吳建飛，王 緯，袁紅梅，林金國(guó)，李吉慶

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)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(jià)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(qiáng)和柔軟等特點(diǎn)，但是長(zhǎng)期以來(lái)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(fèi)和生態(tài)破壞[6]?？蒲腥藛T采用了多種方法來(lái)提高竹材利用率，把竹材剩余物轉(zhuǎn)化成有效原料進(jìn)行再生產(chǎn)，或制備成酚類(lèi)、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(diǎn)。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(jiǎn)單，生產(chǎn)成本更低，同時(shí)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(duì)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(zhǎng)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(dá)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(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)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(jìn)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(chē)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(cuò)結(jié)構(gòu)的竹木復(fù)合建筑混凝土模板，通過(guò)測(cè)量靜曲強(qiáng)度(modulus of rupture，MOR)、彈性模量(modulus of elasticity，MOE)、濕態(tài)膠合強(qiáng)度、密度、含水率來(lái)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(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得出熱壓工藝參數(shù)范圍，再利用正交實(shí)驗(yàn)法研究熱壓壓力、溫度、時(shí)間對(duì)建筑混凝土模板各個(gè)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(yàn)材料

竹片原料為火車(chē)集裝箱底板加工時(shí)產(chǎn)生的邊角料，購(gòu)自福建省何其昌竹業(yè)股份有限公司。把購(gòu)買(mǎi)的邊角料用鋸機(jī)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(jìn)行干燥至含水率小于12%后才能使用。使用的酚醛樹(shù)脂膠黏劑(phenol-formaldehyde resin，PF)，購(gòu)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(shù)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(gòu)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(duì)組坯后的竹木復(fù)合建筑混凝土模板進(jìn)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(guò)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(guò)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(shí)產(chǎn)生的部分厚度不均勻的竹片給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響。用砂紙?jiān)谥衿瑔卧砻嫔肮?，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(duì)膠黏劑的影響。將砂光好的竹片和楊木單板放入鼓風(fēng)干燥箱中，干燥溫度調(diào)至105 ℃，干燥時(shí)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(shù)脂膠中3～5 min，取出竹片和楊木單板放進(jìn)烘箱二次干燥，這次干燥溫度為65 ℃，大約干燥8 min，當(dāng)含水率約為12%時(shí)取出，將竹片進(jìn)行組坯，組好坯后在上下表面分別附上兩層單板，接下來(lái)設(shè)置不同的熱壓參數(shù)進(jìn)行熱壓。熱壓前把組好坯的板材放入熱壓機(jī)預(yù)熱2 min，當(dāng)壓板結(jié)束時(shí)在沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[21]和GB/T 17656—2018 《混凝土模板用膠合板》[22]，對(duì)竹木復(fù)合建筑混凝土模板的物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的性能包括密度、濕態(tài)膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(cè)試方法 按照標(biāo)準(zhǔn)《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[21]進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的測(cè)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(kāi)始對(duì)試件的上表面進(jìn)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(jì)算分別使用公式(1)、 公式(2)。按照標(biāo)準(zhǔn)[21]進(jìn)行膠合強(qiáng)度(X)測(cè)試，試件尺寸為100 mm×25 mm×12 mm，剪切面長(zhǎng)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(duì)試件兩端施加拉力，直到膠層完全分離后停止加載。膠合強(qiáng)度的計(jì)算如公式3。

σc=3Fmaxl1/(2bt2)

(1)

(2)

X=Pmax/(b1l)

(3)

式中：σc為試件的靜曲強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)max為試件破壞時(shí)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(qiáng)度(MPa)，Pmax為最大破壞荷載 (N)，l為試件剪段面長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)制備材料過(guò)程極為簡(jiǎn)單，省去了去竹節(jié)、剖開(kāi)、去內(nèi)膜等復(fù)雜工序，且材料更為廉價(jià)。雖然熱壓工藝過(guò)程大體相同，但是由于本實(shí)驗(yàn)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(yùn)用到本實(shí)驗(yàn)中，需要通過(guò)探究進(jìn)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(duì)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(cè)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(gè)方向上的MOR和MOE值均能達(dá)到17656—2018《混凝土模板用膠合板》[22]的要求。故而對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)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(cuò)排列結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。組坯時(shí)平行于板長(zhǎng)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(méi)有包括單板貼面)都是平行于板長(zhǎng)方向，只有中間層垂直于板材方向排列，當(dāng)順紋方向受力時(shí)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(shí)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(qiáng)度和彈性模量Figure 4 MOR and MOE of bamboo-woodcomposite building concrete formwork

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

分別測(cè)試不同壓力、溫度、時(shí)間對(duì)竹木復(fù)合建筑混凝土模板順紋方向(即平行于板長(zhǎng)方向，沒(méi)有特殊說(shuō)明都是指順紋方向)的靜曲強(qiáng)度、彈性模量的影響及含水率的影響。測(cè)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(duì)組好坯的板材施加適當(dāng)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(qiáng)度等性能。分別用1、2、3、4、5 MPa的壓力對(duì)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(lái)越緊密，密度越來(lái)越大，MOR和MOE也隨之增大，2 MPa時(shí)MOR和MOE都達(dá)到最大值：隨著壓力繼續(xù)加大，MOR、MOE開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，竹材此時(shí)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)緊密的狀態(tài)，過(guò)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(méi)有直接的關(guān)系，2 MPa時(shí)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(shí)間的確定 由于材料的不同，每一種板材熱壓所需要的時(shí)間也不同。竹材的傳熱性能較差，因此通常所需時(shí)間偏長(zhǎng)，但是本文所用竹材是經(jīng)過(guò)熱壓的竹材加工剩余物，理論上熱壓時(shí)間會(huì)有所降低。熱壓時(shí)間太長(zhǎng)，容易導(dǎo)致膠變脆，從而降低板的力學(xué)性能，因此壓板前應(yīng)先確定好熱壓時(shí)間參數(shù)。本文分別用25、50、75、100、125 s·mm-1對(duì)竹材進(jìn)行熱壓，從圖6可知，50 s·mm-1以前MOR、MOE都隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，因?yàn)殡S著熱壓時(shí)間增長(zhǎng)，竹纖維束逐漸軟化，竹片單元間結(jié)合性更好，膠也隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而加速固化；50 s·mm-1以后MOR、MOE則隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。含水率則隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而下降，125 s·mm-1時(shí)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(shí)間在25～75 s·mm-1為宜。

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

(a)靜曲強(qiáng)度 MOR (b)彈性模量 MOE圖 6 不同時(shí)間下的靜曲強(qiáng)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M(jìn)OR和MOE都隨之增大，因?yàn)殡S著溫度的增大，溫度逐漸從板材周?chē)鷤鞯街癫膬?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(dāng)溫度過(guò)高時(shí)竹束纖維素也會(huì)發(fā)生降解從而影響強(qiáng)度，而且溫度過(guò)高也會(huì)使膠變脆。溫度對(duì)含水率有較大的影響，隨著溫度的升高含水率逐漸降低，因?yàn)殡S著溫度的升高，酚醛樹(shù)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(qiáng)度 MOR (b)彈性模量 MOE圖 7 不同溫度下的靜曲強(qiáng)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(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)已經(jīng)初步確定了熱壓壓力(A)、 熱壓時(shí)間(B)、 熱壓溫度(C)的范圍。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的極差分析進(jìn)一步確定各個(gè)因子對(duì)不同性能的影響程度；通過(guò)各因素不同水平的平均值確定最優(yōu)水平組合，進(jìn)而選出最優(yōu)組合。正交實(shí)驗(yàn)的因子及水平如表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如表6所示。

表 4 實(shí)驗(yàn)因子水平Table 4 Experimental factor levels

通過(guò)極差的大小可以判斷各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，極差值越大說(shuō)明該因素對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)的極差。由表6可知，對(duì)于MOR、MOE、濕態(tài)膠合強(qiáng)度三者而言，都有R1>R2>R3，因此MOR、MOE和濕態(tài)膠合強(qiáng)度三者的影響因素大小都為：熱壓壓力>熱壓時(shí)間>熱壓溫度。通過(guò)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(qiáng)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(zhǔn)，即最優(yōu)工藝參數(shù)為3 MPa、50 s·mm-1、135 ℃。

表 5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Orthogonal experiment design and results

表 6 正交實(shí)驗(yàn)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(shí)際運(yùn)用價(jià)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(shí)間25～75 s·mm-1為宜，熱壓溫度115～135 ℃為宜。正交實(shí)驗(yàn)分析表明，對(duì) MOR、MOE和濕態(tài)膠合強(qiáng)度三者的影響因素大小都為：熱壓壓力>熱壓時(shí)間>熱壓溫度。平均值分析表明最優(yōu)熱壓壓力、熱壓時(shí)間、熱壓溫度分別為：3 MPa、50 s·mm-1、135 ℃。