盛佳樂，巫其榮，關(guān) 鑫，林金國

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)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(yùn)輸成本高、勞動(dòng)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(xué)性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上盡可能降低其密度，從而達(dá)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(duì)水和膠黏劑的潤濕性差，在竹基混凝土模板生產(chǎn)實(shí)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(duì)竹材表面進(jìn)行清洗和刻蝕，增加竹材表面O-H、C=O和COOH等含氧官能團(tuán)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(duì)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(shí)間對(duì)木竹材潤濕性的改善效果也不同[6-7]，可以通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)-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(zhǎng)、冷卻水用量大、能耗高等缺點(diǎn)制約了產(chǎn)品的進(jìn)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(jìn)-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(shí)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(yàn)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(yàn)設(shè)備

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

1.3 試驗(yàn)方法

將竹席、弦向竹簾和間隔排列的徑向竹簾放進(jìn)等離子體處理儀中，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行冷等離子體改性處理。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取處理功率、處理時(shí)間、處理氣體3個(gè)因素，分析考察各個(gè)因素不同水平對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度的影響。經(jīng)前期探索試驗(yàn)與分析，選取正交試驗(yàn)因素水平(表1)，按照正交試驗(yàn)表L9(34)(表2)制備竹基混凝土模板，每個(gè)試驗(yàn)號(hào)重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)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(dá)到浸漬時(shí)間后取出竹席和竹簾，放置在鐵架臺(tái)上滴膠3 min，再把竹席和竹簾放在55 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥至竹材含水率為12%左右，按圖1所示進(jìn)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(jìn)-熱出”工藝在萬能試驗(yàn)壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，熱壓過程中熱壓機(jī)上下板始終保持在熱壓溫度，板坯放進(jìn)熱壓機(jī)后立即閉合，并達(dá)到工藝要求的最高壓力Pmax(即熱壓壓力)，同時(shí)開始計(jì)算熱壓時(shí)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013檢測(cè)其密度和靜曲強(qiáng)度，工藝流程如圖3所示。

表2 正交試驗(yàn)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(shí)間； P1-平衡壓力0.5 MPa； T2-平衡工作保持時(shí)間3 min； P2-平衡壓力0.1 MPa； T3-平衡工作保持時(shí)間10 min

壓力Pressure/MPaPmaxP1P2熱壓溫度Temperature/℃時(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)冷等離子體改性制備的輕型化竹基混凝土模板的靜曲強(qiáng)度和密度如表4所示，不同處理功率、處理時(shí)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(shí)現(xiàn)了竹基混凝土模板的輕型化；靜曲強(qiáng)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(duì)不同處理功率、處理時(shí)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(qiáng)度進(jìn)行極差分析和方差分析。

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

2.1 極差分析

對(duì)不同處理功率、處理時(shí)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(qiáng)度進(jìn)行極差分析(表5)。

表5 竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)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(duì)各影響因素進(jìn)行分析，作出各因素趨勢(shì)圖(圖4)。

圖4 因素趨勢(shì)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(shí)間、處理氣體對(duì)輕型竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)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(qiáng)度的程度大小為：處理氣體>處理功率>處理時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，處理功率為160 W時(shí)靜曲強(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著改性處理時(shí)間的增長(zhǎng)，竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，處理時(shí)間為90 s時(shí)靜曲強(qiáng)度達(dá)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(shí)間為90 s。

2.2 方差分析

為了考察分析各個(gè)因素對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度影響顯著性的高低，對(duì)不同處理功率、處理時(shí)間、處理氣體冷等離子體改性正交試驗(yàn)輕型化竹基混凝土模板的靜曲強(qiáng)度進(jìn)行了方差分析(表6)。結(jié)果表明，處理氣體對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度影響極顯著，處理功率對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度影響顯著，而在60～120 s范圍內(nèi)處理時(shí)間對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)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(shí)間為90 s。

表6 竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)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(yàn)

按照上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)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(qiáng)度為98.5 MPa，變異系數(shù)為4.20%；95%置信水平時(shí)試驗(yàn)的準(zhǔn)確指數(shù)為3.68%，小于臨界值5%。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確的依據(jù)是準(zhǔn)確指數(shù)，95%置信水平時(shí)的準(zhǔn)確指數(shù)為5%，說明本文穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

表7 竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度的穩(wěn)定性試驗(yàn)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(yàn)考察影響竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度的各個(gè)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(qiáng)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(qiáng)度隨冷等離子體處理功率的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)；竹基混凝土模板的靜曲強(qiáng)度隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增大后略微減小的趨勢(shì)。

(2)冷等離子體處理氣體和處理功率對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度的影響顯著，生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這兩個(gè)改性工藝因素的控制；而冷等離子體處理時(shí)間在60～120 s范圍內(nèi)對(duì)竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度的影響不顯著，在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)改性處理時(shí)間的有效控制可達(dá)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(shí)間90 s，此條件下制備的輕型化竹基混凝土模板靜曲強(qiáng)度為98.5 MPa。