涨姿势！竹子也能用来造高铁车厢造地下管线了

　　出品 | 网易新闻

　　作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　如果有人告诉你，你家地下埋设的管线是用竹子做的，你会不会吓一跳，认为这是施工队在偷工减料？

　　其实还真不是。

　　这种被称为“竹缠绕复合材料”的东西确实取材于竹子，但却拥有可以与钢筋混凝土媲美的性能，同时还拥有节能低碳、可生物降解、原材料可再生等特点。

　　（竹缠绕综合管廊）

　　用竹子当建筑材料，这能靠谱吗？其实，在建筑领域使用竹子的历史已经有很多年了，竹子这种东西，只要处理好了，还真的挺适合拿来当建材。

　　（一）用竹子当建材，曾经是一个无奈又巧妙的选择

　　新中国刚刚成立时，每年的钢铁产量只有61万吨，是现在的千分之一，全国一年的钢产量只够建几座工厂，哪有多余的钢筋来盖楼房呢？这时，有工程师就想到，采用竹子来代替钢筋混凝土里的钢筋。

　　竹子的木制部分维管束以相同方向紧密排列，强度很高，尤其是抗拉能力强，与混凝土结合后一个抗压、一个抗拉，正好能够完美配合。

　　（竹子的微观结构）

　　在那个物资匮乏的年代，竹筋混凝土确实在一定程度上缓解了住房压力。除了用于正式的建筑结构外，竹子还被大量用在了制作脚手架、施工平台这样的临时工程中。

　　但竹子毕竟是竹子，天然竹纤维的强度和耐久性都无法与钢铁相提并论，竹筋混凝土盖的房子的抗震性能、耐久性也都不如正常的钢筋混凝土住宅，因此，随着经济的发展，钢筋供应不再成问题了，竹筋混凝土也就很自然地被淘汰了。

　　（竹筋混凝土）

　　然而到了21世纪，环保问题逐渐得到了大家的关注，传统的钢筋混凝土虽然性能优越，但产生的碳排放量太过惊人，光是水泥一项就占了人类全部工业生产排放量总和的8%。此外，钢筋和混凝土的生产还排放大量的废气和污水，造成的污染之大已经到了不得不解决的地步。

　　这时，人们重新想到了当年用过的竹子。

　　虽然直接用竹子效果并不好，但是技术今非昔比，我们完全可以对竹子进行处理，利用竹子中坚韧的竹纤维作为建材。

　　正是基于这种思路，有中国科学家研制出了竹缠绕复合新材料。2018年4月24日，世界首条竹缠绕城市综合管廊在内蒙古自治区呼和浩特市元亨石墨产业园铺设成功。实践证明，这确实是一种性能非常卓越的材料。

　　（施工中的竹缠绕管廊）

　　（二）科技加持下的竹缠绕材料是怎样一种东西？

　　竹缠绕，全名薄竹缠绕技术，是一种通过对集成竹材、层积竹材、竹纤维板或重组竹材等竹材半成品的刨切加工获得薄竹片，然后将薄竹片作为一种增强材料使用低成本的氨基树脂进行胶合连接，采用往复式机械缠绕工艺制成所需要的曲体制品的技术。

　　经过实验检测，它的抗压强度与C30混凝土强度相等，并且能够满足城市综合管廊工程技术的各项规范要求。

　　竹材作为一种性质优良的生物质材料，具有极其优良的物理性能，相对于木材而言，竹材的弹性高、韧性强，其顺纹抗压强度为木材的1.2~2倍，而顺纹抗拉强度为木材的 2~25倍。薄竹缠绕技术正是利用了竹材的特点来加工制造出性能优异的竹制品。

　　首先是薄竹条的制备，将通过胶合、层积、重组等改性方式获得的竹方材，进过软化刨切为厚度在 0.15~1.5mm 之间薄竹片或厚度为 0.15~1.5mm 之间的微薄竹片，然后根据具体的需要将片接长加工为所需的薄竹条。

　　薄竹条制备完成后，利用氨基树脂作为胶黏剂，将薄竹条通过机械设备缠绕产品模型之上，等待胶黏剂固化后，再将产品进行脱模处理，经过检验最终获得所需的产品。

　　（薄竹缠绕工艺的工业化流程）

　　使用薄竹缠绕工艺生产的复合管，沿管径方向主要分为内衬层、增强层和外防护层3层。

　　其中内衬层为用树脂及毡制作而成的内衬，起到防水作用，将薄竹片用衬布粘接、缝合或编织为一整条连续的带状竹条，施胶后将竹条通过机械往复式地缠绕在内衬层上，由环向层和螺旋层经过固化共同构成复合管的增强层，最后在增强层外喷涂防腐材料作为外防护层。

　　这种采用竹缠绕技术制造而成的竹复合管成本低于绝大多数管材，使用寿命长、强度高、变形率低，是一种十分理想的工程用材。

　　（三）用竹缠绕材料制造的地下管廊究竟好在哪里？

　　中国是竹子的故乡，也是全世界最主要的产竹国，竹林面积占世界竹林总面积的三分之一。

　　竹子是一种生长速度极快、生长密度极高的植物，相比起长个三五年都看不出变化的树木而言，它的产量极高，以致于中国每年都有1.1亿吨闲置的竹资源得不到利用。

　　这些闲置竹资源的开发利用成本很低，相比起生产工序多、原料不可再生的钢筋和水泥而言，可以节约一大笔成本。

　　竹缠绕材料的另一大优点就是轻，它的重量仅为传统钢筋混凝土管廊的十分之一，原来需要起重机才能搬运的小型管道，现在一个人就能搬起来，这极大地降低了安装难度，提高了施工效率。

　　竹缠绕城市综合管廊每段最大直径3米，长12米，重10吨左右，施工时仅需2台25吨起重机，一天最快可以安装120米，安装速度是传统管廊的10倍。

　　综合下来，它的综合成本相比起混凝土管道大约降低了10%~30%，而且使用寿命长，绿色低碳。

　　建设单位采用芯片、传感器和激光测距仪等在线检测技术，实时监测管廊的受热、形变状况，智能化程度国内领先，使其使用寿命可以达到100年以上。

　　竹缠绕管廊不仅价格更低，而且性能上也更优秀，经国家化学建筑材料检测中心等权威机构检测认定，在同等埋深和受压条件下，竹缠绕城市综合管廊的抗震、抗沉降能力、保温防冻性、耐腐蚀性等，均优于混凝土管廊。

　　试验分析结果表明，在埋地一米深、地面车载90吨的情况下，竹缠绕城市综合管廊最大竖向变形量不到1%，远低于3% 的控制标准。

　　（施工现场的竹缠绕管廊）

　　这种优异的性能得益于竹纤维材质的优良弹性。

　　普通混凝土是脆性材料，遭受外界压力时必定会产生裂缝，这种裂缝不影响混凝土短时间内的受力，但在长期内，外界的有害物质就会侵入，对混凝土的微结构和埋在其中的钢材造成损坏，进而影响耐久性。

　　竹缠绕材质则没有这种问题，其致密稳定的内部结构保障了它长期中的坚固。

　　竹缠绕管廊一旦进行推广，对降低碳排放的贡献是非常惊人的。如果将中国每年1.1亿吨的闲置竹资源全部用于生产竹缠绕复合材料，节能量相当于2015年中国能源消费总量43亿吨的3.3%，减排量相当于2013年中国二氧化碳排放总量100亿吨的3.5%。

　　8年周期内，将1.1亿吨闲置竹资源定期择伐利用，比任其自生自灭可多储碳2.3亿吨，折算成二氧化碳是8.4亿吨，相当于每年多封存二氧化碳1亿吨。

　　竹缠绕复合材料技术的推广应用，为中国的能源危机和资源危机开辟了一条新渠道，同时也为大规模发展高附加值的竹产业提供了技术和产品支撑，有助于竹产区的精准扶贫。

　　（用竹缠绕复合材料制造的高铁车厢）

　　结语

　　预计到2020年，我国将建成竹缠绕复合材料规模化生产单元500个，年产量达到1000万吨，总产值超过2000亿元。届时，竹缠绕材料的应用范围还将进一步推广到储藏、容器、交通运输工具、军工装备等多种产品，广泛代替钢材、水泥、塑料和玻璃钢等传统高能耗、重污染的工业材料。同时，还可以带动500万农户的生计以及10万个城镇就业岗位，增加人民总收入300亿元。

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　　编辑| 史文慧