一種綠色環(huán)?；炷聊０宀牧系难兄?/h1>
2020-02-29 01:29宋晨曉孫魯帥
綠色環(huán)保建材 2020年2期
宋晨曉 孫魯帥
中交一公局土木工程建筑研究院有限公司
1 前言
改革開放以來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，全國各地的建筑、交通、水利等領(lǐng)域都進(jìn)入了快速建設(shè)的新時(shí)期。中國就像一個(gè)巨大的建筑工地，對(duì)混凝土模板的需求量越來越大，為此對(duì)森林進(jìn)行大量砍伐，用于生產(chǎn)混凝土模板，結(jié)果造成了木材的砍伐量遠(yuǎn)超過森林的生長量，導(dǎo)致森林大面積減少以及嚴(yán)重的水土流失，同時(shí)容易引發(fā)泥石流、山體滑坡、洪澇等自然災(zāi)害[1]。
近年來，隨著我國政府及人民群眾逐步對(duì)環(huán)保問題認(rèn)識(shí)的加深，國家開始加倍重視森林資源的循環(huán)利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；從實(shí)際情況出發(fā)，制定出相應(yīng)的政策與法律來限制亂砍濫伐行為，這些措施的實(shí)施雖然在一定程度上阻止了森林的大面積減少，卻仍未能從根本上解決經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的矛盾。據(jù)2017年全國范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)，我國全年用于建筑工程的模板數(shù)量已達(dá)5.85億平方米，而其中木膠合板模板的使用量達(dá)到了3億平方米。經(jīng)粗略測(cè)算，為生產(chǎn)這些木模板，每年需砍掉1600萬棵直徑為30厘米的樹木，約合森林面積1萬公頃；因此，從保護(hù)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡和國家發(fā)展的長遠(yuǎn)利益看，研制新型的綠色環(huán)保混凝土模板材料是十分必要的。
2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)
（1）以鋸末為填充材料，竹條為增強(qiáng)筋，無機(jī)膠凝材料采用硫鋁酸鹽水泥，研制出能夠達(dá)到木模板相關(guān)性能指標(biāo)的水泥基新型模板。
（2）在模板材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，根據(jù)鋼筋在混凝土樓板里的受力原理，把竹條作為“增強(qiáng)筋”用在水泥基復(fù)合材料制作的混凝土模板里，來提高模板材料的靜曲強(qiáng)度。
（3）在模板材料內(nèi)部加入竹筋的基礎(chǔ)上，采用環(huán)氧樹脂、細(xì)砂對(duì)竹筋進(jìn)行表面預(yù)處理，增強(qiáng)竹筋與水泥基體材料間的握裹力，來進(jìn)一步提高混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度。
3 試驗(yàn)原材料
（1）鋸末：制作混凝土模板的填充材料，主要是由纖維素、半纖維素、木素，還有其它次要成分，如樹脂、色素、單糖、淀粉等組分構(gòu)成。
（2）竹條：作為混凝土模板材料中的增強(qiáng)筋使用，密度一般為0.60±0.15g/cm3左右，竹材的平均抗拉強(qiáng)度為200MPa。
（3）硫鋁酸鹽水泥：河北唐山特種水泥有限公司生產(chǎn)的SAC·525硫鋁酸鹽水泥。
（4）其它材料：氫氧化鈉、環(huán)氧樹脂、固化劑、砂、水。
4 混凝土模板的制作
4.1 設(shè)計(jì)思路
（1）試驗(yàn)水灰比、木灰比等方面的因素，對(duì)混凝土模板材料各項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生的影響，確定合適的水灰比、木灰比。
（2）試驗(yàn)原材料預(yù)處理方式對(duì)混凝土模板材料性能指標(biāo)的影響；主要包括用堿溶液預(yù)處理鋸末，來提高其與膠凝材料的結(jié)合；以及用環(huán)氧樹脂、細(xì)砂預(yù)處理竹筋，增強(qiáng)其與水泥基材的握裹力。
4.2 鋸末預(yù)處理方法
由于鋸末主要成分中的半纖維素大部分為異多糖類物質(zhì)，這些單糖類物質(zhì)在水泥的堿性介質(zhì)中，轉(zhuǎn)化成為糖酸，與水泥的水化產(chǎn)物中的鈣離子生成糖酸鈣，包裹在水泥顆粒周圍，阻礙水泥的凝結(jié)與硬化，致使膠凝材料的凝固速度緩慢，強(qiáng)度降低，有時(shí)甚至不凝固。因此，將鋸末在濃度為1%～10%的NaOH堿溶液里浸泡進(jìn)行預(yù)處理。
4.3 竹筋預(yù)處理方法
（1）將試驗(yàn)用的竹筋進(jìn)行簡(jiǎn)單的尺寸加工，使其長度與自制模具的長度相適應(yīng)。（2）將環(huán)氧樹脂和專用固化劑按照3:1 的比例在容器中進(jìn)行攪拌配制。（3）將配制的環(huán)氧樹脂涂覆在竹筋上，再撒些細(xì)砂，使其表面粘膠的部位變的更粗糙，以增強(qiáng)竹筋與膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度及握裹力。
4.4 混凝土模板成型
參考關(guān)于植物纖維（麥秸、麻桿、玉米桿等）增強(qiáng)水泥板的生產(chǎn)制造工藝以及結(jié)合本材料的實(shí)際情況，制定了物料稱量、混合攪拌、壓制成型、靜置恒壓、拆模養(yǎng)護(hù)等流程制作混凝土模板。
5 混凝土模板制作影響因素的研究
混凝土模板的制作主要從水灰比、木灰比、鋸末預(yù)處理、竹筋預(yù)處理等方面來進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討這些因素對(duì)混凝土模板性能影響的規(guī)律，確定出各種材料的適合配比。
5.1 水灰比對(duì)混凝土模板材料性能影響
表1 水灰比對(duì)混凝土模板材料性能的影響
水灰比是影響混凝土模板材料性能的主要因素之一。試驗(yàn)是在木灰比為0.30，改變水灰比來研究用水量與水泥質(zhì)量比值的變化對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度、吸水率、握釘力等性能影響的規(guī)律，從表中數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可知，隨著水灰比的增大，模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力均呈先增大后減小趨勢(shì)，而吸水率則呈先減小后增大的趨勢(shì)；這主要由于水灰比為0.35 時(shí)的用水量不足以使拌合料中水泥完全水化，此時(shí)拌合料中水化產(chǎn)物的膠結(jié)能力較低；致使模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力偏低，吸水率增大。當(dāng)水灰比增大到0.45時(shí)，拌合料的和易性得到改善，水泥得到充分水化反應(yīng)，故靜曲強(qiáng)度、握釘力提高，吸水率減?。坏?，當(dāng)水灰比繼續(xù)增大后，混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力呈降低，吸水率增大；因此，確定出其適合水灰比為0.45。
5.2 木灰比對(duì)混凝土模板材料性能影響
表2 木灰比對(duì)混凝土模板材料性能的影響
木灰比是模板組成材料中影響混凝土模板材料性能的另一重要因素，在試驗(yàn)過程中保持水灰比為0.45，通過改變木灰比來研究鋸末與水泥質(zhì)量比值變化對(duì)混凝土模板材料性能影響的規(guī)律；由試驗(yàn)可知隨著木灰比的增加，除吸水率升高外，模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力均降低；這主要是因?yàn)楫?dāng)鋸末與水泥比例適中時(shí)，膠凝材料能夠?qū)︿從┻M(jìn)行膠結(jié)，使鋸末在基體內(nèi)部形成插接結(jié)構(gòu)，能有效地分散和傳遞應(yīng)力，有利于基體強(qiáng)度的形成；當(dāng)木灰比大于0.30以后，隨著木灰比的增加，鋸末與水泥石基體的界面面積增大，單位面積上水泥的膠凝作用減小，而且原有的膠凝材料也不足以包裹鋸末，最終導(dǎo)致界面的結(jié)合強(qiáng)度下降，使模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力降低，吸水率增大。從其各項(xiàng)性能的變化趨勢(shì)，確定出適合的木灰比為0.30。
5.3 預(yù)處理鋸末對(duì)混凝土模板性能的影響
表3 預(yù)處理鋸末對(duì)混凝土模板材料性能的影響
從表中可看出，采用堿溶液浸泡處理鋸末制備的混凝土模板靜曲強(qiáng)度、握釘力等性能均明顯高于未處理鋸末制備的混凝土模板，而且吸水率也明顯好于未處理鋸末制備的混凝土模板。其混凝土模板的靜曲強(qiáng)度提高了22.5%，握釘力提高了10.5%，吸水率降低了9.3%。由此可得出，鋸末經(jīng)堿溶液處理后對(duì)模板的各項(xiàng)性能都有顯著的影響。
5.4 預(yù)處理竹筋對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度影響
表4 預(yù)處理竹筋對(duì)混凝土模板材料靜曲強(qiáng)度的影響
由試驗(yàn)結(jié)果可知，竹筋的表面經(jīng)過預(yù)處理后混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度提高了15.2%。由于竹筋表面進(jìn)行預(yù)處理后，改善其界面性能，增加了與水泥基材的握裹力，從而在受力時(shí)有效的起到應(yīng)力傳遞作用。由此可見，竹筋的表面預(yù)處理可以提高靜曲強(qiáng)度。
5.5 防火性能試驗(yàn)
混凝土模板材料的防火性能試驗(yàn)測(cè)試見圖1。
圖1 防火性能試驗(yàn)測(cè)試圖
從圖1可以看出，普通木模板在電爐上加熱到15min時(shí)就開始出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，到20min時(shí)就開始燃燒，而新研制的模板絲毫沒有燃燒的跡象，為了檢驗(yàn)研制的模板是否能燃燒，繼續(xù)加熱到1.5h，如圖1 所示，除了模板材料內(nèi)部的竹筋在高溫加熱下被水泥基材傳遞的熱量燒糊外，沒有其它燃燒痕跡，但能看到模板材料的外表面隨著加熱時(shí)間的延長顏色逐漸加深。
6 結(jié)論
（1）通過以上分析水灰比、木灰比等因素對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度、吸水率、握釘力等性能影響規(guī)律的變化趨勢(shì)，確定生產(chǎn)混凝土模板材料較為合適的配合比：水灰比為0.45、木灰比為0.30。
（2）堿溶液浸泡預(yù)處理使鋸末里的半纖維素及其對(duì)水泥的有害的糖類成分大量溶解析出，減弱其對(duì)水泥固化性能的影響，同時(shí)在堿性環(huán)境下，鋸末的表面受到不同程度腐蝕形成大量的缺陷，表面變得比較粗糙，增強(qiáng)了鋸末與水泥基材料的結(jié)合強(qiáng)度，使其靜曲強(qiáng)度、握釘力、吸水率等性能均得以改善。
（3）通過預(yù)處理竹筋，一方面環(huán)氧樹脂改善與混凝土模板基材粘接能力，另一方面細(xì)砂的加入能夠增加其表面粗糙度進(jìn)一步增強(qiáng)竹筋的握裹力；說明預(yù)處過竹筋與基材之間形成了良好的界面粘接強(qiáng)度以及良好的握裹能力，可以顯著地增強(qiáng)模板材料的力學(xué)性能。
（4）通過采用以鋸末為填充材料，竹條為增強(qiáng)筋，硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，研制出新型水泥基模板材料在防火性能方面能夠完全滿足防火的要求。
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近年來，隨著我國政府及人民群眾逐步對(duì)環(huán)保問題認(rèn)識(shí)的加深，國家開始加倍重視森林資源的循環(huán)利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；從實(shí)際情況出發(fā)，制定出相應(yīng)的政策與法律來限制亂砍濫伐行為，這些措施的實(shí)施雖然在一定程度上阻止了森林的大面積減少，卻仍未能從根本上解決經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的矛盾。據(jù)2017年全國范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)，我國全年用于建筑工程的模板數(shù)量已達(dá)5.85億平方米，而其中木膠合板模板的使用量達(dá)到了3億平方米。經(jīng)粗略測(cè)算，為生產(chǎn)這些木模板，每年需砍掉1600萬棵直徑為30厘米的樹木，約合森林面積1萬公頃；因此，從保護(hù)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡和國家發(fā)展的長遠(yuǎn)利益看，研制新型的綠色環(huán)保混凝土模板材料是十分必要的。
2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)
（1）以鋸末為填充材料，竹條為增強(qiáng)筋，無機(jī)膠凝材料采用硫鋁酸鹽水泥，研制出能夠達(dá)到木模板相關(guān)性能指標(biāo)的水泥基新型模板。
（2）在模板材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，根據(jù)鋼筋在混凝土樓板里的受力原理，把竹條作為“增強(qiáng)筋”用在水泥基復(fù)合材料制作的混凝土模板里，來提高模板材料的靜曲強(qiáng)度。
（3）在模板材料內(nèi)部加入竹筋的基礎(chǔ)上，采用環(huán)氧樹脂、細(xì)砂對(duì)竹筋進(jìn)行表面預(yù)處理，增強(qiáng)竹筋與水泥基體材料間的握裹力，來進(jìn)一步提高混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度。
3 試驗(yàn)原材料
（1）鋸末：制作混凝土模板的填充材料，主要是由纖維素、半纖維素、木素，還有其它次要成分，如樹脂、色素、單糖、淀粉等組分構(gòu)成。
（2）竹條：作為混凝土模板材料中的增強(qiáng)筋使用，密度一般為0.60±0.15g/cm3左右，竹材的平均抗拉強(qiáng)度為200MPa。
（3）硫鋁酸鹽水泥：河北唐山特種水泥有限公司生產(chǎn)的SAC·525硫鋁酸鹽水泥。
（4）其它材料：氫氧化鈉、環(huán)氧樹脂、固化劑、砂、水。
4 混凝土模板的制作
4.1 設(shè)計(jì)思路
（1）試驗(yàn)水灰比、木灰比等方面的因素，對(duì)混凝土模板材料各項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生的影響，確定合適的水灰比、木灰比。
（2）試驗(yàn)原材料預(yù)處理方式對(duì)混凝土模板材料性能指標(biāo)的影響；主要包括用堿溶液預(yù)處理鋸末，來提高其與膠凝材料的結(jié)合；以及用環(huán)氧樹脂、細(xì)砂預(yù)處理竹筋，增強(qiáng)其與水泥基材的握裹力。
4.2 鋸末預(yù)處理方法
由于鋸末主要成分中的半纖維素大部分為異多糖類物質(zhì)，這些單糖類物質(zhì)在水泥的堿性介質(zhì)中，轉(zhuǎn)化成為糖酸，與水泥的水化產(chǎn)物中的鈣離子生成糖酸鈣，包裹在水泥顆粒周圍，阻礙水泥的凝結(jié)與硬化，致使膠凝材料的凝固速度緩慢，強(qiáng)度降低，有時(shí)甚至不凝固。因此，將鋸末在濃度為1%～10%的NaOH堿溶液里浸泡進(jìn)行預(yù)處理。
4.3 竹筋預(yù)處理方法
（1）將試驗(yàn)用的竹筋進(jìn)行簡(jiǎn)單的尺寸加工，使其長度與自制模具的長度相適應(yīng)。（2）將環(huán)氧樹脂和專用固化劑按照3:1 的比例在容器中進(jìn)行攪拌配制。（3）將配制的環(huán)氧樹脂涂覆在竹筋上，再撒些細(xì)砂，使其表面粘膠的部位變的更粗糙，以增強(qiáng)竹筋與膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度及握裹力。
4.4 混凝土模板成型
參考關(guān)于植物纖維（麥秸、麻桿、玉米桿等）增強(qiáng)水泥板的生產(chǎn)制造工藝以及結(jié)合本材料的實(shí)際情況，制定了物料稱量、混合攪拌、壓制成型、靜置恒壓、拆模養(yǎng)護(hù)等流程制作混凝土模板。
5 混凝土模板制作影響因素的研究
混凝土模板的制作主要從水灰比、木灰比、鋸末預(yù)處理、竹筋預(yù)處理等方面來進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討這些因素對(duì)混凝土模板性能影響的規(guī)律，確定出各種材料的適合配比。
5.1 水灰比對(duì)混凝土模板材料性能影響
表1 水灰比對(duì)混凝土模板材料性能的影響
水灰比是影響混凝土模板材料性能的主要因素之一。試驗(yàn)是在木灰比為0.30，改變水灰比來研究用水量與水泥質(zhì)量比值的變化對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度、吸水率、握釘力等性能影響的規(guī)律，從表中數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可知，隨著水灰比的增大，模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力均呈先增大后減小趨勢(shì)，而吸水率則呈先減小后增大的趨勢(shì)；這主要由于水灰比為0.35 時(shí)的用水量不足以使拌合料中水泥完全水化，此時(shí)拌合料中水化產(chǎn)物的膠結(jié)能力較低；致使模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力偏低，吸水率增大。當(dāng)水灰比增大到0.45時(shí)，拌合料的和易性得到改善，水泥得到充分水化反應(yīng)，故靜曲強(qiáng)度、握釘力提高，吸水率減?。坏?，當(dāng)水灰比繼續(xù)增大后，混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力呈降低，吸水率增大；因此，確定出其適合水灰比為0.45。
5.2 木灰比對(duì)混凝土模板材料性能影響
表2 木灰比對(duì)混凝土模板材料性能的影響
木灰比是模板組成材料中影響混凝土模板材料性能的另一重要因素，在試驗(yàn)過程中保持水灰比為0.45，通過改變木灰比來研究鋸末與水泥質(zhì)量比值變化對(duì)混凝土模板材料性能影響的規(guī)律；由試驗(yàn)可知隨著木灰比的增加，除吸水率升高外，模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力均降低；這主要是因?yàn)楫?dāng)鋸末與水泥比例適中時(shí)，膠凝材料能夠?qū)︿從┻M(jìn)行膠結(jié)，使鋸末在基體內(nèi)部形成插接結(jié)構(gòu)，能有效地分散和傳遞應(yīng)力，有利于基體強(qiáng)度的形成；當(dāng)木灰比大于0.30以后，隨著木灰比的增加，鋸末與水泥石基體的界面面積增大，單位面積上水泥的膠凝作用減小，而且原有的膠凝材料也不足以包裹鋸末，最終導(dǎo)致界面的結(jié)合強(qiáng)度下降，使模板材料的靜曲強(qiáng)度、握釘力降低，吸水率增大。從其各項(xiàng)性能的變化趨勢(shì)，確定出適合的木灰比為0.30。
5.3 預(yù)處理鋸末對(duì)混凝土模板性能的影響
表3 預(yù)處理鋸末對(duì)混凝土模板材料性能的影響
從表中可看出，采用堿溶液浸泡處理鋸末制備的混凝土模板靜曲強(qiáng)度、握釘力等性能均明顯高于未處理鋸末制備的混凝土模板，而且吸水率也明顯好于未處理鋸末制備的混凝土模板。其混凝土模板的靜曲強(qiáng)度提高了22.5%，握釘力提高了10.5%，吸水率降低了9.3%。由此可得出，鋸末經(jīng)堿溶液處理后對(duì)模板的各項(xiàng)性能都有顯著的影響。
5.4 預(yù)處理竹筋對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度影響
表4 預(yù)處理竹筋對(duì)混凝土模板材料靜曲強(qiáng)度的影響
由試驗(yàn)結(jié)果可知，竹筋的表面經(jīng)過預(yù)處理后混凝土模板材料的靜曲強(qiáng)度提高了15.2%。由于竹筋表面進(jìn)行預(yù)處理后，改善其界面性能，增加了與水泥基材的握裹力，從而在受力時(shí)有效的起到應(yīng)力傳遞作用。由此可見，竹筋的表面預(yù)處理可以提高靜曲強(qiáng)度。
5.5 防火性能試驗(yàn)
混凝土模板材料的防火性能試驗(yàn)測(cè)試見圖1。
圖1 防火性能試驗(yàn)測(cè)試圖
從圖1可以看出，普通木模板在電爐上加熱到15min時(shí)就開始出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，到20min時(shí)就開始燃燒，而新研制的模板絲毫沒有燃燒的跡象，為了檢驗(yàn)研制的模板是否能燃燒，繼續(xù)加熱到1.5h，如圖1 所示，除了模板材料內(nèi)部的竹筋在高溫加熱下被水泥基材傳遞的熱量燒糊外，沒有其它燃燒痕跡，但能看到模板材料的外表面隨著加熱時(shí)間的延長顏色逐漸加深。
6 結(jié)論
（1）通過以上分析水灰比、木灰比等因素對(duì)混凝土模板靜曲強(qiáng)度、吸水率、握釘力等性能影響規(guī)律的變化趨勢(shì)，確定生產(chǎn)混凝土模板材料較為合適的配合比：水灰比為0.45、木灰比為0.30。
（2）堿溶液浸泡預(yù)處理使鋸末里的半纖維素及其對(duì)水泥的有害的糖類成分大量溶解析出，減弱其對(duì)水泥固化性能的影響，同時(shí)在堿性環(huán)境下，鋸末的表面受到不同程度腐蝕形成大量的缺陷，表面變得比較粗糙，增強(qiáng)了鋸末與水泥基材料的結(jié)合強(qiáng)度，使其靜曲強(qiáng)度、握釘力、吸水率等性能均得以改善。
（3）通過預(yù)處理竹筋，一方面環(huán)氧樹脂改善與混凝土模板基材粘接能力，另一方面細(xì)砂的加入能夠增加其表面粗糙度進(jìn)一步增強(qiáng)竹筋的握裹力；說明預(yù)處過竹筋與基材之間形成了良好的界面粘接強(qiáng)度以及良好的握裹能力，可以顯著地增強(qiáng)模板材料的力學(xué)性能。
（4）通過采用以鋸末為填充材料，竹條為增強(qiáng)筋，硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，研制出新型水泥基模板材料在防火性能方面能夠完全滿足防火的要求。
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