杜洪雙 吳 迪 周璟松 唐朝發(fā)

[ 吉林省木質材料科學與工程重點實驗室（北華大學），吉林 132013 ]

水泥基木質復合材料性能優(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，其抗凍性能的優(yōu)劣對使用壽命具有一定影響，特別是對低密度輕質水泥刨花板，影響更為顯著。然而，目前有關水泥刨花板的抗凍性能研究較少。在針對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度、抗折強度及抗凍性能，并且使之具有良好的耐化學，耐滲透性和良好的粘接強度等性質[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，國藥集團化學試劑有限公司；硅酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司；楊木刨花，長25～60 mm，寬5～16 mm，厚0.2～0.5 mm，自制。

1.2 設備

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

1.3 試驗方法

1.3.1 低密度水泥刨花板制備

設定密度950 kg/m3；為保證低密度水泥刨花板的力學性能，應適當增加木刨花用量，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量分數(shù)的1%；硅酸鈉溶液用量為水泥質量分數(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，同時成本增加，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、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量分數(shù)的1%；硅酸鈉溶液用量為水泥質量分數(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、干燥完成水泥刨花板制備。

1.3.3 水泥刨花板凍融試驗

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的慢凍法進行水泥刨花板的抗凍性試驗[15]。試驗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，對完成相應凍融循環(huán)次數(shù)水泥刨花板進行物理力學性能檢測。按照GB/T 50082—2009規(guī)定，冷凍、放入水中融化時間均不低于4 h為一個周期。

1.3.4 主要物理力學性能檢驗

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方法》進行水泥刨花板的主要物理力學性能檢測；同時對浸水24 h及各凍融周期后的濕狀靜曲強度、厚度膨脹率進行檢測，對完成浸水24 h及各凍融周期后的試件進行干燥，在含水率達到9%～10%后，檢測干狀水泥刨花板的靜曲強度及內結合強度[16-17]。等級判定參照GB/T 24312—2009中的水泥刨花板理化性能指標對干狀靜曲強度（MOR）、浸水24 h靜曲強度（MOR）、內結合強度（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）指標進行判定。

2 結果與分析

2.1 水泥刨花板主要物理性能

參照國家標準，對水泥刨花板主要物理性能進行檢測，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性能

參照國家標準，對水泥刨花板主要力學性能進行檢測，常用密度水泥刨花板的力學性能指標均達到GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求；低密度水泥刨花板的干狀內結合強度大于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，試驗條件下測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，凍融周期達到10周期后，測得的干狀彈性模量小于3 000 MPa。其他力學性能指標變化見表2。

由試驗結果可知，丁苯膠乳用量為水泥用量的7.5%時，低密度水泥刨花板的彈性模量出現(xiàn)大幅度下降，特別是當凍融周期達到10周期后，測得的干狀彈性模量小于3 000 MPa，已不能滿足GB/T 24312—2009對彈性模量的指標要求，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，導致彈性模量下降明顯。由表1、表2可知，在試驗范圍內，丁苯膠乳的加入使低密度水泥刨花板的靜曲強度、浸水24 h厚度膨脹率等指標有不同程度的改善。丁苯膠乳對干狀靜曲強度、濕狀靜曲強度、浸水24 h厚度膨脹率的影響見圖1～3。

由圖1發(fā)現(xiàn)，當丁苯膠乳用量為水泥用量的7.5%時，干狀靜曲強度在D20～D40期間，呈增加的趨勢，其后又呈下降趨勢，分析原因為，此階段水泥結合力有所增強或檢測試件密度不均勻等導致。由圖1～2可知，密度對水泥刨花板的主要物理力學性能的影響較大，密度由1 316 kg/m3降到9 62 kg/m3，其靜曲強度降低了28.8%，彈性模量降低了30.4%。同時浸水、凍融各階段的濕狀、干狀靜曲強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，本試驗中，丁苯膠乳加入量為水泥質量分數(shù)的5%時，彈性模量下降了17.0%，丁苯膠乳加入量為水泥質量分數(shù)的7.5%時，彈性模量下降了34.4%。丁苯膠乳的加入，對改善低密度水泥刨花板的浸水24 h靜曲強度及各周期凍融后的濕狀靜曲強度效果明顯，這主要是丁苯膠乳和水泥兩者結合在一起，形成具有諸多優(yōu)良性能的復合結構。聚合物膠乳凝聚的大分子會沿著水泥在水化反應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，阻止了微裂紋的進一步擴張，降低了孔隙率，水泥中添加的丁苯膠乳聚合物自身也會固化，在水泥固化體系中形成連續(xù)的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡結構，吸附在無機膠結材料和木材的周圍，從而達到增強水泥刨花板強度的效果，使水泥刨花板的浸水24 h靜曲強度得到明顯改善；同時，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條件下的主要力學性能Tab.2 Main mechanical properties of low-density and conventional cement particleboards under different testing conditions

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

圖2 丁苯膠乳對水泥刨花板濕狀靜曲強度的影響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 結論

將聚合物膠乳用于低密度水泥刨花板，對聚合物乳膠對低密度水泥刨花板的抗凍性能的影響進行研究，結果表明：聚合物乳膠丁苯膠乳的加入，不會影響水泥刨花板中作為膠黏劑的水泥的固化，對水泥刨花板的主要物理力學性能影響較小。

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靜曲強度及凍融靜曲強度。

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