冷等离子体改性对轻型化竹基混凝土模板性能的影响

2018-03-30盛佳乐巫其荣林金国

竹子学报 2018年4期

盛佳乐，巫其荣，关鑫，林金国

(福建农林大学材料工程学院，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，其使用数量庞大，运输成本高、劳动量所占的比重高[1]。传统的竹基混凝土模板普遍偏重，密度一般为0.85 g·cm-3左右[2]，因此，国内外建筑界非常关注模板工程的改革，希望在保证混凝土模板力学性能符合国家标准的基础上尽可能降低其密度，从而达到竹基混凝土模板轻型化的目的。本文试图通过冷等离子体改性竹材、优化竹基混凝土模板结构等技术制备出较传统竹基混凝土模板密度低15%以上的轻型化竹基混凝土模板。由于竹青和竹黄对水和胶黏剂的润湿性差，在竹基混凝土模板生产实际中常将其剔除，导致竹材利用率大幅下降。而冷等离子体处理可对竹材表面进行清洗和刻蚀，增加竹材表面O-H、C=O和COOH等含氧官能团的含量，从而改善竹材表面的润湿性[3-4]，冷等离子体处理也可提高酚醛树脂胶黏剂对竹材的胶合性能[5]。不同的冷等离子体处理气体、处理功率、处理时间对木竹材润湿性的改善效果也不同[6-7]，可以通过正交试验设计来优化轻型化竹基混凝土模板制备过程中竹材的冷等离子体改性预处理工艺[8]。目前，以“冷进-冷出”的热压工艺来制备竹基混凝土模板仍被许多企业采用[9]，但因其生产周期长、冷却水用量大、能耗高等缺点制约了产品的进一步发展[10]。本文应用冷等离子体改性处理竹材，采用“热进-热出”分段式热压工艺制备轻型化竹基混凝土模板，大幅降低冷却水的用量、升温过程的时间与能耗，并有效降低了生产成本。

1 材料与方法

1.1 试验材料

酚醛树脂浸渍纸、竹席、弦向竹帘和径向竹帘均取自福建和其昌竹业股份有限公司，其厚度分别为0.15 mm、1.4 mm、2.0 mm和2.0 mm，裁剪幅面400 mm×400 mm，浸胶前竹材含水率控制在6%左右；构成竹席和弦向竹帘的竹条宽为20 mm，且相邻竹条均为紧密排列；构成径向竹帘的竹条宽度为8 mm。

酚醛树脂胶黏剂(PF)，取自福建和其昌竹业股份有限公司，为工程胶合板用胶，其基本性能为：粘度为89.0 (涂-4杯) /s，固含量28.0%，pH值为11.7。

1.2 试验设备

主要试验设备有：等离子体处理仪，型号OKSUN-PR60L，深圳市奥坤鑫科技有限公司; 万能试验压机，型号BY302X2/15，苏州新协力机器制造有限公司；微机控制电子式万能试验机，型号CWT6104，深圳新三思公司计量技术有限公司；手动进料木工圆锯机，型号MJ104A，上海木工机械厂。

1.3 试验方法

将竹席、弦向竹帘和间隔排列的径向竹帘放进等离子体处理仪中，根据正交试验设计的参数进行冷等离子体改性处理。正交试验设计选取处理功率、处理时间、处理气体3个因素，分析考察各个因素不同水平对竹基混凝土模板静曲强度的影响。经前期探索试验与分析，选取正交试验因素水平(表1)，按照正交试验表L9(34)(表2)制备竹基混凝土模板，每个试验号重复3次。

表1 试验因素和水平Tab.1 Experimental factors and levels

将改性后的竹席和竹帘浸没在配置好的胶液中15 min，达到浸渍时间后取出竹席和竹帘，放置在铁架台上滴胶3 min，再把竹席和竹帘放在55 ℃的鼓风干燥箱中干燥至竹材含水率为12%左右，按图1所示进行组坯(1、3、5、7、9层为纵向排列，2、4、6、8层为横向排列)；组坯完成后，采用“热进-热出”工艺在万能试验压机中进行热压，热压过程中热压机上下板始终保持在热压温度，板坯放进热压机后立即闭合，并达到工艺要求的最高压力Pmax(即热压压力)，同时开始计算热压时间T1；热压工艺曲线如图2，热压参数如表3；将所压的轻型化竹基混凝土模板陈放后根据国家标准GB/T 17657-2013检测其密度和静曲强度，工艺流程如图3所示。

表2 正交试验安排Tab.2 Orthogonal test arrangement

1,9-酚醛树脂浸渍纸；2,8-竹席；3,7-弦向竹帘；4,5,6-径向间隔排列的竹帘图1 竹基混凝土模板的板坯结构Fig.1 Slab structure of the bamboo-based concrete formwork

图2 热压工艺曲线Fig.2 Curve of hot pressing technology 注：Pmax-热压压力； T1-热压时间； P1-平衡压力0.5 MPa； T2-平衡工作保持时间3 min； P2-平衡压力0.1 MPa； T3-平衡工作保持时间10 min

压力Pressure/MPaPmaxP1P2热压温度Temperature/℃时间Duration/minT1T2T3竹材含水率Water content of bamboo/%3.00.50.11401231012%

图3 工艺流程图Fig.3 Process flow

2 结果与分析

按照正交试验设计冷等离子体改性制备的轻型化竹基混凝土模板的静曲强度和密度如表4所示，不同处理功率、处理时间、处理气体冷等离子体改性制备的轻型化竹基混凝土模板的密度值为0.63～0.69 g·cm-3，均小于0.7g·cm-3，和未采用冷等离子体改性竹材和结构优化的传统竹基混凝土模板[2]相比，密度降低了18%～25%，实现了竹基混凝土模板的轻型化；静曲强度值为89.8～97.4 MPa，为了优化制备轻型竹基混凝土模板的最佳冷等离子体改性工艺参数，着重对不同处理功率、处理时间、处理气体冷等离子体改性制备的轻型化竹基混凝土模板的静曲强度进行极差分析和方差分析。

表4 正交试验结果Tab.4 Results of orthogonal test

2.1 极差分析

对不同处理功率、处理时间、处理气体的冷等离子体改性制备的轻型化竹基混凝土模板的静曲强度进行极差分析(表5)。

表5 竹基混凝土模板静曲强度的极差分析Tab.5 Range analysis on the bending strength of the bamboo-based concrete formwork

为便于直观地对各影响因素进行分析，作出各因素趋势图(图4)。

图4 因素趋势图Fig.4 Trend graph of factors

由表5和图4可知，等离子体处理功率、处理时间、处理气体对轻型竹基混凝土模板静曲强度的影响程度不一，各因素影响轻型竹基混凝土模板静曲强度的程度大小为：处理气体>处理功率>处理时间；O2作为冷等离子体处理气体改性制备的竹基混凝土模板静曲强度最大，N2次之，Ar最小；随着改性处理功率的增大，竹基混凝土模板静曲强度呈先增大后减小的趋势，处理功率为160 W时静曲强度达到最大值；随着改性处理时间的增长，竹基混凝土模板静曲强度呈先增大后减小的趋势，处理时间为90 s时静曲强度达到最大值；各因素的较优水平分别为：改性处理气体为O2，处理功率为160 W，处理时间为90 s。

2.2 方差分析

为了考察分析各个因素对竹基混凝土模板静曲强度影响显著性的高低，对不同处理功率、处理时间、处理气体冷等离子体改性正交试验轻型化竹基混凝土模板的静曲强度进行了方差分析(表6)。结果表明，处理气体对竹基混凝土模板静曲强度影响极显著，处理功率对竹基混凝土模板静曲强度影响显著，而在60～120 s范围内处理时间对竹基混凝土模板静曲强度影响不显著。综合来看，制备轻型竹基混凝土模板的冷等离子体最佳改性工艺参数为：处理气体为O2，处理功率为160 W，处理时间为90 s。

表6 竹基混凝土模板静曲强度的方差分析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 稳定性试验

按照上述正交试验设计得出的轻型化竹基混凝土模板最佳的冷等离子体改性工艺进行稳定性试验5次(表7)，结果表明，最佳冷等离子体改性制备的轻型化竹基混凝土模板的静曲强度为98.5 MPa，变异系数为4.20%；95%置信水平时试验的准确指数为3.68%，小于临界值5%。根据数理统计理论，评价试验数据是否准确的依据是准确指数，95%置信水平时的准确指数为5%，说明本文稳定性试验数据准确可靠。