Bamboo : The Multipurpose Plant

268 Pages·2017·6.659 MB·English

by  Esther Titilayo Akinlabi, Kwame Anane-Fenin, Damenortey Richard Akwada

Esther Titilayo Akinlabi
Kwame Anane-Fenin
Damenortey Richard Akwada
Bamboo
The Multipurpose Plant
Bamboo
Esther Titilayo Akinlabi Kwame Anane-Fenin
(cid:129)
Damenortey Richard Akwada
Bamboo
The Multipurpose Plant
123
EstherTitilayo Akinlabi Damenortey RichardAkwada
Department ofMechanical Engineering Department ofMechanical Engineering
Science Science
University of Johannesburg University of Johannesburg
Auckland Park Auckland Park
SouthAfrica SouthAfrica
KwameAnane-Fenin
Department ofMechanical Engineering
Science
University of Johannesburg
Auckland Park
SouthAfrica
ISBN978-3-319-56807-2 ISBN978-3-319-56808-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-319-56808-9
LibraryofCongressControlNumber:2017943202
©SpringerInternationalPublishingAG2017
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Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Preface
Humans for many centuries have harnessed the multifaceted applications of bam-
boo, including those in the structural and engineering fields and for food and
medicinal purposes mainly inAsia andAfrica. However, thepractical applications
forbamboointheareasofcompositematerials,textiles,andstructuralengineering
have seen tremendous growth and research interest over the past decade.
The existing literature on bamboo often assumes a very narrow dimension. The
literature on bamboo can be grouped into four main categories. These include
biological,architectural,structuralengineering,andthesocio-economicalcontexts.
Farrelly (1984), in “The Book of Bamboo: A comprehensive guide to this
remarkable plant, its uses, and its history”, focused on the biological components
such as taxonomy, anatomy, and cultivation and harvesting. However, Janssen
(2000) mainly dealt with the fundamental dimension of bamboo.
Bamboo is a multifunctional plant, and this book is structured to present a
holistic perspective on bamboo by tackling all its relevant facets. It is however
writtenfromtheperspectiveoftheengineer.Bamboousedasapotentialalternative
to fossil fuels, forest firewood, and charcoal in the African context is discussed.
This book will further present a thorough review of the research and literature, the
current experimental characterisation techniques, and the role of finite element
analysis in improving the properties of bamboo products. A comprehensive
assessmentofbambooasanengineering andknownengineering material ismade.
Thisbookisintendedforusebyspecialists,experts,andmultidisciplinaryresearch
anddevelopmentresearchersworkinginfieldsrelatedtobamboo.Itwouldserveas
a multidisciplinary research manual on bamboo taxonomy, properties, and, in
particular, on bamboo characterisations and its industrial applications. More
specifically, the authors’ unique contributions to this book are in bamboo charac-
terisationandtheidentificationofdifferentapplicationsofbambooasasustainable
engineeringmaterial,whichhasnotpreviouslybeenfullyinvestigatedandreported.
To the best of the authors’ knowledge, no such book exists that presents a total
viewandalsoanAfricanperspectiveonthesubject.TheAfricanliteratureiscritical
because bamboo will assume a much greater role as the world gravitates towards
sustainableresourceutilisation.Thisbookhasbeenlongoverdueandwouldappeal
v
vi Preface
to a wide demography due to its in-depth and broad spectrum while bridging the
multidisciplinary divide to provide a holistic resource on the subject.
We would furthermore like to acknowledge the support of technical reviewers,
aswellaslanguageandgraphicaleditors,whohaveallcontributedtothisprocess.
Wevaluethesystemofscholarlypeer-reviewandtheapproachthatthesameadds
to producing a research text that adds to the body of scientific knowledge.
Johannesburg, South Africa Esther Titilayo Akinlabi
January 2017 Kwame Anane-Fenin
Damenortey Richard Akwada
References
JanssenJJA(2000)DesigningandbuildingwithBamboo.InternationalnetworkforBambooand
RattantechnicalreportNo.29,p207
FarrellyD(1984)TheBenefitsofBamboo.TheSciences24:11–12
Contents
1 Bamboo Taxonomy and Distribution Across the Globe.. ..... .... 1
1.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 1
1.2 Bamboo’s Identification ... .... .... .... .... .... ..... .... 2
1.3 Bamboo Compared with Trees (Wood) ... .... .... ..... .... 3
1.3.1 Differences in Characteristics of Bamboo and Trees .... 4
1.4 Bamboo Origin and Its Habitats. .... .... .... .... ..... .... 4
1.4.1 Bamboo Habitations ... .... .... .... .... ..... .... 7
1.5 Molecular Taxonomy of Bamboos ... .... .... .... ..... .... 10
1.6 Scientific Classifications and Characteristics of Bamboos... .... 12
1.6.1 Diversification of Bamboo... .... .... .... ..... .... 14
1.6.2 Bamboos Tribes, Subtribes, and Genera
Classification..... .... .... .... .... .... ..... .... 18
1.7 Important Bamboo Genera and Species ... .... .... ..... .... 18
1.7.1 Important Bamboo Genera... .... .... .... ..... .... 18
1.7.2 Important Bamboo Species .. .... .... .... ..... .... 18
1.7.3 Other Less/Known Taxa of Value. .... .... ..... .... 18
References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
2 Regeneration, Cultivation, and Sustenance of Bamboo .. ..... .... 39
2.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 39
2.2 Methods and Techniques of Bamboo Propagation ... ..... .... 40
2.2.1 Bamboo Propagation... .... .... .... .... ..... .... 41
2.2.2 Production of Bamboo Seedlings.. .... .... ..... .... 42
2.2.3 Sexual Propagation .... .... .... .... .... ..... .... 42
2.2.4 Asexual Propagation ... .... .... .... .... ..... .... 44
2.2.5 Macro-Proliferation Methods. .... .... .... ..... .... 55
2.2.6 Post-care of Bamboo Cuttings.... .... .... ..... .... 56
vii
viii Contents
2.3 Pre-planting Operations ... .... .... .... .... .... ..... .... 58
2.3.1 Selection of Land Site for the Cultivation
of Bamboo . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 59
2.3.2 Preparation of Land or Planting Site... .... ..... .... 59
2.4 Planting of Bamboo Seedlings .. .... .... .... .... ..... .... 60
2.5 Post-planting Operations... .... .... .... .... .... ..... .... 60
2.5.1 Replacement of Dead Plants . .... .... .... ..... .... 60
2.5.2 Culm Maintenance .... .... .... .... .... ..... .... 61
2.5.3 Maintenance of the Soil. .... .... .... .... ..... .... 61
2.5.4 Weeding ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 61
2.5.5 Pests, Insects, and Animal Protection .. .... ..... .... 62
2.5.6 Mulching... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 62
2.5.7 Soil Mounding ... .... .... .... .... .... ..... .... 63
2.5.8 Pruning Clump of Bamboo.. .... .... .... ..... .... 63
2.5.9 Clump Management ... .... .... .... .... ..... .... 63
2.5.10 Protection Bamboo from Fire .... .... .... ..... .... 65
2.6 Harvesting and Handling .. .... .... .... .... .... ..... .... 65
2.7 Attacks on Harvested Bamboo.. .... .... .... .... ..... .... 68
2.8 Insect Attacks.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 68
2.8.1 Beetles. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 69
2.8.2 Termites ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 69
2.9 Fungal Attacks. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 70
2.9.1 Blue-Stain Fungi.. .... .... .... .... .... ..... .... 71
2.9.2 Mould Fungi..... .... .... .... .... .... ..... .... 72
2.9.3 Decay Fungi ..... .... .... .... .... .... ..... .... 72
2.10 Post-harvest Treatment and Preservation... .... .... ..... .... 73
2.10.1 Air-Drying of Bamboo . .... .... .... .... ..... .... 73
2.10.2 Kiln-Drying of Bamboo .... .... .... .... ..... .... 75
2.10.3 Drying Rate and Defects of Bamboo... .... ..... .... 75
2.11 Preservation of Bamboo Culm .. .... .... .... .... ..... .... 76
2.11.1 Non-chemical Techniques... .... .... .... ..... .... 76
2.11.2 Chemical Methods. .... .... .... .... .... ..... .... 79
2.12 Treatability.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 80
2.13 Preservatives... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 81
2.13.1 Waterborne Types. .... .... .... .... .... ..... .... 81
2.13.2 Organic Acids.... .... .... .... .... .... ..... .... 81
2.14 Preservatives and Treatment.... .... .... .... .... ..... .... 82
2.14.1 Pressure Treatments.... .... .... .... .... ..... .... 82
2.14.2 Non-pressure Treatment. .... .... .... .... ..... .... 82
2.15 Sustainability of Bamboo and Its Products. .... .... ..... .... 83
References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 83
Contents ix
3 Properties of Bamboo.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87
3.1 Bamboo Growth Morphology... .... .... .... .... ..... .... 87
3.2 Morphology of the Bamboo Plant ... .... .... .... ..... .... 88
3.2.1 Culm.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 88
3.2.2 Sheath. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 90
3.2.3 Branches ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 91
3.2.4 Rhizomes... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 92
3.2.5 Roots.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 92
3.2.6 Leaves. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 93
3.3 Bamboo Culm Anatomy... .... .... .... .... .... ..... .... 94
3.4 Moisture Content ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 98
3.5 Specific Gravity (Density) and Mechanical Properties ..... .... 99
3.6 Chemical Composition.... .... .... .... .... .... ..... .... 101
3.7 Mechanical Characterisation.... .... .... .... .... ..... .... 102
3.7.1 Standardisation ... .... .... .... .... .... ..... .... 103
3.7.2 History of Bamboo Standardization.... .... ..... .... 103
3.7.3 Tensile Testing ... .... .... .... .... .... ..... .... 103
3.7.4 Compressive Testing... .... .... .... .... ..... .... 113
3.7.5 Fatigue Testing ... .... .... .... .... .... ..... .... 113
3.7.6 Impact Testing.... .... .... .... .... .... ..... .... 115
3.7.7 Shear Testing..... .... .... .... .... .... ..... .... 117
3.7.8 Bending (Flexural) Testing .. .... .... .... ..... .... 121
3.7.9 Torsion Testing... .... .... .... .... .... ..... .... 127
3.7.10 Structural Equations for Bamboo.. .... .... ..... .... 128
3.7.11 Classical Laminate Theory .. .... .... .... ..... .... 128
3.7.12 The Effects of Water, Brine, and Acid on Bamboo. .... 138
References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 142
4 Bamboo as Fuel. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 149
4.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 149
4.2 Bamboo Charcoal... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 150
4.3 Bamboo Pellet Biofuel .... .... .... .... .... .... ..... .... 152
4.3.1 Characterisation of Bamboo Pellets.... .... ..... .... 154
4.3.2 Calorific Value of Bamboo Pellets .... .... ..... .... 154
4.3.3 Gas-Analysis Test for Bamboo ... .... .... ..... .... 156
4.4 Production of Ethanol from Bamboo . .... .... .... ..... .... 160
4.4.1 Mechanical Pre-treatment ... .... .... .... ..... .... 162
4.4.2 Thermal Pre-treatment.. .... .... .... .... ..... .... 162
4.4.3 Chemical Pre-treatment. .... .... .... .... ..... .... 163
4.4.4 Hydrolysis and Fermentation. .... .... .... ..... .... 165
4.4.5 Use of Immature Bamboo Shoots . .... .... ..... .... 166
4.4.6 Summary... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 167
x Contents
4.5 Production of Methane from Bamboo. .... .... .... ..... .... 167
4.5.1 Resistance to Hydrolysis.... .... .... .... ..... .... 169
4.5.2 Pre-treatment..... .... .... .... .... .... ..... .... 169
References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 173
5 Applications of Bamboo .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 179
5.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 179
5.2 Engineering Applications .. .... .... .... .... .... ..... .... 180
5.3 Bamboo in Construction... .... .... .... .... .... ..... .... 181
5.3.1 Bamboo for Housing... .... .... .... .... ..... .... 182
5.3.2 Bamboo for Walls. .... .... .... .... .... ..... .... 183
5.3.3 Bamboo for Flooring... .... .... .... .... ..... .... 183
5.3.4 Bamboo for Roofing... .... .... .... .... ..... .... 184
5.3.5 Bamboo for Scaffolding. .... .... .... .... ..... .... 186
5.3.6 Bamboo for Interior Work... .... .... .... ..... .... 186
5.3.7 Bamboo for Furniture .. .... .... .... .... ..... .... 186
5.3.8 Industrial Bamboo Board.... .... .... .... ..... .... 189
5.3.9 Bamboo for Handicrafts .... .... .... .... ..... .... 190
5.3.10 Bamboo for Musical Instruments.. .... .... ..... .... 191
5.4 Engineering Bamboo Products .. .... .... .... .... ..... .... 191
5.4.1 Laminated Bamboo Lumber . .... .... .... ..... .... 191
5.4.2 Bamboo Veneer... .... .... .... .... .... ..... .... 192
5.4.3 PlyBamboo . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 192
5.4.4 Oriented-Strand Board.. .... .... .... .... ..... .... 193
5.4.5 Bamboo Particleboard.. .... .... .... .... ..... .... 193
5.4.6 Nonwoven Strand-Bamboo Products... .... ..... .... 194
5.4.7 Bamboo Plastic Composite .. .... .... .... ..... .... 195
5.4.8 Bamboo Chipboard or Flakeboard. .... .... ..... .... 195
5.4.9 Elastomer-Based Biocomposite ... .... .... ..... .... 196
5.4.10 Thermoplastic-Based Bamboo Composite... ..... .... 196
5.4.11 Thermoset-Based Bamboo... .... .... .... ..... .... 197
5.5 Paper and Textiles .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 198
5.5.1 Paper.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 198
5.5.2 Bamboo Textiles.. .... .... .... .... .... ..... .... 199
5.6 Bamboo Bicycles ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 200
5.7 Non-engineering Applications... .... .... .... .... ..... .... 201
5.7.1 Bamboo Charcoal . .... .... .... .... .... ..... .... 201
5.7.2 Industrial Processing of Bamboo.. .... .... ..... .... 202
5.7.3 Quality Control... .... .... .... .... .... ..... .... 203
5.7.4 Properties and Utilisation of Bamboo Charcoal.... .... 203
5.7.5 Bamboo Vinegar.. .... .... .... .... .... ..... .... 204
5.7.6 Bamboo as Food and Medicine... .... .... ..... .... 205