冷等離子體改性對輕型化竹基混凝土模板性能的影響

盛佳樂，巫其榮，關(guān) 鑫，林金國

(福建農(nóng)林大學材料工程學院，福建 福州 350002)

混凝土模板是土木建筑工程中不可或缺的施工工具，其使用數(shù)量龐大，運輸成本高、勞動量所占的比重高[1]。傳統(tǒng)的竹基混凝土模板普遍偏重，密度一般為0.85 g·cm-3左右[2]，因此，國內(nèi)外建筑界非常關(guān)注模板工程的改革，希望在保證混凝土模板力學性能符合國家標準的基礎(chǔ)上盡可能降低其密度，從而達到竹基混凝土模板輕型化的目的。本文試圖通過冷等離子體改性竹材、優(yōu)化竹基混凝土模板結(jié)構(gòu)等技術(shù)制備出較傳統(tǒng)竹基混凝土模板密度低15%以上的輕型化竹基混凝土模板。由于竹青和竹黃對水和膠黏劑的潤濕性差，在竹基混凝土模板生產(chǎn)實際中常將其剔除，導(dǎo)致竹材利用率大幅下降。而冷等離子體處理可對竹材表面進行清洗和刻蝕，增加竹材表面O-H、C=O和COOH等含氧官能團的含量，從而改善竹材表面的潤濕性[3-4]，冷等離子體處理也可提高酚醛樹脂膠黏劑對竹材的膠合性能[5]。不同的冷等離子體處理氣體、處理功率、處理時間對木竹材潤濕性的改善效果也不同[6-7]，可以通過正交試驗設(shè)計來優(yōu)化輕型化竹基混凝土模板制備過程中竹材的冷等離子體改性預(yù)處理工藝[8]。目前，以“冷進-冷出”的熱壓工藝來制備竹基混凝土模板仍被許多企業(yè)采用[9]，但因其生產(chǎn)周期長、冷卻水用量大、能耗高等缺點制約了產(chǎn)品的進一步發(fā)展[10]。本文應(yīng)用冷等離子體改性處理竹材，采用“熱進-熱出”分段式熱壓工藝制備輕型化竹基混凝土模板，大幅降低冷卻水的用量、升溫過程的時間與能耗，并有效降低了生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

酚醛樹脂浸漬紙、竹席、弦向竹簾和徑向竹簾均取自福建和其昌竹業(yè)股份有限公司，其厚度分別為0.15 mm、1.4 mm、2.0 mm和2.0 mm，裁剪幅面400 mm×400 mm，浸膠前竹材含水率控制在6%左右；構(gòu)成竹席和弦向竹簾的竹條寬為20 mm，且相鄰竹條均為緊密排列；構(gòu)成徑向竹簾的竹條寬度為8 mm。

酚醛樹脂膠黏劑(PF)，取自福建和其昌竹業(yè)股份有限公司，為工程膠合板用膠，其基本性能為：粘度為89.0 (涂-4杯) /s，固含量28.0%，pH值為11.7。

1.2 試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備有：等離子體處理儀，型號OKSUN-PR60L，深圳市奧坤鑫科技有限公司; 萬能試驗壓機，型號BY302X2/15，蘇州新協(xié)力機器制造有限公司；微機控制電子式萬能試驗機，型號CWT6104，深圳新三思公司計量技術(shù)有限公司；手動進料木工圓鋸機，型號MJ104A，上海木工機械廠。

1.3 試驗方法

將竹席、弦向竹簾和間隔排列的徑向竹簾放進等離子體處理儀中，根據(jù)正交試驗設(shè)計的參數(shù)進行冷等離子體改性處理。正交試驗設(shè)計選取處理功率、處理時間、處理氣體3個因素，分析考察各個因素不同水平對竹基混凝土模板靜曲強度的影響。經(jīng)前期探索試驗與分析，選取正交試驗因素水平(表1)，按照正交試驗表L9(34)(表2)制備竹基混凝土模板，每個試驗號重復(fù)3次。

表1 試驗因素和水平Tab.1 Experimental factors and levels

將改性后的竹席和竹簾浸沒在配置好的膠液中15 min，達到浸漬時間后取出竹席和竹簾，放置在鐵架臺上滴膠3 min，再把竹席和竹簾放在55 ℃的鼓風干燥箱中干燥至竹材含水率為12%左右，按圖1所示進行組坯(1、3、5、7、9層為縱向排列，2、4、6、8層為橫向排列)；組坯完成后，采用“熱進-熱出”工藝在萬能試驗壓機中進行熱壓，熱壓過程中熱壓機上下板始終保持在熱壓溫度，板坯放進熱壓機后立即閉合，并達到工藝要求的最高壓力Pmax(即熱壓壓力)，同時開始計算熱壓時間T1；熱壓工藝曲線如圖2，熱壓參數(shù)如表3；將所壓的輕型化竹基混凝土模板陳放后根據(jù)國家標準GB/T 17657-2013檢測其密度和靜曲強度，工藝流程如圖3所示。

表2 正交試驗安排Tab.2 Orthogonal test arrangement

1,9-酚醛樹脂浸漬紙；2,8-竹席；3,7-弦向竹簾；4,5,6-徑向間隔排列的竹簾圖1 竹基混凝土模板的板坯結(jié)構(gòu)Fig.1 Slab structure of the bamboo-based concrete formwork

圖2 熱壓工藝曲線Fig.2 Curve of hot pressing technology 注：Pmax-熱壓壓力； T1-熱壓時間； P1-平衡壓力0.5 MPa； T2-平衡工作保持時間3 min； P2-平衡壓力0.1 MPa； T3-平衡工作保持時間10 min

壓力Pressure/MPaPmaxP1P2熱壓溫度Temperature/℃時間Duration/minT1T2T3竹材含水率Water content of bamboo/%3.00.50.11401231012%

圖3 工藝流程圖Fig.3 Process flow

2 結(jié)果與分析

按照正交試驗設(shè)計冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的靜曲強度和密度如表4所示，不同處理功率、處理時間、處理氣體冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的密度值為0.63～0.69 g·cm-3，均小于0.7g·cm-3，和未采用冷等離子體改性竹材和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的傳統(tǒng)竹基混凝土模板[2]相比，密度降低了18%～25%，實現(xiàn)了竹基混凝土模板的輕型化；靜曲強度值為89.8～97.4 MPa，為了優(yōu)化制備輕型竹基混凝土模板的最佳冷等離子體改性工藝參數(shù)，著重對不同處理功率、處理時間、處理氣體冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的靜曲強度進行極差分析和方差分析。

表4 正交試驗結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal test

2.1 極差分析

對不同處理功率、處理時間、處理氣體的冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的靜曲強度進行極差分析(表5)。

表5 竹基混凝土模板靜曲強度的極差分析Tab.5 Range analysis on the bending strength of the bamboo-based concrete formwork

為便于直觀地對各影響因素進行分析，作出各因素趨勢圖(圖4)。

圖4 因素趨勢圖Fig.4 Trend graph of factors

由表5和圖4可知，等離子體處理功率、處理時間、處理氣體對輕型竹基混凝土模板靜曲強度的影響程度不一，各因素影響輕型竹基混凝土模板靜曲強度的程度大小為：處理氣體>處理功率>處理時間；O2作為冷等離子體處理氣體改性制備的竹基混凝土模板靜曲強度最大，N2次之，Ar最??；隨著改性處理功率的增大，竹基混凝土模板靜曲強度呈先增大后減小的趨勢，處理功率為160 W時靜曲強度達到最大值；隨著改性處理時間的增長，竹基混凝土模板靜曲強度呈先增大后減小的趨勢，處理時間為90 s時靜曲強度達到最大值；各因素的較優(yōu)水平分別為：改性處理氣體為O2，處理功率為160 W，處理時間為90 s。

2.2 方差分析

為了考察分析各個因素對竹基混凝土模板靜曲強度影響顯著性的高低，對不同處理功率、處理時間、處理氣體冷等離子體改性正交試驗輕型化竹基混凝土模板的靜曲強度進行了方差分析(表6)。結(jié)果表明，處理氣體對竹基混凝土模板靜曲強度影響極顯著，處理功率對竹基混凝土模板靜曲強度影響顯著，而在60～120 s范圍內(nèi)處理時間對竹基混凝土模板靜曲強度影響不顯著。綜合來看，制備輕型竹基混凝土模板的冷等離子體最佳改性工藝參數(shù)為：處理氣體為O2，處理功率為160 W，處理時間為90 s。

表6 竹基混凝土模板靜曲強度的方差分析Tab.6 Variance analysis of the bending strength of bamboo-based concrete formwork

注：F0.1(2,2)=9 F0.05(2,2)=19 F0.01(2,2)=99

2.3 穩(wěn)定性試驗

按照上述正交試驗設(shè)計得出的輕型化竹基混凝土模板最佳的冷等離子體改性工藝進行穩(wěn)定性試驗5次(表7)，結(jié)果表明，最佳冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的靜曲強度為98.5 MPa，變異系數(shù)為4.20%；95%置信水平時試驗的準確指數(shù)為3.68%，小于臨界值5%。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，評價試驗數(shù)據(jù)是否準確的依據(jù)是準確指數(shù)，95%置信水平時的準確指數(shù)為5%，說明本文穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)準確可靠。

表7 竹基混凝土模板靜曲強度的穩(wěn)定性試驗結(jié)果Tab.7 Results of the bending strength of bamboo-based concrete formwork stability test

3 結(jié)論

通過正交試驗考察影響竹基混凝土模板靜曲強度的各個冷等離子體改性工藝因素，得出以下結(jié)論：

(1)不同冷等離子體(N2、O2、Ar)預(yù)處理竹材后，制備的竹基混凝土模板的靜曲強度存在差異，其處理效果表現(xiàn)為O2>N2>Ar；竹基混凝土模板的靜曲強度隨冷等離子體處理功率的增大呈先增大后減小的趨勢；竹基混凝土模板的靜曲強度隨著處理時間的延長呈先增大后略微減小的趨勢。

(2)冷等離子體處理氣體和處理功率對竹基混凝土模板靜曲強度的影響顯著，生產(chǎn)中應(yīng)加強對這兩個改性工藝因素的控制；而冷等離子體處理時間在60～120 s范圍內(nèi)對竹基混凝土模板靜曲強度的影響不顯著，在生產(chǎn)實際中對改性處理時間的有效控制可達到節(jié)能、高效和降低成本的目的。

(3)制備輕型化竹基混凝土模板最佳的冷等離子體改性工藝參數(shù)為：處理氣體O2，處理功率160 W，處理時間90 s，此條件下制備的輕型化竹基混凝土模板靜曲強度為98.5 MPa。