环氧树脂/木质碎料复合材料力学性能

2021-03-31赵双瞿树林曹冰冰程承姚顺忠

林业工程学报 2021年2期

赵双，瞿树林，曹冰冰，程承，姚顺忠*

(1.西南林业大学土木工程学院，昆明 650224；2.贵州省水城公路管理局，贵州六盘水 553000；3.云南工程职业学院建筑工程学院，云南安宁 650300)

木质碎料复合材料是以废旧木片和木屑为基体，复合其他增强材料或功能材料构成的具有特殊微观结构和某些特定性能的复合材料[1-2]。该材料具有天然植物纤维和高分子聚合物的双重性能，弥补了单一材料的缺陷，被应用于各个领域，而学者对其认识和研究也在逐渐推进。目前国内外对废旧木材的利用研究主要集中在制成胶合板[3-4]、木塑复合材料[5-6]、实木制品[7-8]和再生建筑材料[9-10]等方面，但在将其作为道路铺装材料方面的深入研究相对较少。在日本，道路工作者利用木质碎料(如废旧木材或间伐材制成的木片、木屑)掺加天然砂等材料与胶凝材料按照一定的比例混合后，经摊铺、碾压、养生等工艺制成新型道路铺装材料[11]。如利用水泥、石膏、石灰等无机类胶凝材料[12-14]和有机类胶凝材料(自制树脂)[15]等作为木质复合材料的胶凝材料进行道路铺装，并测试其弹性、抗滑性能、渗透性、耐久性和耐火性等性能。这种木质碎料道路铺装技术在拓宽废旧木材循环利用的同时，也具有节约资源与提高生态效益的积极意义。近十几年来，日本各企业及研究协会不断推进木质碎料道路铺装的发展和应用，相继取得了一些实际工程成果，并在人行道、公园以及广场等路面铺装方面得到广泛应用。

我国近几年在废弃木材循环利用方面也有初步研究，如利用不同配比的木屑制备水泥基木质碎料复合材料并对其力学性能、热物理性能进行测试。研究结果表明，试件最大抗压强度可达6.78 MPa，最大劈裂抗拉强度可达1.33 MPa，且具有显著的“热阻效应”，作为道路铺装材料能够缓解城市“热岛效应”[16-17]。在工程应用方面，我国也有相关研究报道，2013年首次报道在北京延庆联络线营城子收费站出口附近完成了首条采用木质碎料铺装的试验路面。

为了探究有机胶凝材料作用下的木质碎料复合材料的力学性能，笔者以改性环氧树脂为胶结材料、砂和木质碎料作为骨料，利用平板振捣器，采用上振式成型方法制备了树脂基木质碎料复合材料，分析树脂用量、木质碎料用量以及砂类型对树脂基木质碎料复合材料的抗折强度、抗压强度的影响，以期为树脂基木质碎料道路铺装材料的研究与推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

1)木质碎料：由云南新泽兴人造板有限公司提供，堆积密度为0.29 g/cm3，天然含水率为8.6%，外观呈纤维状，长度最大18 mm，宽度最大4 mm，过0.075 mm方孔筛去除木粉。

2)胶结料：为市售常温固化型低黏度改性环氧树脂，外观为无色至浅黄色，加德纳色度≤2，密度1.06～1.10 g/mL，黏度500～700 mPa·s，环氧当量195～215，具有很好的防腐性和反应活性，分子结构中含有活泼的环氧基团。

3)固化剂：本研究选用两种固化剂，其中一种固化剂为低黏度的改性脂肪胺类固化剂(G1)，可用于各种环氧树脂的固化，具有优良的抗化学腐蚀性能及快速固化能力；另一种为特种复合材料环氧树脂固化剂(G2)，有良好的表面性能、中高温下的结构稳定性及耐腐蚀性等特性。G1、G2具体技术参数见表1。

表1 固化剂技术参数Table 1 Technical parameters of hardener

4)砂：为了对比砂种类和用量对木质碎料复合材料的力学性能影响，本实验采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂和普通河砂，为控制河砂的最大粒径和泥土含量，首先过0.6 mm方孔筛，然后再过0.075 mm方孔筛。

1.2 试件制备

由于国内外尚无木质碎料复合材料相关试验技术规程，本研究参照国内外相关文献，按照水泥胶砂强度检验方法(ISO)试验规程(GB/T 17671—1999)进行树脂基木质碎料复合材料的抗折、抗压强度试验。具体实验工作步骤如图1所示。在成型前将水泥胶砂三联试模擦拭干净，紧密装配，内壁均匀涂刷一层脱模剂；然后将称量好的砂与木质碎料先用水泥胶砂搅拌机(云南科昆机械有限公司生产，型号JJ-5)低速搅拌30 s，待拌合均匀后，分别加入树脂、固化剂高速搅拌30 s，停拌90 s，混合料拌和完成后；用勺子直接从搅拌锅中取出混合料，装入三联试模中，保持3个试模中质量一致，并略高出试模顶部约0.5 cm，再使用手提式平板振捣器振捣45 s；振捣完毕，沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，依次将超出试模的混合料刮去。再次抹平表面后，进行室内养护24 h后拆模，脱模后进行编号，待完全固化后取出进行制件。

图1 树脂基木质碎料复合材料制备和测试流程Fig.1 Flow chart for preparation and testing of the resin-based wood particle composites

1.3 试验设计

为获得砂类型以及组成材料之间的配合比对树脂基木质碎料复合材料基本力学影响规律，此次试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》，采用万能力学试验机和电动抗折试验机测试了胶集比[树脂质量/(木屑+砂)的总质量]分别为0.20，0.25，0.30及木砂比(质量比)为1∶1，1∶2，1∶3时各试件的抗折、抗压强度。具体配合比(每个配合比取3个重复试样)及试件毛体积密度、抗折(压)强度测试结果见表2。由于利用标准砂与河砂在同一配比下制备的木质复合材料试件的毛体积密度偏差在5%以内，因此不同类型的砂制备的试件密度对其强度的影响可忽略不计，仅考虑材料组成对试件强度的影响。将标准砂与河砂制备试件的抗折强度分别记为SF和RF、抗压强度分别记为SC和RC，用于配料中胶集比、木砂比对试件抗折(压)强度的影响分析。

表2 试验配合比及试验数据Table 2 Test mix ratio and test data

2 结果与分析

胶集比和木砂比是影响树脂基木质碎料复合材料的力学性能的主要参数。鉴于砂的种类和用量影响拌和料的和易性，笔者分别探讨了在使用标准砂和普通河砂下胶集比、木砂比对力学性能(抗折、抗压强度)的影响规律，试验测得各配合试件的抗折(压)强度如图2、3所示。

2.1 胶集比对抗折(压)强度的影响

不同胶集比对树脂基木质碎料抗折、抗压强度试验结果见图2。由图2可知，在相同木砂比时，随着胶集比的增加，树脂基木质碎料的抗折、抗压强度也随之增加。使用标准砂制备的试件，在木砂比为1∶1时，随着胶集比的增加，与胶集比0.20相比较，胶集比0.25和0.30的抗折强度分别提高了35%和189%，抗压强度分别提高了28%和78%；同理，在木砂比为1∶2和1∶3时，随着胶集比的提高，抗折强度分别提高了63%，78%和74%，173%，抗压强度分别提高了96%，106%和116%，179%。木砂比一定时，随着胶集比的增加试件的平均抗折、抗压强度均有大幅度提高。这是由于当木砂比一定时，随着胶集比的增大，即环氧树脂用量增加，环氧树脂对集料的有效包裹率提高，增强了环氧树脂与集料之间的粘接力，试件强度提高。

图2 胶集比对抗折、抗压强度的影响Fig.2 Influence of binder-aggregate ratio on flexural and compressive strength

2.2 木砂比对抗折(压)强度的影响

不同木砂比对树脂基木质碎料抗折、抗压强度试验结果见图3。由图3结果可知，在胶集比一定时，随着木质碎料的减少，试件的抗折、抗压强度不断提高。使用标准砂制备的试件，在胶集比为0.20时，随着木砂比的减小，与1∶1相比较，本砂比1∶2和1∶3的抗折强度分别提高了116%和153%，抗压强度分别提高了117%和177%；同理，在胶集比为0.25和0.30时，抗折强度分别提高了162%，256%和33%，139%，抗压强度分别提高了234%，367%和151%，332%。当胶集比一定时，试件的平均抗折、抗压强度随着木砂比的减小而大幅增加。这是因为当胶集比一定时，木砂比增加使砂的数量增加而木质碎料用量减少，由于砂的体积较小，导致同一质量下需要包裹木质碎料和砂表面的用胶量减少，环氧树脂的量相对增加，即木质碎料减少，树脂量增加，导致强度越来越高，但强度增长速率变小。

图3 木砂比对抗折、抗压强度的影响Fig.3 Influence of wood sand ratio on flexural and compressive strength

2.3 砂类型对抗折(压)强度的影响

随着木质碎料减少和树脂含量的增加，使用标准砂的木质复合材料力学强度逐渐增加但增长速率变小；使用河砂的木质复合材料力学强度变化规律与使用标准砂的具有相似性，但除胶集比为0.3、木砂比为1∶1外，其力学性能在各配合比下均大于使用标准砂的试件，抗折、抗压强度分别平均增加在12%和22%左右。以上试验结果表明，不同砂类型对试件的力学强度影响程度不同。这主要是由于河砂的颗粒粒径较小，且颗粒之间空隙较小，表面光滑，摩阻力小，更易被压实，从而导致其强度要比采用标准砂制备的试件要高。

2.4 试件抗折(压)强度的影响因素分析

从单因素的分析已经可以分析树脂用量、木质碎料用量以及砂类型对树脂基木质碎料复合材料基本力学性能的影响规律，但是不能直观地看出各因素之间的相互关系及主要影响因素。为此，根据树脂基木质碎料复合材料抗折、抗压强度试验的结果，采用拟水平法，选用L9(34)正交试验表，从胶集比、木砂比和砂类型3个方面入手，研究影响试件力学性能的主要因素。正交试验设计及试验结果见表3。

表3 抗折(压)强度正交试验结果Table 3 Calculation table of orthogonal test results of flexural strength(compressive strength)

各列中Si的大小用来衡量试验中相应因素作用的大小:Si较大的因素，说明它的3个水平对强度所造成的差别大，通常是重要因素;而Si较小的因素，则往往是次要因素。由表3可知，抗折、抗压强度下S木砂比>S胶集比>S砂类型，因此判断木砂比掺入量是主要因素，而砂类型影响较小。对于砂类型的抗折(压)强度的极差Si=0.13(0.32)极小，作为试验误差的估计值。表中Ki(i=1,2,3)表示某个因素第i水平的所有抗折(压)强度之和，i为影响因素的水平数。在木砂比、胶集比中K3>K2>K1，在砂类型中K2>K1，Ki越大说明该水平对抗折(压)强度的影响越大，抗折(压)强度越高。这表明对木砂比而言，1∶3优于1∶2，1∶2优于1∶1；对胶集比而言，0.3优于0.25，0.25优于0.2；对砂类型而言，河砂优于标准砂。

综上所述，树脂基木质碎料复合材料的力学性能主要影响因素为木砂比，次要影响因素为胶砂比，砂类型对其性能的影响较小。最优配比是木砂比1∶3、胶集比0.3和河砂，其试件抗压强度为5.74 MPa，抗折强度为17.16 MPa。

2.5 破坏形态及机理分析

在抗折试验中，随着荷载增大，试件跨中部底面出现受拉开裂；荷载持续增加，裂缝逐渐变宽，试件一侧翘起变形，当荷载达到应力峰值时，试件发生斜裂缝剪切破坏。这是由于环氧树脂本身具有很好的抗拉特性，犹如微小的弹性体分布在混合料内部，当试件受到弯拉荷载作用时，木质碎料与胶共同受力抵抗试件内部微裂缝的形成和扩展，先产生变形后再发生破坏的形态。试件的破坏均为拔出型破坏，如图4所示。此类破坏主要是木质碎料与环氧树脂的界面黏结力不足，导致树脂砂浆与木质碎料被拉脱产生的破坏。