竹木復(fù)合建筑混凝土模板的工藝研究

吳建飛，王 緯，袁紅梅，林金國，李吉慶

(福建農(nóng)林大學材料工程學院，福建 福州 350100)

傳統(tǒng)的建筑混凝土模板多數(shù)由鋼材和木材制成，而竹基建筑混凝土模板克服了鋼材價格貴和木材缺乏的難題[1]。竹材雖然具有產(chǎn)量高、可再生、易回收、易降解、抗彎性能強和柔軟等特點，但是長期以來卻面臨著利用率低下的難題[2-5]。在竹膠合板及竹制品生產(chǎn)中，竹材利用率低于40%，60%以上的竹材加工剩余物都作為燃料或廢棄物，造成巨大資源浪費和生態(tài)破壞[6]?？蒲腥藛T采用了多種方法來提高竹材利用率，把竹材剩余物轉(zhuǎn)化成有效原料進行再生產(chǎn)，或制備成酚類、活性炭、生物油、生物乙醇等產(chǎn)品[7-10]，但是這些方法都存在工藝繁瑣、用量少、成本高等缺點。相比于原生竹材，利用竹加工剩余物制備膠合板的工藝更為簡單，生產(chǎn)成本更低，同時還有效地提高了竹材利用率。傳統(tǒng)方法制備竹基建筑模板需要刨青黃及修邊處理，所以出材率僅為35%～40%，因此提高竹材利用率對竹資源合理利用有著重要意義[11]。王武祥等[12]把竹材剩余物經(jīng)粉碎、干燥、篩選等工序制成再生原料竹屑，作為竹膠托板的芯層使用，竹加工剩余物的體積利用率占新產(chǎn)品的50%～70%。孫恩惠等[13]以竹長條加工剩余物及小徑竹材為主要原材料制備重組竹材，利用率可達90%以上。LIetal[14]把小直徑的竹材和竹材加工剩余物切成顆粒狀，然后將竹顆粒和竹席構(gòu)造成復(fù)合板，將竹材利用率提高到95%以上。陳涵[15]以竹材加工剩余物和粉煤灰混合制備了刨花板，一定程度上提高了竹材利用率。以上研究都在不同程度上提高了竹材的利用率，但是多數(shù)方法都是把竹材加工成小顆粒，這樣在施膠量上很難把握，存在難以工業(yè)化生產(chǎn)的情況，因此如果把竹材剩余物加工成較為規(guī)則的片狀能有效地改變這一現(xiàn)狀。

國內(nèi)外研究人員對竹刨花板、纖維板、竹膠合板和一些復(fù)合板的的制備工藝都先后進行了研究，但是竹材加工剩余物與楊木復(fù)合制備人造板的研究還比較少[16-21]。本文把火車集裝箱底板加工剩余物制備成竹片，以楊木作為表面貼面制備層層交錯結(jié)構(gòu)的竹木復(fù)合建筑混凝土模板，通過測量靜曲強度(modulus of rupture，MOR)、彈性模量(modulus of elasticity，MOE)、濕態(tài)膠合強度、密度、含水率來判斷其性能，探究了與傳統(tǒng)竹模板加工工藝的區(qū)別。通過單因素實驗得出熱壓工藝參數(shù)范圍，再利用正交實驗法研究熱壓壓力、溫度、時間對建筑混凝土模板各個性能的影響程度，并給出該熱壓工藝的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

竹片原料為火車集裝箱底板加工時產(chǎn)生的邊角料，購自福建省何其昌竹業(yè)股份有限公司。把購買的邊角料用鋸機沿軸向截取厚度均勻的竹片試件單元，單元的尺寸為440 mm×25 mm×4 mm。裁剪前注意在鋸片澆上一定量的水，防止刀片燒壞，因此制備好的竹片需要進行干燥至含水率小于12%后才能使用。使用的酚醛樹脂膠黏劑(phenol-formaldehyde resin，PF)，購自福建省何其昌竹業(yè)股份有限公司，其固含量為45%，pH值為11.8。在PF中加入一定量的水把酚醛樹脂膠稀釋為固體含量為30%后用于竹片和楊木單板的浸漬。楊木單板購自福建省何其昌竹業(yè)股份有限公司，由楊木旋切后得到，單板尺寸為440 mm×440 mm×1 mm，對組坯后的竹木復(fù)合建筑混凝土模板進行貼面，頂面和底面各兩層。竹木復(fù)合建筑混凝土模板的制備過程如圖1所示。

圖 1 竹木復(fù)合建筑混凝土模板的模擬制備過程Figure 1 Simulated preparation process of bamboo-wood composite building concrete formwork

1.2 研究方法

1.2.1 竹木復(fù)合建筑混凝土模板的制備方法 挑選厚度相近的竹片單元作為同一層，這樣有利于減小制備竹片時產(chǎn)生的部分厚度不均勻的竹片給實驗帶來的影響。用砂紙在竹片單元表面砂光，這樣不僅可以提高竹片間的接觸面積，也可以去除竹片表面一些雜質(zhì)對膠黏劑的影響。將砂光好的竹片和楊木單板放入鼓風干燥箱中，干燥溫度調(diào)至105 ℃，干燥時間大約5 min，直到含水率在12%左右，取出竹片和楊木單板浸泡在酚醛樹脂膠中3～5 min，取出竹片和楊木單板放進烘箱二次干燥，這次干燥溫度為65 ℃，大約干燥8 min，當含水率約為12%時取出，將竹片進行組坯，組好坯后在上下表面分別附上兩層單板，接下來設(shè)置不同的熱壓參數(shù)進行熱壓。熱壓前把組好坯的板材放入熱壓機預(yù)熱2 min，當壓板結(jié)束時在沒有壓力的狀態(tài)下放置2 min再取下板材。制備工藝流程如圖2所示。

參照的標準為GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗標準》[21]和GB/T 17656—2018 《混凝土模板用膠合板》[22]，對竹木復(fù)合建筑混凝土模板的物理力學性能進行測試。測試的性能包括密度、濕態(tài)膠合強度、靜曲強度和彈性模量。實驗測試的性能、試件數(shù)量、試件尺寸以及加載速度如表1所示。竹木復(fù)合建筑混凝土模板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 2 竹木復(fù)合建筑混凝土模板制備工藝流程圖Figure 2 Process flowchart of the preparation of bamboo-wood composite building concrete formwork preparation

表 1 各性能的測試參數(shù)Table 1 Parameters used for each performance test

圖 3 竹木復(fù)合建筑混凝土模板的結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of bamboo-wood composite concrete formwork of bamboo and wood composite buildings

1.2.2 性能的測試方法 按照標準《人造板及飾面人造板理化性能試驗標準》[21]進行三點彎曲強度的測試，兩支座間的距離為240 mm，試件精確到1 mm。加載塊的直徑為15 mm，加載速率設(shè)置為6 mm·min-1，然后開始對試件的上表面進行勻速加載，直到試件發(fā)生斷裂，加載停止，并記錄結(jié)果。MOR(σc)和MOE(Ed)的計算分別使用公式(1)、 公式(2)。按照標準[21]進行膠合強度(X)測試，試件尺寸為100 mm×25 mm×12 mm，剪切面長度l為25 mm，剪切面寬度b1為25 mm，鋸路寬度為3 mm。制備好試件后，把試件放在沸水中蒸煮4 h，取出干燥24 h，再沸水中蒸煮4 h，放置清水中浸泡1 h。把處理好的試件用夾具夾住兩端，兩夾具間距離為70 mm，對試件兩端施加拉力，直到膠層完全分離后停止加載。膠合強度的計算如公式3。

σc=3Fmaxl1/(2bt2)

(1)

(2)

X=Pmax/(b1l)

(3)

式中：σc為試件的靜曲強度(MPa)，F(xiàn)max為試件破壞時最大荷載(N)，l1為兩支座間距離(mm)，b為試件寬度(mm)，t為試件厚度(mm)；Ed為試件的彈性模量(MPa)，F(xiàn)2約為最大荷載的40%(N)，F(xiàn)1約為最大荷載的10%(N)。a2-a1為試件中部變形的增加量(mm)，即為力F2-F1區(qū)間試件的變量；X為試件的膠合強度(MPa)，Pmax為最大破壞荷載 (N)，l為試件剪段面長度(mm)，b1為試件剪短面寬度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備工藝分析

不同竹模板材料的制備工藝如表 2 所示。與傳統(tǒng)竹片材料制備工藝相比，本實驗制備材料過程極為簡單，省去了去竹節(jié)、剖開、去內(nèi)膜等復(fù)雜工序，且材料更為廉價。雖然熱壓工藝過程大體相同，但是由于本實驗竹材為二次加工的材料，與原生竹材相比存在性能差異，因此不能將傳統(tǒng)的熱壓工藝參數(shù)直接運用到本實驗中，需要通過探究進一步確定其熱壓工藝參數(shù)。

表 2 不同竹模板材料制備工藝對照Table 2 Comparison of preparation process of different bamboo template materials

2.2 建筑混凝土模板性能分析

采用2 MPa、50 s·mm-1、125 ℃熱壓參數(shù)制備竹木復(fù)合建筑混凝土模板的測試結(jié)果如圖4所示。竹木復(fù)合建筑混凝土模板在順紋和橫紋兩個方向上的MOR和MOE值均能達到17656—2018《混凝土模板用膠合板》[22]的要求。故而對產(chǎn)品工藝進一步研究是有意義的。該產(chǎn)品在順紋的MOR和MOE比橫紋方向的分別大26.5%、 18.5%，可能是奇數(shù)層交錯排列結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。組坯時平行于板長方向排列的竹條單元是垂直于板材方向排列竹條單元的兩倍，即頂層和底層(這里指芯層，沒有包括單板貼面)都是平行于板長方向，只有中間層垂直于板材方向排列，當順紋方向受力時頂層和底層起主要作用，中間層起次要作用；而橫紋方向受彎時中間層起主要作用，頂層和底層容易發(fā)生膠層剪切破壞，因此順紋方向性能更好。

圖 4 竹木復(fù)合建筑混凝土模板靜曲強度和彈性模量Figure 4 MOR and MOE of bamboo-woodcomposite building concrete formwork

2.3 單因素實驗

分別測試不同壓力、溫度、時間對竹木復(fù)合建筑混凝土模板順紋方向(即平行于板長方向，沒有特殊說明都是指順紋方向)的靜曲強度、彈性模量的影響及含水率的影響。測試結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7和表3所示。

2.3.1 壓力的確定 對組好坯的板材施加適當大小的壓力，板材才能順利成型。壓力的大小直接影響板材的含水率、靜曲強度等性能。分別用1、2、3、4、5 MPa的壓力對板坯施壓，從圖5可知，2 MPa以內(nèi)隨著壓力的增大，竹片單元間越來越緊密，密度越來越大，MOR和MOE也隨之增大，2 MPa時MOR和MOE都達到最大值：隨著壓力繼續(xù)加大，MOR、MOE開始呈下降趨勢，竹材此時已經(jīng)達到相當緊密的狀態(tài)，過大的壓力可能導(dǎo)致竹片單元間的部分膠被擠出，甚至導(dǎo)致竹材有一定程度的損壞。含水率和壓力沒有直接的關(guān)系，2 MPa時含水率為10.14%，符合GB/T 17656—2018《混凝土模板用膠合板》[22]的含水率要求。綜合考慮，壓力以1～3 MPa為宜。

2.3.2 時間的確定 由于材料的不同，每一種板材熱壓所需要的時間也不同。竹材的傳熱性能較差，因此通常所需時間偏長，但是本文所用竹材是經(jīng)過熱壓的竹材加工剩余物，理論上熱壓時間會有所降低。熱壓時間太長，容易導(dǎo)致膠變脆，從而降低板的力學性能，因此壓板前應(yīng)先確定好熱壓時間參數(shù)。本文分別用25、50、75、100、125 s·mm-1對竹材進行熱壓，從圖6可知，50 s·mm-1以前MOR、MOE都隨著時間的增長而增大，因為隨著熱壓時間增長，竹纖維束逐漸軟化，竹片單元間結(jié)合性更好，膠也隨著時間的增長而加速固化；50 s·mm-1以后MOR、MOE則隨著時間的增長而減小。含水率則隨著時間的增長而下降，125 s·mm-1時含水率<8%，低于GB/T 17656—2018《混凝土模板用膠合板》[22]含水率要求。綜合考慮，時間在25～75 s·mm-1為宜。

(a)靜曲強度 MOR (b)彈性模量 MOE圖 5 不同壓力下的靜曲強度和彈性模量Figure 5 MOR and MOE under different pressures

(a)靜曲強度 MOR (b)彈性模量 MOE圖 6 不同時間下的靜曲強度和彈性模量Figure 6 MOR and MOE at different time

2.3.3 溫度的確定 分別設(shè)置溫度為：95、105、115、125、135 ℃。從圖7可知，在125 ℃之前，隨著溫度的升高MOR和MOE都隨之增大，因為隨著溫度的增大，溫度逐漸從板材周圍傳到竹材內(nèi)部，使得板材內(nèi)部的膠加速固化，從而提高板材性能；125 ℃之后隨著溫度繼續(xù)增加，MOR、MOE驟然下降，當溫度過高時竹束纖維素也會發(fā)生降解從而影響強度，而且溫度過高也會使膠變脆。溫度對含水率有較大的影響，隨著溫度的升高含水率逐漸降低，因為隨著溫度的升高，酚醛樹脂膠中的部分水分被蒸發(fā)。綜合考慮，溫度取115～135 ℃為宜。

(a)靜曲強度 MOR (b)彈性模量 MOE圖 7 不同溫度下的靜曲強度和彈性模量Figure 7 MOR and MOE at different temperatures

表 3 不同條件下含水率的變化Table 3 Variation of moisture content under different conditions

2.4 正交實驗分析

根據(jù)單因素實驗已經(jīng)初步確定了熱壓壓力(A)、 熱壓時間(B)、 熱壓溫度(C)的范圍。通過正交實驗的極差分析進一步確定各個因子對不同性能的影響程度；通過各因素不同水平的平均值確定最優(yōu)水平組合，進而選出最優(yōu)組合。正交實驗的因子及水平如表4，實驗結(jié)果如表5所示，正交實驗分析結(jié)果如表6所示。

表 4 實驗因子水平Table 4 Experimental factor levels

通過極差的大小可以判斷各個因素對實驗結(jié)果的影響程度，極差值越大說明該因素對結(jié)果影響越大；反之，影響越小。表6中R行是極差，它是k1，k2，k3各列三個數(shù)據(jù)的極差。由表6可知，對于MOR、MOE、濕態(tài)膠合強度三者而言，都有R1>R2>R3，因此MOR、MOE和濕態(tài)膠合強度三者的影響因素大小都為：熱壓壓力>熱壓時間>熱壓溫度。通過平均值Ki分析可得出理論上的最佳組合。從Ki(i可取1、 2、 3)中取最高值的組合即為最佳組合，從表6中數(shù)據(jù)可以得出理論最優(yōu)方案。從表6可以看出，MOR的A、B、C因素的最優(yōu)水平為A3B2C3，即MOR的最優(yōu)水平為3 MPa、50 s·mm-1、135 ℃。MOE的A、B、C因素的最優(yōu)水平為A3B2C2，即3 MPa、50 s·mm-1、125 ℃。濕態(tài)膠合強度的A、B、C因素的最優(yōu)水平為A1B2C1，即1 MPa、50 s·mm-1、115 ℃。由于MOR最能直觀地反應(yīng)竹材產(chǎn)品的抗彎能力，因此以MOR的最優(yōu)水平為準，即最優(yōu)工藝參數(shù)為3 MPa、50 s·mm-1、135 ℃。

表 5 正交實驗設(shè)計與結(jié)果Table 5 Orthogonal experiment design and results

表 6 正交實驗平均值分析和極差分析Table 6 Mean value analysis and range analysis of orthogonal experiment

3 結(jié)論

利用廢棄竹材邊角料制備的竹木復(fù)合建筑混凝土模板性能優(yōu)良，符合GB/T 17656—2018《混凝土模板用膠合板》要求，具有實際運用價值。與傳統(tǒng)竹模板制備工藝相比，該工藝不僅提高了竹材利用率，還省去竹青、竹黃、竹節(jié)等工序，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。該產(chǎn)品的竹材加工剩余物厚度約10 mm，產(chǎn)品的總厚度約12 mm，即本產(chǎn)品竹材加工剩余物的體積利用率占竹木復(fù)合建筑混凝土模板的80%以上。單因素分析表明生產(chǎn)該建筑混凝土模板的熱壓壓力值1～3 MPa為宜，熱壓時間25～75 s·mm-1為宜，熱壓溫度115～135 ℃為宜。正交實驗分析表明，對 MOR、MOE和濕態(tài)膠合強度三者的影響因素大小都為：熱壓壓力>熱壓時間>熱壓溫度。平均值分析表明最優(yōu)熱壓壓力、熱壓時間、熱壓溫度分別為：3 MPa、50 s·mm-1、135 ℃。