抗拉、抗壓、抗彎 無機膠復(fù)合竹材料前景可期

日前，在濟南召開的現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)建筑學(xué)術(shù)論壇上，建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室主任、山東建筑大學(xué)教授張鑫帶來的“高性能無機膠復(fù)合竹材料及結(jié)構(gòu)”項目讓人眼前一亮。中國工程院院士、國家建筑綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家崔愷認(rèn)為，上述新材料代表著建筑材料的未來方向。

張鑫團(tuán)隊的試驗結(jié)果顯示：無機膠復(fù)合竹材料在經(jīng)歷了一系列拉、壓、彎、剪等力學(xué)性能測試后，其抗拉、抗壓、抗彎性能表現(xiàn)出色，甚至在某些方面比工程木材更勝一籌。無機膠復(fù)合竹材料已經(jīng)在北京、山東的一些工程中進(jìn)行了示范。

解決傳統(tǒng)工程竹痛點

我國優(yōu)質(zhì)木材短缺，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)原材料主要依賴進(jìn)口。但與此同時，我國竹林資源豐富，是世界上最主要的產(chǎn)竹地區(qū)，竹林面積約占全球的1/3。如何實現(xiàn)竹材的“小材大用、劣材優(yōu)用”、推進(jìn)竹材建材化是關(guān)鍵問題。

工程竹作為結(jié)構(gòu)承重用材的時間并不長。對于這方面的研究，全世界均處于探索階段。“傳統(tǒng)工程竹材料主要采用酚醛樹脂等有機膠進(jìn)行黏結(jié)，存在不抗火、不耐久、釋放有害物質(zhì)三大痛點。”張鑫介紹，如今，他們研發(fā)的高性能無機膠復(fù)合竹材料相關(guān)技術(shù)使得這些問題迎刃而解。采用無機黏結(jié)劑制成的工程竹解決了傳統(tǒng)有機膠工程竹木材存在的甲醛釋放等問題；無機膠復(fù)合竹承重柱、梁的耐火極限也達(dá)到了3小時和2小時以上，滿足了一級耐火等級建筑構(gòu)件耐火標(biāo)準(zhǔn)的極限要求。

如何將竹子與無機膠緊密結(jié)合起來是要突破的另一個關(guān)鍵問題。張鑫介紹，他們通過無機膠微納米改性技術(shù)及生產(chǎn)工藝解決了無機膠與竹材之間浸潤性、親和性、協(xié)同工作能力差等技術(shù)短板，使得竹子與無機膠實現(xiàn)了“你中有我，我中有你”的牢固結(jié)合。目前這種通過無機膠黏接竹子制作成的高性能無機膠復(fù)合竹材料，已經(jīng)在濟南國際機場客運站應(yīng)用。應(yīng)用了該材料的樓層表面簡潔大氣，大樓木質(zhì)紋理流暢且富有層次。

具有天然固碳屬性

將竹子制成竹條，經(jīng)過竹條疏解、高溫碳化得到竹纖維束，再經(jīng)過無機膠自動化制備、竹束噴膠、組胚入模、冷壓成型，便得到了高性能無機膠復(fù)合竹材料。這是記者見到的新型竹材料的制造全過程。這種新型竹材料的研究也是中國工程院戰(zhàn)略咨詢研究項目“面向2035的中國竹建筑工程發(fā)展戰(zhàn)略和關(guān)鍵技術(shù)研究”的一部分。

讓中國人住進(jìn)竹房子是張鑫的導(dǎo)師、中國工程院院士陳肇元的夙愿，也是張鑫努力的方向。從2012年開始動手研究到2024年研制成功，張鑫用12年實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破。其間，他嘗試過多種木材，比如松木等，但最終還是回到竹子的道路上。

“建筑業(yè)的節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的要求。”張鑫說，建筑業(yè)碳排放中，建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑運行階段分別占28.2%、1%、21.7%。他認(rèn)為，我國建筑業(yè)的碳排放主要在建材生產(chǎn)階段，而竹木材料在生長過程中吸收二氧化碳，釋放氧氣，具有天然固碳屬性，是理想的綠色建材。

在高性能無機膠復(fù)合竹材料研發(fā)成功之后，張鑫團(tuán)隊在崔愷的支持下將該材料推廣到北京南苑森林公園森林書屋城市更新項目、濟南國際機場客運站擴建改造工程等項目中。

掌握了核心技術(shù)，研發(fā)了產(chǎn)品，并將技術(shù)推廣到示范工程中，讓張鑫有了更多技術(shù)話語權(quán)。最近，由其主編的中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會CECS標(biāo)準(zhǔn)《無機膠復(fù)合竹結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》發(fā)布，這是無機膠復(fù)合竹領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

以中國工程院院士呂西林為組長的審查組專家認(rèn)為，張鑫團(tuán)隊建立的無機膠復(fù)合竹結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，填補了無機膠復(fù)合竹結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的空白。該方法總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中鎂質(zhì)無機黏結(jié)劑制備復(fù)合竹材技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。