Композитен бамбук за строителството

Бамбукът е бързо възобновяем материал, който има много приложения в строителството. Проектираните за тази област нови бамбукови продукти са резултат от обработката на естествени бамбукови стъбла в ламиниран композит, подобен на структурата със слепени слоеве на ламинираните дървени продукти. Това позволява бамбукът да се използва в стандартизирана форма, както всеки друг строителен материал, с качества превъзхождащи тези на натуралния продукт. В настоящата статия ще разгледаме свойствата на специално създадени композитни бамбукови материали в сравнение с тези на материалите от естествена дървесина и ламинирана композитна дървесина. Установено е, че те са сравними или дори в някои отношения надминават дървения материал и изделията базирани на дървесина. В някои области са нужни повече изследвания, така че приложението им има потенциални ограничения.

Характеризиращ се с естествената си структура на кух цилиндър и много добри механични свойства, близки до тези на дървесината, бамбукът е бързо растящ вид, широко разпространен и в студени планини и в горещи тропически региони. Расте в естествена среда в Източна Азия, Северна Австралия, Субсахарска Африка, Индия, Бразилия, Чили, Аржентина, Мексико и САЩ, а се култивира на още повече места. В естествената си форма бамбукът като строителен материал е традиционно свързан с културата на Индия, Китай и Тихоокеанския регион. В тези страни е широко използван като строителен материал за структурни цели, стенни панели, тавани, покриви и за декориране.

Повече възможности за бамбука в композитни форми
Бамбукът има много предимства, като строителен материал. Той е естествено и бързо възобновяем ресурс, може да се отглежда при различни условия и предлага конкурентно на пазара съотношение между стойност и качества. Бамбуковите гори дават до четири пъти по-голяма плътност на въглерод на хектар в сравнение със смърчови гори в дългосрочен план, заради бързия растеж и по-големия брой реколти. Днес развитието на бамбукови продукти за строителството е особено актуално като една икономически ефективна, екологично отговорна и устойчива за използване на ресурсите алтернатива на конвенционалните строителни материали. Въпреки широката достъпност, екологичност и добра цена, естественият бамбук има някои недостатъци, като например малка трайност, когато е изложен на ултравиолетови лъчи и влага, а също и лесна запалимост (тънките стени и празните вътрешни пространства предразполагат към бързо горене). Бамбукът е анизотропен материал, т.е. механичните му свойства варират в надлъжна, радиална и напречна посока. Суровината е гигантска трева, състояща се от кухи цилиндрични стъбла с надлъжни влакна, подредени в лигнинени матрици и разделени от възли с по-висока плътност по дължината на стъблото. Дебелината на стъблената стена намалява от основата към върха. Освен това плътността на бамбуковите влакна намалява от външната към вътрешната страна на стъблената стена.

Въпреки че по света има над 1200 вида бамбук, строителството с него е ограничено заради промяната в геометричните и механичните свойства в стъблата при всички тях. Също така, трудности се появяват при свързване на цилиндрични, променящи се секции, които се оказват непосилни за преодоляване в масовото строителство, въпреки нарастващото търсене на устойчиви строителни продукти. Когато обаче говорим за специално създадени композитни бамбукови материали, нещата стоят по друг начин. Интересът към тях неслучайно е толкова голям, защото те вече предлагат стандартизирани форми и сравнително ниска променливост в свойствата на материалите.

През последните години обнадеждаващо развитие показват решения, които се възползват от бамбука, като възобновяем ресурс, но по новаторски начин - чрез разработването на конструктивни композитни материали за строителството, които се справят със слабостите на естествения бамбук и оптимално използват високото съдържание на фибри в него. В отговор на силния интерес в световен мащаб към използване на бамбук в строителството, бяха развити бамбукови композити с висока якост.

За тази цел се идентифицират характеристиките на структурните бамбукови компоненти на клетъчно ниво. Измерват се механичните им свойства и се създават варианти за производство на висококачествени композитни материали, получени от комбиниране на бамбукови влакна със смоли, био-полимерни матрици или чрез засилване на бамбука с други композитни влакна. Целта е новите материали да могат да се използват в архитектурни структури, включително в критични области като свързващи и носещи елементи на сгради.

Иновативни бамбукови продукти
Днес вече се говори дори за изместване на стоманата от бамбука. Изследователски екип на проф. Хебел от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих разработи композитен бамбуков материал, който е достатъчно силен, за да замени стоманата като основна армировка в строителството. В изказването си на Световния Архитектурен Фестивал в Сингапур в края на 2015г.,

проф. Хебел изтъква, че новият материал има потенциала най-накрая да осигури алтернатива на монопола на армирания бетон.

Материалът, направен от бамбукови влакна и смола, е далеч по-евтин от стомана, по-устойчив и с три пъти по-ниско тегло. Този продукт получи наградата за иновации в архитектура и строителство за 2016г. на JEC – най-голямата в света организация, която представлява и подпомага композитната индустрия.

Други два примера за композитен бамбук са бамбуковите греди и ламинираните бамбукови плочи. Бамбуковите греди се състоят от паралелно разположени бамбукови нишки, пресовани в снопове, наситени със смола и формовани в плътен блок. Процесът е с много ефективно използване на суровината – влагат се около 80% от изходните материали. Получава се продукт с Janka твърдост, която го прави приемлив за външни приложения като декинг подови настилки.

Докато в композитните бамбукови греди се поддържа надлъжната посока на бамбуковите влакна и се използва матрица от смола за свързване на снопчетата, в друг композит, какъвто е ламинирания бамбук, се поддържа и надлъжната структура на влакната, както и част от оригиналната матрица на стъблото. Стъблата се разделят на ленти, избелват се, изсушават се, формоват се в правоъгълни секции, които след това се ламинират до получаване на плоскости. Ориентацията на лентите в плоскостта, и следователно посоката на изменение на радиалната плътност на снопчетата, е произволна в рамките на плочата. Крайните продукти използват само около 30% от суровината. Това се дължи на големите загуби на материал, когато лентите са планират за образуване на правоъгълната секция. Композитните плочи се използват предимно на закрито, за повърхностни приложения или мебели.

И двата материала (гредите и плочите) запазват присъщата за бамбука здравина чрез поддържане на надлъжната ориентация на влакната, и тъй като едновременно с това представляват композитни продукти, те вече са унифицирани секции, които позволяват стандартно свързване в строителни приложения.

Потенциал за строителни приложения – материали и тестове
Направени са проучвания на механичните свойства на композитните бамбукови греди и ламинираните бамбукови плочи за оценка на потенциала им за структурни приложения, като се правят сравнения с дървен материал и специално създадени композитни продукти от дървен материал.

В проучването са били използвани два търговски продукта, които са произведени в Китай. Продуктът, който представлява композитна бамбукова греда, е направен от бамбук от вида Phyllostachys pubescens (Moso) в комбинация с фенол формалдехидна смола. Крайният продукт е с размери на напречното сечение 140х140mm и се предлага на пазара с различни дължини на гредата. Както беше разгледано по-горе, процесът на производство на бамбуковите греди използва бамбукови стъбла с минимална обработка. Полученият търговски продукт е тестван като краен продукт без допълнителни модификации. Средната плътност на бамбуковата греда е 1160кг/м3 със съдържание на влага от 7%. За сравнение, Moso като суровина има плътност от около 666кг/м3, дървесината от ситковия смърч - 383кг/м3, а ламината от дугласка ела - 520кг/м3.

Ламинираните бамбукови плоскости също са произведени от Moso бамбукови ленти и смола на соева основа. Структурират се листове с размери 2440х1220х19mm. Листът се нарязва и секциите се ламинират в желаните размери с използване на полиуретаново лепило (Purbond HB S309). Лепилото се нанася ръчно в съотношение около 180г/м2 (краен продукт) и плоскостите се притискат с помощта на ръчни скоби, за да се приложи необходимото налягане от 0,6МРа в продължение на 4 часа. Изследвани са две ориентации на лентите - радиално хоризонтална и радиално вертикална. Ламинираният бамбук има средна плътност 686кг/м3 и съдържание на влага 6%. Всички проби са кондиционирани при постоянна температура от 23°С и относителна влажност 55% в продължение на 2 седмици преди тестване.

За да се получат данни за механичните свойства на материалите (якост на опън, якост на натиск, якост на срязване и якост на огъване) се използват: британски стандарт BS 373 и международен стандарт ASTM D143 за методи за изпитване на малки елементи от дървен материал, както и BS EN 408 за дървени конструкции от дървен материал и лепена слоеста дървесина.

Екпериментални резултати
Резултатите от изследването за якост на опън са представителни данни за повреди както при паралелни, така и при перпендикулярни на посоката на влакната тестове. Якостта на опън при успоредни на влакната напрежения е 90MPa за ламиниран бамбук и 120MPa за бамбукови композитни греди, което е спад в сравнение с естествения бамбук, който е със 153MPa, но в същото време е по-добър резултат от дървесината на ситовия смърч с 59MPa и ламината от дугласка ела с 49MPa. Резултатите подчертават и малката якост на опън в перпендикулярна на влакната посока, която е 2MPa за ламинираните плочи и 3MPa за гредите, т.е. успоредната якост на опън е повече от 40 пъти по-голяма от перпендикулярната.

При якостта на натиск и двата материала (греди и плочи) отново показват по-високи резултати (около 3 пъти по-голяма сила) в успоредна посока на натиска спрямо посоката на влакната, отколкото в перпендикулярна. В сравнение с естествените бамбук и дървесина резултатите им са по-добри. Успоредната якост на натиск за бамбуковия ламинат е 77MPa, a за композитните греди - 86MPa, докато при естествения бамбук е 53MPa, а при смърча и елата съответно 36MPa и 57MPa.

По отношение на якост на срязване успоредно на посоката на влакната и бамбуковите ламинатани плоскости и композитните бамбукови греди запазват почти същите параметри както при естествения бамбуков материал – за ламинирания бамбук и природния бамбук Moso якостта е 16MPa, за композитните греди – 15MPa. При естествената дървесина резултатите са по-ниски - 9MPa за смърч и 11MPa за ела. Якостта на огъване при композитите е по-ниска от тази при естетсвения бамбук (135MPa), но отново е по-висока от тази при смърч (67MPa) и ела(68Mpa). За гредите е 119MPa, а за ламината 77-83MPa.

Изводи
И двата композитни бамбукови материала показват поведението на анизотропни структури, типични за естествения бамбук, но заедно с това демонстрират качествата на подсилващите композитни влакна. Механичното поведение на бамбуковите композитни греди и ламинирания бамбук е много сходно при опън, натиск и срязване, приложени успоредно на посоката на влакната. Ламинираният бамбук обаче показва по-голяма склонност към деформация, което се дължи на податливостта към натиск на матрицата. При сили, приложени перпендикулярно на посоката на влакната, материалите също са с много сходно поведение, с изключение на якостта на натиск, където бамбуковите греди имат приблизително два пъти по-голяма сила от ламинирания бамбук. Като цяло, композитните бамбукови греди имат малко по-високи стойности при всички якостни характеристики, с изключение на якост на срязване, успоредно на посоката на влакната. Подобрените им качества се дължат на уплътнените от фенол формалдехидна смола влакна. При огъване композитният бамбук има капацитет да се противопоставят на голям натиск в горната част на гредата, докато в средните участъци издръжливостта намалява. Огъването е различно при двете ориентации на ламинатите – при прилагане на една и съща сила радиално вертикалната ориентация показва с 18% по-малко изместване от радиално хоризонталната.

Резултатите от проучването показват, че композитните бамбукови материали имат сходни механични свойства с други структурни материали като дървесина и естествен бамбук. Благодарение на надлъжната здравина на бамбуковите влакна, както бамбуковите композитни греди, така и ламинираните бамбукови плочи са с увеличена якост при прилагане на сили в успоредна на влакната посока в сравнение с ламинирания дървен материал Подобно на дървения материал, якостта при сили перпендикулярни на посоката на влакната е значително по-ниска, отколкото при сили успоредни на влакната.

Предимство на ламинирания бамбук е съотношението на якост на огъване към плътност. То се изразява със специфичен модул на огъване (Еб/ρ). Резултатите от изследванията показват, че ламинираният бамбук има подобен специфичен модул (16-19 (106m2s-2)) като ситковия смърч (21 (106m2s-2)) и ламината от дугласка ела (25 (106m2s-2)) и надминава този на бамбуковите композитни греди (11 (106m2s-2)) и естествения бамбук (14 (106m2s-2)).