马建新、张淑娴等通过实验测得轴向竹缠绕复合管试件正面向上弯曲强度为 42.80 MPa,背面向上弯曲强度为 41.02 MPa,环向试件正面向上弯曲强度为13.28 MPa,背面向上弯曲强度为10.38 MPa[10,11]。
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竹纤维是近年来复合材料的研究热点与难点。竹子单纤维为2 mm左右[12],缠绕时需将多根单纤维粘接成纤维束,形状类似于亚麻织物。竹纤维较其他植物纤维有缠绕纤维结合度更高,具有密度低、成本低、力学性能好等优点[13]。
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竹纤维制备大致分为化学制取法、生物制取法、物理制取法、联合制取法四种[14]。化学制取法是利用竹纤维和胶质在特定情况下不稳定的特性,从而完成胶质的分离,保留纤维,但此法能耗大、对环境有污染,且生产纤维不稳定[15]。生物制取法是在不影响纤维的前提下添加特定生物酶,将胶质去除,此法得出产品质量好、成本低,绿色环保,但由于竹内部有较多抑菌物质存在,给酶的选取带来了较大难度[16],因此生物脱胶仍需做大量后续研究。物理制取法是通过机械设备直接碾压竹材得到竹纤维,该方法加工简单,效率高,但是会破坏纤维的内部结构,故只能应用于纤维板材一类的初级产品[17]。联合制取法将上述三种方法相结合,充分利用每种方法的优点,现有的几种制取方法均属于联合制取法。因而,竹材作为一种天然绿色增强材料,现阶段可初步应用于工程,但如何高效、环保地制取竹纤维仍有待进一步研究。
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自竹缠绕复合管产品诞生,2009年在杭州成功试用后,其逐步工程实际中得到应用。2013年—2014年,浙江、黑龙江和新疆3个不同自然条件下开展竹缠绕复合管工程试验,均表现出良好使用性能。2015年1月在襄阳建立了首个竹缠绕复合压力管生产厂,标志着竹缠绕复合管已正式投入生产。20116年6月,在山东临沂建设年产2.5万吨的竹缠绕复合管生产基地。2018年9月由中铁建牵头的广西玉林竹缠绕复合管顺利投产。2019年7月,在湖北、山东、内蒙古、福建、广西、四川等地已相继建成6个竹缠绕复合管生产基地,生产规模进一步扩大。林产工业规划设计院完成的《竹缠绕复合压力材料发展规划》中指出计划在2023年全国建设500个生产基地,年产能达1000万t。
中铁二十局等单位应用的缠绕复合管指标如表2所示。根据以上数据分析,竹缠绕复合管的材料强度与使用性价比有较大优势,对比相关材料性能如表3所示。可见,竹缠绕复合管在刚度、强度方面性能优异,且绿色环保,后期维护费用低,是各方面性能优异的理想管材。
性能指标
Performance index内径/mm
Inner diameter /mm单根长度/mm
Single composite pipe
length /mm压力等级/MPa
Pressure class /MPa环刚度等级/(N/M−2)
Ring stiffness grade /
(N/M−2)管材容重(KN/m3)
Unit weight of pipe /
(KN/m3)环向弯曲弹性模量/MPa
Elastic modulus of circular bending /MPa数值
Value150~3000 3000~12000 0.2~1.6 5000~20000 9.5 2600 性能指标
Performance index环向长期抗拉强度设计值/MPa
Design value of long-term
tensile strength of ring /MPa线膨胀系数/℃
Coefficient of
expansion /℃纵向弯曲强度设计值/MPa
Design value of longitudinal
bending strength /MPa内壁粗糙系数/n
Roughness coefficient
of inner wall /n泊松比
Possion ratio使用温度/℃
Temperature /℃数值
Value37 2×10−5 27 0.0084~0.01 0.3 ≤80 Table 2. Main performance index of bamboo winding composite pipes
材质
Material钢管
Steel pipe球墨铸铁管
Ductile iron pipe钢带水泥管
Steel belt cement pipePE/PVC管
PE/PVC pipe夹砂玻璃钢管
Fiberglass reinforced
plastic mortar pipe竹缠绕复合压力管
Bamboo winding
composite pressure pipe环刚度Ring stiffness 高 高 高 低 低 较高 抗内压Internal pressure resistance 高 高 较低 低 高 较高 结垢性Scale formation 易结垢 易结垢 易结垢 不易结垢 不易结垢 不易结垢 保温性Thermal insulation 差 差 一般 优 优 优 防渗性Seepage resistance 一般 一般 差 好 好 好 耐磨性Abrasion resistance 一般 一般 差 好 好 好 运行维护Maintenance 阴极保护 阴极保护 无 无 无 无 Table 3. Performance comparison between composite pipe and other pipes with the same diameter
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近年来竹缠绕复合管廊也被相继研发成功。相对于传统钢筋混凝土管廊,竹缠绕复合管廊具有抗震、抗地表沉降、耐腐蚀、力学性能好,且绿色环保等优势。2018年4月24日,世界首个竹缠绕城市综合管廊在呼和浩特铺设成功,开辟了新型城镇化建设的新渠道。经过现场力学性能比较,C30混凝土管廊的抗压强度与竹缠绕复合管廊强度相同,满足城市管廊技术规范[24]。实验分析表明[25]在地面受载90t、埋地深1m条件下,竹缠绕管廊竖向变形量不到1%,符合标准,使用寿命可达100年。如内径2800mm、壁厚103mm的竹缠绕管廊环刚度为10000N/m2,覆土高度为4.5m时的管壁最大环向弯曲应力为7.88MPa,最大竖向变形为2.87%[26]。对比传统混凝土管廊,竹缠绕管廊的密度约为其1/3,故施工运输过程中更加方便,综合造价成本低,仅为传统管廊的60%~70%,保温性能优异,使用寿命长,自然条件下使用56年仍保有74%强度,及良好承压以及抗沉降能力[27]。
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根据竹缠绕符合材料的良好力学性能、经济效应、可再生等优势,可以代替传统钢筋水泥等制品,在其他领域如高铁车厢、建筑房屋、容器等均有十分广阔的应用前景。竹缠绕复合车厢已成功研制并进行测试中,世界上首款利用生物缠绕房屋——竹缠绕房屋样品在2017年10月建成,该产品避免了土地污染,建筑噪音等问题,还具有极强的抗风,抗震性能。
Development Status and Trend of Bamboo Winding Composite Products
doi: 10.12172/202111220001
- Received Date: 2021-11-22
- Available Online: 2022-07-15
- Publish Date: 2022-10-26
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Key words:
- Bamboo winding /
- Compound material /
- Renewable resource /
- Mechanical property
Abstract: Bamboo winding composite is a kind of biological matrix composite, which can give full play to the characteristics of high tensile strength and good toughness of bamboo. It can replace traditional materials such as steel, cement and plastics to a certain extent. It is an important material to realize "peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality" and a strategic industry for rural revitalization. In this paper, the advantages of bamboo winding technology were explained from the aspects of bamboo mechanical properties, preparation of winding unit, structure and forming method of bamboo winding products. The applications and effects of bamboo winding products such as bamboo winding composite pipes, bamboo winding composite pipe gallery and other related bamboo winding products in engineering practice were listed. In the end, some suggestions on the research and application development of bamboo winding products at the present were put forward.