一种发泡水泥复合竹材 技术领域：
本发明涉及一种建材，特别是一种由竹子和发泡水泥及增强纤维筋填料复合填充的发泡水泥复合竹材。
背景技术：
竹子是一种能够适应不同气候且生长周期短的植物，因其加工过程中的低耗能、高产量的特性，是具有环保、可持续性的天然绿色建筑材料，竹子本身所具备的特点符合可持续发展的所有指标，随着常规建筑材料短缺日趋严重，竹制建筑材料被视为钢筋、水泥及木材的替代品，能大大节约资源，改善环境。
目前，许多国家都在尝试使用竹制建筑材料取代常规建材，例如1984年瑞士苏黎世及1985年荷兰鹿特丹展览时推出的竹塔，1999年在荷兰首都阿姆斯特丹建造的人行竹天桥，2000年德国柏林所建造的露天剧场，汉诺威展览会上的竹阁，及2002年建成的鹿特丹竹亭。在西方建筑学家眼里，竹子新颖、时尚、亲近自然，可以被视为未来的建筑材料。
竹作为建筑材料具有以下显著优势：
灵活性：竹建筑的设计和建造更具灵活性，优点之一就是能够通过更换损坏部分而得到经常性的维护。而且，传统技术在现代建筑设计中的合理应用则竹子的另一个优点。
低技术：竹建筑的技术要求不高。大多数竹房屋的建造基于当地的技术水平，无需高技术的指导。竹子的多功能性为经济型乃至高档建筑提供了丰富的技术选择，而且，竹建筑比较容易与先进技术结合使用。
安全性：由于质量轻、弹性好，竹子的抗震功能非常突出。据报道(Gutierez，1998)，在哥斯达黎加的7.6级地震中，位于震中的30座竹房屋保存完好，而周边许多混凝土房屋和旅馆难逃一劫，全部倒塌。
舒适性：热带农区夏季气温很高，人们更愿意生活在竹房屋。中国南方，特别是云南南部地区，人们至今仍然喜欢建造竹楼来避暑，享受竹楼的凉爽。
原料获取容易：竹原料在产竹国可容易得到。根据计算，每年只需70公倾的竹林就可建造竹房屋1000座。如果以木材为原料，需要砍伐600公顷天然林。
适应性：长期以来，竹子以一种或多种形式得到广泛利用，因此对人们而言，竹建筑并不是一件新鲜事物，而且通过自助方式建造竹房屋，可使竹建筑与人们之间的关系得到发展。
建造速度快：竹房屋只需很短的时间即可安装完成。这种效率对自然灾害救助、快速减少伤亡或或恢复灾区人民生活非常重要。据厄瓜多尔的数据，一座竹房屋可在4-5小时内完成。
耐用性：经过适当处理的竹材使用寿命可达30年之久，而且，竹材种类的精心选择、防腐处理、辅助材料的使用以及老化或损坏部分的定期更换等等都能增加竹房屋的耐用性。对竹材的皱缩和预处理可增加竹建筑的耐用性和抗损坏性能，这种竹材已得到广泛应用。
环境效益：环境效益是近年来的主要考虑因素。建筑项目应当尽量利用当地的原材料，采用节能型的设计，而且建筑材料本身不应对人体和环境造成危害，此外，劳动密集型技术可以安排更多的劳动力事实证明，惟有竹子能够最大程度地满足这些标准。与混凝土、钢材和原木分别为240，500和80MJ/m3 per n/mm2的要求相比，竹子仅为30MJ/m3 per n/mm2。研究表明：相同面积的建筑，竹子与混凝土的能耗比为1∶8。与钢材铁相比，相同过程中竹子的能耗仅为钢材的1/50。
减少森林砍伐：在许多发展中国家，农村住房仍然主要取材于木材、茅草等林产品。森林资源的过分消耗和树木成熟的季节周期性造成木材原料的严重不足，而且，因为建造住房，一些国家的木材资源已面临枯竭。由此，竹子便成为替代木材的切实可行的选择。自然灾害发生时，发展中国家的通常做法是砍伐附近的森林以建造临时住所，这种行为既不经济也不环保。竹子可以作为木材的替代材料用于临时住所的搭建，以减少对森林无节制的砍伐，保护环境。
可持续性：社会、经济和环境的可持续性是当前发展领域中日益重要的的问题。竹子本身所具备的特点符合可持续性发展的所有指标。竹子在2至3年即可成材，而木材至少需要25年。竹子是世界上生长最快的植物，替代木材指日可待，只需利用当地的主要原材料和工具就足以建造简单经济的竹房屋。
相较竹材的鲜明优点，其缺点也是很明显地：没有经过特殊处理的竹子，由于其含有大量的糖分、竹浆、竹胶，所以易生虫。传统的处理办法是将竹子烘烤晾干后快速用烟熏烤、利用烟里含有的木镏油在竹子表面形成一层保护膜，以防止虫蛀。还有一种处理办法是在竹材表面涂刷、蒸熏一层熟石灰或者硼酸，以防止湿气渗入和霉菌腐蚀。
竹材的另一个缺点是不便于固定和连接，竹材作为自然生成的植物，其呈中空管状，外表光滑而且坚硬，这使得一些传统的固定和连接方式，诸如捆绑、榫卯技术已使用上千年，但是其效率并不高，在一定范围内会有移动，当竹材风干收缩后，在连接处发生松弛，使整个结构产生变形。而竹材干燥时易开裂，这使得一些如金属节点锚栓连接、螺栓连接等穿孔连接方式很容易将竹材劈裂。当裂缝与金属节点锚栓连接、螺栓连接的受剪面贴近或重合，将降低结构的安全度。现有技术一种解决方案是在节点处螺栓的一侧加薄钢板作成钢箍，以分担螺栓连接处的点状压力，但中空管状的竹材仍然容易被钢箍的线状压力压裂。这种技术局限使竹材难以建设超高、超大、超长的建筑。
因此产生的解决方案是使用螺栓连接加水泥砂浆浇灌技术，这种技术是通过在螺栓连接处用水泥砂浆浇灌与竹复合连接或者直接在整个原竹内腔浇灌水泥砂浆。这虽然成功的提升了整竹杆件承载能力，能够用于建筑跨度较大的房屋。但水泥砂浆浇灌技术增加了建筑的自重，并降低了竹材的弹性、韧性和抗震性能，使竹材失去了轻盈坚固的特色。另外水泥砂浆浇灌与竹复合连接技术使原竹的可加工性大大降低，从而增加了施工复杂度与难度，延长了施工周期。更为严重的是，一般硅酸盐水泥在水化和硬化过程中，体积会发生收缩。这使水泥与原竹难以严密的复合，从而降低了竹材的抗压度和抗扰度。而且水泥与竹材的热胀冷缩率大不一样，这进一步降低了竹与水泥的复合强度。
发泡水泥是一种在水泥中均匀分布有一个个独立封闭细致互不相通的空气泡沫，形成一种结构和性质象泡沫塑料一样的水泥。发泡水泥由于是采用高压空气吹化发泡剂发泡所产生的气泡加入水泥浆中混合搅拌而得，所以又叫泡沫水泥。
发泡水泥有以下特性：
1、保暖隔热性。密度等级300-1200kg/m3范围的发泡水泥，导热系数为0.06-0.3w/(mK)之间，保暖隔热效果是非发泡水泥的20-30倍。
2、轻质性。水泥发泡后重量非常轻，容重只有300-600kg/立方米，比水还轻，可浮在水上常用发泡水泥的密度等级为300-1200kg/m3，容重只有300-600kg/立方米，相当于普通混凝土的1/5～1/10，比水还轻，可浮在水上。而抗压强度大于0.25Mpa，可根据建筑物设计要求生产出不同强度的发泡水泥产品。在建筑物的内外墙体、层面、楼面等建筑结构中采用该种材料，可显着降低建筑物自重，提高构件的承截能力。
3、隔音隔振抗冲击性。发泡水泥属多孔材料，吸引能力0.09-0.19％，具有良好的隔音性能，在建筑楼层和高速公路隔音板、地下建筑顶层等领域，均可采用该材料作为隔音层。是非发泡水泥的5倍。
4、低弹抗震。发泡水泥的多孔性使其具有较低的弹性模量，从而使其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用。同时发泡水泥轻质高强的特性，可有效减低建筑物的荷载20％～40％，建筑物荷载越小，抗震能力越强。
5、安全、防火、耐候性能佳。发泡水泥与建筑物基层粘结牢固，不空鼓、不开裂、抗风压、耐冲击、耐候性好。发泡水泥为无机不燃材料，无论用于屋顶保温、地暖、室内垫层都不用担心防火问题；发泡水泥为水泥制品，其寿命基本与建筑物主体寿命相同。
6、原材料广泛。发泡水泥的主要原材料为水泥和粉煤灰，砂石等，原材料广泛，无论在任何地区都可以就地取材，现场生产，节约资源和成本。
7、生产便易，施工速度快。发泡水泥为水泥制品，现场施工时用专用发泡水泥生产设备生产、泵送，在施工面直接浇筑即可，省工、省时又省料。利用发泡水泥生产设备制作混凝土砌块，新型节能砖等预制件，成本低，制作速度快，一条生产线就可以满足大批量的要求。
8、安装加工性能好，发泡水泥制品可锯、可钉、可钻、可任意切割，随意制造建筑格局。
发泡水泥是水泥(通常硅酸盐水泥)与空气气泡的混合物。当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合空气气泡成为整体结构。通常发泡水泥结构拥有较强的抗压强度。但是发泡水泥的抗拉强度较低，通常只有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求。再加上发泡水泥是现场浇注，受设备、工艺、技术水平等多种因素影响，产品质量往往难以得到控制和保证，低质量的发泡水泥绝热层在工程上也屡见不鲜。甚至难以满足干容重≤400kg/m3，抗压强度≥0.4MPa，导热系数≤0.09W/m.K的最基本的物理性能指标。故发泡水泥不能被单独使用于工程承重结构。因此发泡水泥目前主要用作保温材料和隔断材料，例如：
1、现场浇筑楼面发泡水泥隔热层。
2、现场浇筑地暖发泡水泥保温层。
3、墙面轻质保温隔热砖或称轻质保温隔热板。
4、楼面轻质隔热砖或称楼面轻质隔热板。
5、轻质水泥砖或称轻质水泥板。
6、轻质间墙板。
啄木鸟为了觅食生存，每日重复1.2万次，将喙部以20次每秒的频率用1200克力撞击树干，相当于我们骑着自行车每天撞墙12000次，而小鸟依然活泼无恙。骨力学研究发现，啄木鸟凿子似的喙部由坚硬的骨头覆以纤维制成，底端布满厚厚的海绵状骨质与软骨，以减弱震荡。骨力学是研究骨组织和骨骼结构在外界作用下的力学性态，研究骨受力后的瞬时效应和远期效应，以及活骨发育、生长、吸收和消亡的力学机制。骨骼的力学特性是不均一的，在同一区域内，哪怕仅相隔2毫米，骨头的力学性质也会大相径庭，骨骼不均一的硬度分布模式有利于其吸收能量。此前，人们普遍认为，不均一材料的硬度不如均一材料高。骨力学研究结果表明骨骼能比其他均一材料吸收更多的能量，这是大自然的杰作。这种结构使骨骼能抵抗突然的断裂。
发明内容：
为了充分利用自然形态的竹材，用相对低技术的手段解决原竹易生虫和中空结构造成的固定连接不便和强度不足，本发明提供一种发泡水泥复合竹材，使其即具有竹材的低技术特征、灵活性、安全性、舒适性、原料获取容易性、耐用性、适应性、可持续性及建造速度快和环境效益又具有现代发泡水泥材料优良的耐候性、缓冲减震性、隔音吸音性、隔热性、电绝缘性、耐腐蚀、耐霉菌性及密度低、质轻、比强度高的优点。
本发明解决问题所采用的技术方案是这样的：
一种发泡水泥复合竹材，其特征是在原竹内部设置有贯通原竹竹节隔膜的开孔，在原竹内部空腔按照公知发泡水泥生产工艺灌注发泡水泥在封闭的原竹内腔里发泡，从而与原竹内腔和竹节间残留的隔膜紧密接触咬合复合连接，发泡水泥可混合添加增强纤维筋填料，上述的增强纤维筋填料是指植物纤维、玻璃纤维、金属纤维、高分子聚合物纤维或者上述纤维的混合物，根据竹材用途可以通过添加不同比例的增强纤维筋填料和控制发泡水泥的密度以改变竹材的物理性能，并且根据竹材用途可以通过发泡水泥浇注机多次浇注或者多台发泡水泥浇注机轮流浇注设置原竹中段和端头的发泡水泥有不同的密度。
研究发现，原竹生虫或霉菌，主要始发于较柔软的内腔，且霉菌多为喜氧菌种，而传统的烟熏或涂刷石灰工艺却主要是改善原竹表面的防蛀防腐，本发明的有益效果是，通过浇灌发泡水泥完全隔绝原竹内部的氧气和水分达到防蛀防腐的目的，使蛀虫或霉菌彻底失去在原竹内部生存的环境，再辅以传统防蛀防腐工艺，可以有效延长竹建筑的使用寿命。
在物理性能方面，本发明的有益效果是，相较发泡水泥而言，竹子的抗拉强度非常高，甚至被号称为植物中的钢筋，通过在原竹内部填充密度可控的发泡水泥，不仅增加竹材的抗压强度，同时也增加了发泡水泥抗拉强度：首先竹子与发泡水泥有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。其次竹子与发泡水泥之间有良好的粘结力，同时竹子内腔残留的竹节隔膜也提高了发泡水泥与竹子之间的机械咬合。一种发泡水泥复合竹材相较单独的发泡水泥或者竹材在物理性能和应用广度皆有大幅提升。
在可安装加工性能方面，本发明的有益效果是，发泡水泥制品可锯、可钉、可钻、可任意切割，使得在加强金属节点锚栓能够紧固连接，同时保持竹材轻盈和弹性的技术特征。
不像很多利用现代复合、重组技术对原竹进行加工的技术需要的高投入，本发明的有益效果是，发泡水泥是作为填充物使用，这降低了对设备、工艺、技术水平等因素的要求。通过低技术手段，使低成本、易获取的原竹和同样低成本、易获取的发泡水泥组合构成了一种全新的环保建材。能直接作为满足现代建筑结构的主要承重构件被使用，成为广大农村地区能低成本使用的竹建材。
发泡水泥复合竹材在坚韧的原竹内填充海绵状的发泡水泥，其设计参照了骨骼的结构，是一种新型复合材料，具有像骨骼那样的硬度和坚韧度，有利于吸收能量和抵抗突然的断裂。
通过传统材料竹和现代材料发泡水泥的复合应用，本发明既能拥有竹材的低技术特征、灵活性、安全性、舒适性、原料获取容易性、耐用性、适应性、可持续性及建造速度快和环境效益又具有现代发泡水泥材料优良的耐候性、缓冲减震性、隔音吸音性、隔热性、电绝缘性、耐腐蚀、耐霉菌性及密度低、质轻、比强度高、低弹抗震、安全、防火、原材料广泛、生产便易、施工速度快的优点，是一种技术含量高，易于推广的绿色环保建材。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的横向剖面结构示意图；
图2是本发明的纵向剖面结构示意图；
图中：1、原竹；2、增强纤维筋填料；3、发泡水泥；4、竹节；5、竹节隔膜开孔。
具体实施方式：
如图所示：
一种发泡水泥复合竹材，其特征是在原竹1内部设置有贯通原竹竹节4隔膜的竹节隔膜开孔5，在原竹1内部空腔按照公知发泡水泥生产工艺灌注发泡水泥3在封闭的原竹1内腔里发泡，也可混合添加增强纤维筋填料2，从而与原竹1内腔和竹节4间残留的隔膜紧密接触咬合复合连接的，上述的增强纤维筋填料2是指植物纤维、玻璃纤维、金属纤维、高分子聚合物纤维或者上述纤维的混合物，根据竹材用途可以通过添加不同比例的增强纤维筋填料2和控制发泡水泥的密度以改变竹材的物理性能。
在实施例中，发泡水泥复合竹材可作为柱、梁、檩条使用。发泡水泥复合竹材较中空的一般竹材可以显著延长使用寿命，增加材料强度，减少了劈裂的可能，可钻可锯可钉可箍。一种发泡水泥复合竹材较水泥砂浆浇灌的竹材可以显著减轻竹材的重量，而保持同样的强度。
在实施例中，发泡水泥复合竹材可以设计为各种规格的预制件，在工厂内按标准规格成批制造生产，然后运往施工现场进行装配，可降低造价，缩短工期，并便于设计和施工。
以上实施例仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，虽然本说明书参照上述实施例对本发明已经做了详细说明，但本领域的一般技术人员可以理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。