低密度水泥刨花板抗冻性能研究*

杜洪双 吴 迪 周璟松 唐朝发

[ 吉林省木质材料科学与工程重点实验室（北华大学），吉林 132013 ]

水泥基木质复合材料性能优异[1-3]，水泥刨花板可作为饰面基材使用[4-5]，用于室外时，其抗冻性能的优劣对使用寿命具有一定影响，特别是对低密度轻质水泥刨花板，影响更为显著。然而，目前有关水泥刨花板的抗冻性能研究较少。在针对混凝土的抗冻性能研究中，聚合物丁苯胶乳作为改性剂掺混于普通硅酸盐水泥混凝土中，可以提高水泥砂浆的抗压强度、抗折强度及抗冻性能，并且使之具有良好的耐化学，耐渗透性和良好的粘接强度等性质[6-9]。本研究将使用丁苯乳胶为改性剂用于制备低密度水泥刨花板，并考察其对低密度水泥刨花板的抗冻性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

硅酸盐水泥52.5，冀东水泥吉林有限责任公司；脱硫建筑石膏，沈阳康环脱硫石膏综合利用有限公司；丁苯胶乳(146C)，固体含量48.2%，齐鲁石化公司；硫酸铝，国药集团化学试剂有限公司；硅酸钠，国药集团化学试剂有限公司；杨木刨花，长25～60 mm，宽5～16 mm，厚0.2～0.5 mm，自制。

1.2 设备

智能控制实验压机，SYSMEN-N，中国林科院木材工业研究所；微机控制电子万能试验机，CMT5105，深圳新三思材料检测有限公司；自动恒温恒湿箱，ClimaceII 404，德国3M公司；电热鼓风干燥箱，202-4，上海实验仪器总厂；恒温水浴锅，HH-6，金坛宏华仪器厂；低温冷冻箱，-40 ℃，海尔集团。

1.3 试验方法

1.3.1 低密度水泥刨花板制备

设定密度950 kg/m3；为保证低密度水泥刨花板的力学性能，应适当增加木刨花用量，降低灰木比。本研究所用灰木比2.0；灰水比1.7；为保证水泥充分固化，硫酸铝用量为水泥质量分数的1%；硅酸钠溶液用量为水泥质量分数的3.5%；脱硫建筑石膏用量为替代水泥用量的10%[10-14]。以往的研究表明：随着聚合物丁苯胶乳用量的增加，水泥刨花板的弹性模量呈下降趋势，同时成本增加，因此本研究中丁苯胶乳用量选择为水泥用量的0%、5%、7.5%。原料按工艺要求混合均匀后，经成型、加压、养护、干燥完成水泥刨花板制备。

1.3.2 常用密度水泥刨花板制备

设定密度1 300 kg/m3；灰木比2.7；灰水比1.7；硫酸铝用量为水泥质量分数的1%；硅酸钠溶液用量为水泥质量分数的3.5%。原料按工艺要求混合均匀后，经成型、加压、养护、干燥完成水泥刨花板制备。

1.3.3 水泥刨花板冻融试验

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的慢冻法进行水泥刨花板的抗冻性试验[15]。试验过程中分别采用冻融循环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，对完成相应冻融循环次数水泥刨花板进行物理力学性能检测。按照GB/T 50082—2009规定，冷冻、放入水中融化时间均不低于4 h为一个周期。

1.3.4 主要物理力学性能检验

参照GB/T 24312—2009《水泥刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行水泥刨花板的主要物理力学性能检测；同时对浸水24 h及各冻融周期后的湿状静曲强度、厚度膨胀率进行检测，对完成浸水24 h及各冻融周期后的试件进行干燥，在含水率达到9%～10%后，检测干状水泥刨花板的静曲强度及内结合强度[16-17]。等级判定参照GB/T 24312—2009中的水泥刨花板理化性能指标对干状静曲强度（MOR）、浸水24 h静曲强度（MOR）、内结合强度（IB）、弹性模量（MOE）、浸水24 h厚度膨胀率（TS）、含水率、垂直板面握螺钉力（SHC）指标进行判定。

2 结果与分析

2.1 水泥刨花板主要物理性能

参照国家标准，对水泥刨花板主要物理性能进行检测，常用密度水泥刨花板的密度为1 316 kg/m3，含水率9%～10%；低密度水泥刨花板的密度为962 kg/m3，含水率9%～10%；浸水24 h厚度膨胀率（TS）变化见表1。

表1 低密度和常用水泥刨花板不同检测条件下的厚度膨胀率Tab.1 The thickness swelling ratio of low-density and conventional cement particleboards under different testing conditions

2.2 水泥刨花板主要力学性能

参照国家标准，对水泥刨花板主要力学性能进行检测，常用密度水泥刨花板的力学性能指标均达到GB/T 24312—2009优等品要求；低密度水泥刨花板的干状内结合强度大于0.5 MPa，垂直板面握螺钉力大于665 N，丁苯胶乳用量为水泥用量的0%、5%时，试验条件下测得的干状弹性模量均大于3 000 MPa，丁苯胶乳用量为水泥用量的7.5%时，冻融周期达到10周期后，测得的干状弹性模量小于3 000 MPa。其他力学性能指标变化见表2。

由试验结果可知，丁苯胶乳用量为水泥用量的7.5%时，低密度水泥刨花板的弹性模量出现大幅度下降，特别是当冻融周期达到10周期后，测得的干状弹性模量小于3 000 MPa，已不能满足GB/T 24312—2009对弹性模量的指标要求，分析主要是随着丁苯胶乳加入量的增加，水泥刨花板的韧性增大，刚性降低，在一定力作用下，其弹性变形量增大，导致弹性模量下降明显。由表1、表2可知，在试验范围内，丁苯胶乳的加入使低密度水泥刨花板的静曲强度、浸水24 h厚度膨胀率等指标有不同程度的改善。丁苯胶乳对干状静曲强度、湿状静曲强度、浸水24 h厚度膨胀率的影响见图1～3。

由图1发现，当丁苯胶乳用量为水泥用量的7.5%时，干状静曲强度在D20～D40期间，呈增加的趋势，其后又呈下降趋势，分析原因为，此阶段水泥结合力有所增强或检测试件密度不均匀等导致。由图1～2可知，密度对水泥刨花板的主要物理力学性能的影响较大，密度由1 316 kg/m3降到9 62 kg/m3，其静曲强度降低了28.8%，弹性模量降低了30.4%。同时浸水、冻融各阶段的湿状、干状静曲强度均有不同程度的降低。聚合物乳胶丁苯胶乳的加入，因其增加了水泥固化后的韧性，导致弹性模量较不添加丁苯胶乳水泥刨花板的弹性模量有所下降，并随着丁苯胶乳用量的增加而下降明显，本试验中，丁苯胶乳加入量为水泥质量分数的5%时，弹性模量下降了17.0%，丁苯胶乳加入量为水泥质量分数的7.5%时，弹性模量下降了34.4%。丁苯胶乳的加入，对改善低密度水泥刨花板的浸水24 h静曲强度及各周期冻融后的湿状静曲强度效果明显，这主要是丁苯胶乳和水泥两者结合在一起，形成具有诸多优良性能的复合结构。聚合物胶乳凝聚的大分子会沿着水泥在水化反应中原先存在水的地方形成微裂纹和孔隙方向的延伸，部分填充微裂纹和孔隙，阻止了微裂纹的进一步扩张，降低了孔隙率，水泥中添加的丁苯胶乳聚合物自身也会固化，在水泥固化体系中形成连续的聚合物交联网络结构，吸附在无机胶结材料和木材的周围，从而达到增强水泥刨花板强度的效果，使水泥刨花板的浸水24 h静曲强度得到明显改善；同时，由于水泥刨花板中水泥形成的微裂纹和孔隙部分被填充，有效地减少了水泥在冻融试验过程中的吸水量，从而使冻融性能得到提高[6-9，18-20]。

表2 低密度和常用水泥刨花板不同检测条件下的主要力学性能Tab.2 Main mechanical properties of low-density and conventional cement particleboards under different testing conditions

图1 丁苯胶乳对水泥刨花板干状静曲强度的影响Fig.1 The effect of styrene-butadiene latex on dry static flexural strength of cement particleboards

图2 丁苯胶乳对水泥刨花板湿状静曲强度的影响Fig.2 The effect of styrene-butadiene latex on wet static strength of cement particleboards

图3 丁苯胶乳对水泥刨花板浸水24 h厚度膨胀率的影响Fig.3 The effect of styrene-butadiene latex on 24 h water absorption thickness swelling rate of cement particleboards

3 结论

将聚合物胶乳用于低密度水泥刨花板，对聚合物乳胶对低密度水泥刨花板的抗冻性能的影响进行研究，结果表明：聚合物乳胶丁苯胶乳的加入，不会影响水泥刨花板中作为胶黏剂的水泥的固化，对水泥刨花板的主要物理力学性能影响较小。

聚合物乳胶丁苯胶乳的加入，可有效提高低密度水泥刨花板的浸水24 h静曲强度及冻融静曲强度。

综合考虑聚合物乳胶丁苯胶乳对水泥刨花板弹性模量及冻融静曲强度等的影响，聚合物乳胶丁苯胶乳的用量为水泥质量分数的5%较为适合。