一種綠色環保混凝土模板材料的研制

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，隨著我國國民經濟的發展，人民生活水平的提高，全國各地的建筑、交通、水利等領域都進入了快速建設的新時期。中國就像一個巨大的建筑工地，對混凝土模板的需求量越來越大，為此對森林進行大量砍伐，用于生產混凝土模板，結果造成了木材的砍伐量遠超過森林的生長量，導致森林大面積減少以及嚴重的水土流失，同時容易引發泥石流、山體滑坡、洪澇等自然災害[1]。

近年來，隨著我國政府及人民群眾逐步對環保問題認識的加深，國家開始加倍重視森林資源的循環利用與環境的可持續發展；從實際情況出發，制定出相應的政策與法律來限制亂砍濫伐行為，這些措施的實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濟建設與環境保護的矛盾。據2017年全國范圍內統計，我國全年用于建筑工程的模板數量已達5.85億平方米，而其中木膠合板模板的使用量達到了3億平方米。經粗略測算，為生產這些木模板，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，從保護環境、維護生態平衡和國家發展的長遠利益看，研制新型的綠色環保混凝土模板材料是十分必要的。

2 關鍵技術及創新點

（1）以鋸末為填充材料，竹條為增強筋，無機膠凝材料采用硫鋁酸鹽水泥，研制出能夠達到木模板相關性能指標的水泥基新型模板。

（2）在模板材料的內部結構上，根據鋼筋在混凝土樓板里的受力原理，把竹條作為“增強筋”用在水泥基復合材料制作的混凝土模板里，來提高模板材料的靜曲強度。

（3）在模板材料內部加入竹筋的基礎上，采用環氧樹脂、細砂對竹筋進行表面預處理，增強竹筋與水泥基體材料間的握裹力，來進一步提高混凝土模板材料的靜曲強度。

3 試驗原材料

（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、淀粉等組分構成。

（2）竹條：作為混凝土模板材料中的增強筋使用，密度一般為0.60±0.15g/cm3左右，竹材的平均抗拉強度為200MPa。

（3）硫鋁酸鹽水泥：河北唐山特種水泥有限公司生產的SAC·525硫鋁酸鹽水泥。

（4）其它材料：氫氧化鈉、環氧樹脂、固化劑、砂、水。

4 混凝土模板的制作

4.1 設計思路

（1）試驗水灰比、木灰比等方面的因素，對混凝土模板材料各項性能指標產生的影響，確定合適的水灰比、木灰比。

（2）試驗原材料預處理方式對混凝土模板材料性能指標的影響；主要包括用堿溶液預處理鋸末，來提高其與膠凝材料的結合；以及用環氧樹脂、細砂預處理竹筋，增強其與水泥基材的握裹力。

4.2 鋸末預處理方法

由于鋸末主要成分中的半纖維素大部分為異多糖類物質，這些單糖類物質在水泥的堿性介質中，轉化成為糖酸，與水泥的水化產物中的鈣離子生成糖酸鈣，包裹在水泥顆粒周圍，阻礙水泥的凝結與硬化，致使膠凝材料的凝固速度緩慢，強度降低，有時甚至不凝固。因此，將鋸末在濃度為1%～10%的NaOH堿溶液里浸泡進行預處理。

4.3 竹筋預處理方法

（1）將試驗用的竹筋進行簡單的尺寸加工，使其長度與自制模具的長度相適應。（2）將環氧樹脂和專用固化劑按照3:1 的比例在容器中進行攪拌配制。（3）將配制的環氧樹脂涂覆在竹筋上，再撒些細砂，使其表面粘膠的部位變的更粗糙，以增強竹筋與膠凝材料的粘結強度及握裹力。

4.4 混凝土模板成型

參考關于植物纖維（麥秸、麻桿、玉米桿等）增強水泥板的生產制造工藝以及結合本材料的實際情況，制定了物料稱量、混合攪拌、壓制成型、靜置恒壓、拆模養護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、鋸末預處理、竹筋預處理等方面來進行試驗研究，探討這些因素對混凝土模板性能影響的規律，確定出各種材料的適合配比。

5.1 水灰比對混凝土模板材料性能影響

表1 水灰比對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。試驗是在木灰比為0.30，改變水灰比來研究用水量與水泥質量比值的變化對混凝土模板靜曲強度、吸水率、握釘力等性能影響的規律，從表中數據的變化規律可知，隨著水灰比的增大，模板材料的靜曲強度、握釘力均呈先增大后減小趨勢，而吸水率則呈先減小后增大的趨勢；這主要由于水灰比為0.35 時的用水量不足以使拌合料中水泥完全水化，此時拌合料中水化產物的膠結能力較低；致使模板材料的靜曲強度、握釘力偏低，吸水率增大。當水灰比增大到0.45時，拌合料的和易性得到改善，水泥得到充分水化反應，故靜曲強度、握釘力提高，吸水率減小；但是，當水灰比繼續增大后，混凝土模板材料的靜曲強度、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 木灰比對混凝土模板材料性能影響

表2 木灰比對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量比值變化對混凝土模板材料性能影響的規律；由試驗可知隨著木灰比的增加，除吸水率升高外，模板材料的靜曲強度、握釘力均降低；這主要是因為當鋸末與水泥比例適中時，膠凝材料能夠對鋸末進行膠結，使鋸末在基體內部形成插接結構，能有效地分散和傳遞應力，有利于基體強度的形成；當木灰比大于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，最終導致界面的結合強度下降，使模板材料的靜曲強度、握釘力降低，吸水率增大。從其各項性能的變化趨勢，確定出適合的木灰比為0.30。

5.3 預處理鋸末對混凝土模板性能的影響

表3 預處理鋸末對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，鋸末經堿溶液處理后對模板的各項性能都有顯著的影響。

5.4 預處理竹筋對混凝土模板靜曲強度影響

表4 預處理竹筋對混凝土模板材料靜曲強度的影響

由試驗結果可知，竹筋的表面經過預處理后混凝土模板材料的靜曲強度提高了15.2%。由于竹筋表面進行預處理后，改善其界面性能，增加了與水泥基材的握裹力，從而在受力時有效的起到應力傳遞作用。由此可見，竹筋的表面預處理可以提高靜曲強度。

5.5 防火性能試驗

混凝土模板材料的防火性能試驗測試見圖1。

圖1 防火性能試驗測試圖

從圖1可以看出，普通木模板在電爐上加熱到15min時就開始出現冒煙現象，到20min時就開始燃燒，而新研制的模板絲毫沒有燃燒的跡象，為了檢驗研制的模板是否能燃燒，繼續加熱到1.5h，如圖1 所示，除了模板材料內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間的延長顏色逐漸加深。

6 結論

（1）通過以上分析水灰比、木灰比等因素對混凝土模板靜曲強度、吸水率、握釘力等性能影響規律的變化趨勢，確定生產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）堿溶液浸泡預處理使鋸末里的半纖維素及其對水泥的有害的糖類成分大量溶解析出，減弱其對水泥固化性能的影響，同時在堿性環境下，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，增強了鋸末與水泥基材料的結合強度，使其靜曲強度、握釘力、吸水率等性能均得以改善。

（3）通過預處理竹筋，一方面環氧樹脂改善與混凝土模板基材粘接能力，另一方面細砂的加入能夠增加其表面粗糙度進一步增強竹筋的握裹力；說明預處過竹筋與基材之間形成了良好的界面粘接強度以及良好的握裹能力，可以顯著地增強模板材料的力學性能。

（4）通過采用以鋸末為填充材料，竹條為增強筋，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。