低密度水泥刨花板抗凍性能研究*

杜洪雙 吳 迪 周璟松 唐朝發(fā)

[ 吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北華大學(xué)），吉林 132013 ]

水泥基木質(zhì)復(fù)合材料性能優(yōu)異[1-3]，水泥刨花板可作為飾面基材使用[4-5]，用于室外時(shí)，其抗凍性能的優(yōu)劣對(duì)使用壽命具有一定影響，特別是對(duì)低密度輕質(zhì)水泥刨花板，影響更為顯著。然而，目前有關(guān)水泥刨花板的抗凍性能研究較少。在針對(duì)混凝土的抗凍性能研究中，聚合物丁苯膠乳作為改性劑摻混于普通硅酸鹽水泥混凝土中，可以提高水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗凍性能，并且使之具有良好的耐化學(xué)，耐滲透性和良好的粘接強(qiáng)度等性質(zhì)[6-9]。本研究將使用丁苯乳膠為改性劑用于制備低密度水泥刨花板，并考察其對(duì)低密度水泥刨花板的抗凍性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

硅酸鹽水泥52.5，冀東水泥吉林有限責(zé)任公司；脫硫建筑石膏，沈陽康環(huán)脫硫石膏綜合利用有限公司；丁苯膠乳(146C)，固體含量48.2%，齊魯石化公司；硫酸鋁，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硅酸鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；楊木刨花，長(zhǎng)25～60 mm，寬5～16 mm，厚0.2～0.5 mm，自制。

1.2 設(shè)備

智能控制實(shí)驗(yàn)壓機(jī)，SYSMEN-N，中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT5105，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；自動(dòng)恒溫恒濕箱，ClimaceII 404，德國(guó)3M公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，202-4，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠；恒溫水浴鍋，HH-6，金壇宏華儀器廠；低溫冷凍箱，-40 ℃，海爾集團(tuán)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 低密度水泥刨花板制備

設(shè)定密度950 kg/m3；為保證低密度水泥刨花板的力學(xué)性能，應(yīng)適當(dāng)增加木刨花用量，降低灰木比。本研究所用灰木比2.0；灰水比1.7；為保證水泥充分固化，硫酸鋁用量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%；硅酸鈉溶液用量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3.5%；脫硫建筑石膏用量為替代水泥用量的10%[10-14]。以往的研究表明：隨著聚合物丁苯膠乳用量的增加，水泥刨花板的彈性模量呈下降趨勢(shì)，同時(shí)成本增加，因此本研究中丁苯膠乳用量選擇為水泥用量的0%、5%、7.5%。原料按工藝要求混合均勻后，經(jīng)成型、加壓、養(yǎng)護(hù)、干燥完成水泥刨花板制備。

1.3.2 常用密度水泥刨花板制備

設(shè)定密度1 300 kg/m3；灰木比2.7；灰水比1.7；硫酸鋁用量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%；硅酸鈉溶液用量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3.5%。原料按工藝要求混合均勻后，經(jīng)成型、加壓、養(yǎng)護(hù)、干燥完成水泥刨花板制備。

1.3.3 水泥刨花板凍融試驗(yàn)

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的慢凍法進(jìn)行水泥刨花板的抗凍性試驗(yàn)[15]。試驗(yàn)過程中分別采用凍融循環(huán)10周期（D10）、20周期（D20）、30周期（D30）、40周期（D40）、50周期（D50）、60周期（D60）后，對(duì)完成相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)水泥刨花板進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測(cè)。按照GB/T 50082—2009規(guī)定，冷凍、放入水中融化時(shí)間均不低于4 h為一個(gè)周期。

1.3.4 主要物理力學(xué)性能檢驗(yàn)

參照GB/T 24312—2009《水泥刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行水泥刨花板的主要物理力學(xué)性能檢測(cè)；同時(shí)對(duì)浸水24 h及各凍融周期后的濕狀靜曲強(qiáng)度、厚度膨脹率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)完成浸水24 h及各凍融周期后的試件進(jìn)行干燥，在含水率達(dá)到9%～10%后，檢測(cè)干狀水泥刨花板的靜曲強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度[16-17]。等級(jí)判定參照GB/T 24312—2009中的水泥刨花板理化性能指標(biāo)對(duì)干狀靜曲強(qiáng)度（MOR）、浸水24 h靜曲強(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）、彈性模量（MOE）、浸水24 h厚度膨脹率（TS）、含水率、垂直板面握螺釘力（SHC）指標(biāo)進(jìn)行判定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥刨花板主要物理性能

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水泥刨花板主要物理性能進(jìn)行檢測(cè)，常用密度水泥刨花板的密度為1 316 kg/m3，含水率9%～10%；低密度水泥刨花板的密度為962 kg/m3，含水率9%～10%；浸水24 h厚度膨脹率（TS）變化見表1。

表1 低密度和常用水泥刨花板不同檢測(cè)條件下的厚度膨脹率Tab.1 The thickness swelling ratio of low-density and conventional cement particleboards under different testing conditions

2.2 水泥刨花板主要力學(xué)性能

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水泥刨花板主要力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，常用密度水泥刨花板的力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求；低密度水泥刨花板的干狀內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度大于0.5 MPa，垂直板面握螺釘力大于665 N，丁苯膠乳用量為水泥用量的0%、5%時(shí)，試驗(yàn)條件下測(cè)得的干狀彈性模量均大于3 000 MPa，丁苯膠乳用量為水泥用量的7.5%時(shí)，凍融周期達(dá)到10周期后，測(cè)得的干狀彈性模量小于3 000 MPa。其他力學(xué)性能指標(biāo)變化見表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，丁苯膠乳用量為水泥用量的7.5%時(shí)，低密度水泥刨花板的彈性模量出現(xiàn)大幅度下降，特別是當(dāng)凍融周期達(dá)到10周期后，測(cè)得的干狀彈性模量小于3 000 MPa，已不能滿足GB/T 24312—2009對(duì)彈性模量的指標(biāo)要求，分析主要是隨著丁苯膠乳加入量的增加，水泥刨花板的韌性增大，剛性降低，在一定力作用下，其彈性變形量增大，導(dǎo)致彈性模量下降明顯。由表1、表2可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，丁苯膠乳的加入使低密度水泥刨花板的靜曲強(qiáng)度、浸水24 h厚度膨脹率等指標(biāo)有不同程度的改善。丁苯膠乳對(duì)干狀靜曲強(qiáng)度、濕狀靜曲強(qiáng)度、浸水24 h厚度膨脹率的影響見圖1～3。

由圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)丁苯膠乳用量為水泥用量的7.5%時(shí)，干狀靜曲強(qiáng)度在D20～D40期間，呈增加的趨勢(shì)，其后又呈下降趨勢(shì)，分析原因?yàn)?，此階段水泥結(jié)合力有所增強(qiáng)或檢測(cè)試件密度不均勻等導(dǎo)致。由圖1～2可知，密度對(duì)水泥刨花板的主要物理力學(xué)性能的影響較大，密度由1 316 kg/m3降到9 62 kg/m3，其靜曲強(qiáng)度降低了28.8%，彈性模量降低了30.4%。同時(shí)浸水、凍融各階段的濕狀、干狀靜曲強(qiáng)度均有不同程度的降低。聚合物乳膠丁苯膠乳的加入，因其增加了水泥固化后的韌性，導(dǎo)致彈性模量較不添加丁苯膠乳水泥刨花板的彈性模量有所下降，并隨著丁苯膠乳用量的增加而下降明顯，本試驗(yàn)中，丁苯膠乳加入量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%時(shí)，彈性模量下降了17.0%，丁苯膠乳加入量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的7.5%時(shí)，彈性模量下降了34.4%。丁苯膠乳的加入，對(duì)改善低密度水泥刨花板的浸水24 h靜曲強(qiáng)度及各周期凍融后的濕狀靜曲強(qiáng)度效果明顯，這主要是丁苯膠乳和水泥兩者結(jié)合在一起，形成具有諸多優(yōu)良性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。聚合物膠乳凝聚的大分子會(huì)沿著水泥在水化反應(yīng)中原先存在水的地方形成微裂紋和孔隙方向的延伸，部分填充微裂紋和孔隙，阻止了微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)張，降低了孔隙率，水泥中添加的丁苯膠乳聚合物自身也會(huì)固化，在水泥固化體系中形成連續(xù)的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸附在無機(jī)膠結(jié)材料和木材的周圍，從而達(dá)到增強(qiáng)水泥刨花板強(qiáng)度的效果，使水泥刨花板的浸水24 h靜曲強(qiáng)度得到明顯改善；同時(shí)，由于水泥刨花板中水泥形成的微裂紋和孔隙部分被填充，有效地減少了水泥在凍融試驗(yàn)過程中的吸水量，從而使凍融性能得到提高[6-9，18-20]。

表2 低密度和常用水泥刨花板不同檢測(cè)條件下的主要力學(xué)性能Tab.2 Main mechanical properties of low-density and conventional cement particleboards under different testing conditions

圖1 丁苯膠乳對(duì)水泥刨花板干狀靜曲強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of styrene-butadiene latex on dry static flexural strength of cement particleboards

圖2 丁苯膠乳對(duì)水泥刨花板濕狀靜曲強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of styrene-butadiene latex on wet static strength of cement particleboards

圖3 丁苯膠乳對(duì)水泥刨花板浸水24 h厚度膨脹率的影響Fig.3 The effect of styrene-butadiene latex on 24 h water absorption thickness swelling rate of cement particleboards

3 結(jié)論

將聚合物膠乳用于低密度水泥刨花板，對(duì)聚合物乳膠對(duì)低密度水泥刨花板的抗凍性能的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：聚合物乳膠丁苯膠乳的加入，不會(huì)影響水泥刨花板中作為膠黏劑的水泥的固化，對(duì)水泥刨花板的主要物理力學(xué)性能影響較小。

聚合物乳膠丁苯膠乳的加入，可有效提高低密度水泥刨花板的浸水24 h靜曲強(qiáng)度及凍融靜曲強(qiáng)度。

綜合考慮聚合物乳膠丁苯膠乳對(duì)水泥刨花板彈性模量及凍融靜曲強(qiáng)度等的影響，聚合物乳膠丁苯膠乳的用量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%較為適合。