木塑復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用

郝建秀，王偉宏

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

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木塑復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用

郝建秀，王偉宏*

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

摘要：本文簡(jiǎn)要分析了幾種主要建筑模板的使用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，介紹了木塑復(fù)合材料作為模板用材的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。針對(duì)目前木塑復(fù)合材剛性和韌性不足的問(wèn)題，總結(jié)了已有的改善方法，即增加厚度和添加無(wú)機(jī)剛性粒子、纖維等可以提高木塑復(fù)合模板的剛性，使用彈性體可以提高木塑復(fù)合模板的抗沖擊韌性；優(yōu)化模板組合結(jié)構(gòu)可以制備密度低綜合性能優(yōu)異的木塑復(fù)合建筑模板。通過(guò)不斷完善木塑復(fù)合材料的性能，將使其在建筑模板領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，對(duì)減少木材資源消耗具有重要作用。

關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材；建筑模板；應(yīng)用；性能；改善

0引言

二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)體系有了很大的變化，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中所占比例越來(lái)越大[1]，高層、超高層的鋼筋混凝土建筑大量興起?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)工程施工需要使用建筑模板，該建筑模板結(jié)構(gòu)主要由面板、支撐結(jié)構(gòu)和連接件3部分組成。其中，面板是承力板，直接與新澆的混凝土接觸，是承力板；支撐結(jié)構(gòu)是臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，起到支撐面板、混凝土和施工荷載的作用；連接件作為配件可將面板與支撐結(jié)構(gòu)連接成整體。

建筑模板雖然是一種臨時(shí)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)，但必須按照設(shè)計(jì)要求來(lái)制作，以保證混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件按預(yù)計(jì)的位置、形狀和幾何尺寸成形，同時(shí)承受自重及外部荷載。施工中需要保證混凝土工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和操作安全，因此對(duì)接觸混凝土的面板有較高要求。建筑模板面板應(yīng)具有足夠強(qiáng)度以保證模板系統(tǒng)的承載能力；具有足夠的彈性模量以保證模板系統(tǒng)的整體剛度。此外，模板的面板應(yīng)該表面平整光滑，盡量選擇輕質(zhì)耐用材料，能夠多次循環(huán)使用而不損壞[2]。

木塑復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱WPC)是以各種木質(zhì)纖維和熱塑性塑料為原料，通過(guò)熱加工制備得到的一類復(fù)合材料。WPC的制造原料來(lái)源非常廣泛，木材加工剩余物、采伐剩余物、秸稈和回收的廢舊塑料等都可以得到利用，而且加工工藝簡(jiǎn)單，制品使用后可回收再利用。WPC研究始于上世紀(jì)60年代，由于其環(huán)保、質(zhì)輕高強(qiáng)等特征，自2000年以來(lái)在我國(guó)得到快速發(fā)展，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。WPC的塑料基質(zhì)通常為非極性的聚乙烯、聚丙烯以及低極性的聚氯乙烯等，在復(fù)合材制備時(shí)富集于表層，使復(fù)合材表面呈現(xiàn)惰性，不容易與混凝土粘連。如果能將木塑復(fù)合材料大量應(yīng)于建筑模板行業(yè)，對(duì)緩解我國(guó)森林資源緊張和廢棄塑料污染環(huán)境的問(wèn)題具有重要意義。本文對(duì)木塑復(fù)合材料在建筑模板中應(yīng)用的潛力進(jìn)行了分析。

1建筑模板簡(jiǎn)介

目前，市場(chǎng)上主流的建筑模板分為膠合板模板、金屬類模板和塑料類模板。膠合板模板主要包括木質(zhì)膠合板和竹膠合板。這類模板幅面大，現(xiàn)場(chǎng)加工比較靈活，能夠滿足各種平面形式的混凝土澆注，且具有強(qiáng)重比高的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外模板工程應(yīng)用最廣泛的形式之一。但膠合板模板循環(huán)利用次數(shù)有限，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)用量最大的木膠合板周轉(zhuǎn)次數(shù)為1～3次的占75%，其中周轉(zhuǎn)3次的占23.5%，周轉(zhuǎn)2次的占41.7%，周轉(zhuǎn)一次的占9.8%[3]。膠合板模板利用次數(shù)太少且回收利用率低，對(duì)木材資源造成極大浪費(fèi)，不適合我國(guó)森林資源匱乏的現(xiàn)況。

金屬模板包括鋼模板和鋁合金模板。鋼模板主要指組合鋼模板，通過(guò)連接件組裝成各種形狀和尺寸，與傳統(tǒng)的木模板相比，其尺寸穩(wěn)定性好，適用范圍廣[4]。但是在使用中，組合鋼模板逐漸暴露出很多問(wèn)題，如拼縫多，造成混凝土表面平整度差；自重大，搬運(yùn)與裝卸不方便，在高層建筑中，需要借助塔吊來(lái)完成。此外，鋼模板制作工藝繁瑣，且鋼材生產(chǎn)時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境造成一定的污染，因此，鋼模板的使用受到了限制。與鋼模板相比，鋁合金模板自重較輕，可以人工搬運(yùn)，減少了施工時(shí)塔吊的使用量；且周轉(zhuǎn)次數(shù)多，平均成本低[5]。但鋁合金模板對(duì)安裝人員的技術(shù)水平要求較高，前期投入較大，只有在大型群體工程或超高層項(xiàng)目中才能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)；暫不適用于地下室、轉(zhuǎn)換層等非標(biāo)準(zhǔn)層及弧形梁板等[6]。因此，鋁合金模板離廣泛使用還尚有距離。

隨著“以塑代木”，“以塑代鋼”方針的提出，塑料行業(yè)得到迅速發(fā)展，人們開(kāi)始用它來(lái)替代傳統(tǒng)的建筑裝飾材料和建筑模板材料。塑料模板具有耐水性好、不腐爛、不生銹、與水泥不親和、不粘連等良好的物理特性[7-8]，在施工中保證了混凝土表面的平整度，便于搬運(yùn)與安裝。廢舊的塑料可以回收利用，起到節(jié)約資源，減少能耗的積極作用[9]。但塑料模板的剛性不足，需要在施工中設(shè)立獨(dú)特的支撐系統(tǒng)或者進(jìn)行多點(diǎn)支撐；另外，塑料模板的熱膨脹系數(shù)大，當(dāng)溫差變化較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱變形，不利于工程質(zhì)量的控制[10]。為此，制造過(guò)程中經(jīng)常添加玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)，但細(xì)小纖維在生產(chǎn)制造、鋸割安裝及回收利用等環(huán)節(jié)都對(duì)操作人員的健康造成危害，不符合清潔生產(chǎn)的要求。

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑行業(yè)對(duì)模板用材必然提出更高、更全面的要求。在可利用自然資源日益減少的情況下，如何采用復(fù)合與組合的手段利用低質(zhì)原料制備出高性能用材，將是復(fù)合材料行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。近年來(lái)，建筑模板用木塑復(fù)合材料的研究與利用已經(jīng)開(kāi)始受到重視。

2木塑復(fù)合材料作建筑模板的優(yōu)勢(shì)

目前，木塑復(fù)合材料主要用于建材、家具、物流包裝等行業(yè)，如制造戶外步道板、園林建筑、托盤(pán)等產(chǎn)品。從性能方面來(lái)看，木塑復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、成本低、強(qiáng)度高和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。此外，木塑復(fù)合材料表面富集一層塑料基質(zhì)，平整光滑，且呈非極性，與固化后的混凝土容易分離。這些性能使其具備了用于建筑模板的潛在優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的竹、木膠合板模板通常可循環(huán)使用3～6次，之后即完全報(bào)廢[11-13]；而木塑復(fù)合建筑模板的循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)20～30次[11-14]。按能夠周轉(zhuǎn)25次的中等質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，木塑復(fù)合模板的單次使用成本大大降低，且廢棄后的木塑模板仍可回收再利用。木塑復(fù)合模板的高周轉(zhuǎn)次數(shù)能夠有效地降低或避免因多次采購(gòu)及運(yùn)輸而產(chǎn)生的額外費(fèi)用，并能加快施工進(jìn)度。

綜合考慮環(huán)境、性能、成本以及工藝等因素，建筑模板用木塑復(fù)合材料具有以下優(yōu)勢(shì)[14-18]：

(1)能夠緩解鋼材和木材等資源緊缺的現(xiàn)狀，具有良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)性，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

(2)可采用回收的廢舊塑料和木材下腳料、木屑等剩余物做原料，價(jià)格低廉，且對(duì)環(huán)境有利。

(3)尺寸穩(wěn)定性高，耐磨性好，多次使用后可保持表面平整。

(4)表面極性小，與混凝土構(gòu)件粘接性差，易于脫模，達(dá)到清水模板的效果。

(5)不怕蟲(chóng)蛀、耐腐蝕、吸水性小、不會(huì)吸濕變形，節(jié)省用工量。

(6)加工性能好，可多次鋸、刨和粘結(jié)，固定方便。

(7)比鋼模板質(zhì)量輕，易于搬運(yùn)和裝卸。

3建筑模板用木塑復(fù)合材料性能的改進(jìn)

木塑復(fù)合建筑模板雖然具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但還不夠完善。張小偉等的研究中表明[19]，高比例填充的聚氯乙烯基木塑復(fù)合建筑模板彎曲強(qiáng)度偏低，成本偏大，不符合企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略；江蘇蘭蒂斯木業(yè)有限公司反饋，在聚丙烯基木塑復(fù)合材中采用高比例木粉填充可以降低成本，但模板韌性差，拆模時(shí)因人為或者意外使模板摔落在地上可導(dǎo)致木塑模板損毀，不但無(wú)法發(fā)揮木塑模板的優(yōu)點(diǎn)，而且還增加了經(jīng)濟(jì)成本。因此，為滿足建筑行業(yè)使用要求，還需要進(jìn)一步提高木塑復(fù)合模板的強(qiáng)度、剛度和韌性。

3.1提高木塑復(fù)合建筑模板剛性的方法

提高木塑復(fù)合材模板的剛性一般可以采取增加模板厚度和添加無(wú)機(jī)剛性粒子的方法。見(jiàn)表1，增加木塑復(fù)合板材的厚度可以使它達(dá)到膠合板模板的抗彎彈性模量水平。盡管這樣會(huì)增加成本，但綜合考慮循環(huán)使用次數(shù)和可回收的剩余價(jià)值，木塑復(fù)合模板仍具較大優(yōu)勢(shì)。

表1　與膠合板模板抗彎彈性模量相當(dāng)?shù)?/p>

添加無(wú)機(jī)剛性粒子也是木塑復(fù)合材常用的增強(qiáng)方式。木粉與PE在1∶1的情況下，添加10%的納米SiO2可使彎曲強(qiáng)度提高80%[20]；在PVC復(fù)合材料制備過(guò)程中，添加碳酸鈣或者碳酸鈣與粉煤灰共用能明顯提高剛性[21-22]。添加改性的剛性粒子對(duì)復(fù)合材料的綜合性能有很大的改觀，但是對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)工藝復(fù)雜，成本較高。纖維的填充能夠提高塑料基質(zhì)的剛性，而且對(duì)韌性也有所改善[23]。由于在擠出加工過(guò)程中纖維的添加會(huì)造成喂料困難、分散不均勻等問(wèn)題，因此采用熱壓成型工藝會(huì)更好[24-25]。與擠出成型相比，熱壓成型的板材其強(qiáng)度和彈性模量等性能略低，但更適于制造大幅面板材。

3.2提高木塑復(fù)合建筑模板韌性的方法

木塑復(fù)合材料增韌的方法主要有：使用增韌劑提高聚合物基體的韌性、使用偶聯(lián)劑改善填料與聚合物之間的界面相容性、優(yōu)化填料性能與用量等。綜合考慮工藝以及成本等問(wèn)題，塑料基質(zhì)與彈性體共混的增韌方式最佳。不過(guò)彈性體作為增韌劑往往引起復(fù)合材的模量下降[26-28]，剛性不足導(dǎo)致模板支撐系統(tǒng)復(fù)雜化，需要多點(diǎn)支撐或者獨(dú)特的支撐系統(tǒng)，增加了施工難度和成本。因此，應(yīng)該在保持材料彈性模量的前提下提高其韌性。

已有研究表明，在各種彈性體中A669的綜合效果比較好。它是在常用的聚烯烴彈性體POE基礎(chǔ)上進(jìn)行接枝改性，加入后可以降低塑料基質(zhì)的結(jié)晶度，增加晶粒尺寸，改善塑料與木粉之間的界面結(jié)合，使基質(zhì)的黏性特征明顯增加。當(dāng)A669添加量為4%時(shí)，可使聚乙烯基木塑復(fù)合材的沖擊強(qiáng)度達(dá)到15kJ/m2(通常為10 kJ/m2左右)，抗彎彈性模量保持在4GPa，滿足國(guó)家木塑模板標(biāo)準(zhǔn)要求[29]，使得材料在增韌的同時(shí)具有優(yōu)良的彈性模量。

無(wú)機(jī)粒子與增韌劑的復(fù)配使用也可以達(dá)到增強(qiáng)增韌的作用。李磊[30]采用無(wú)機(jī)剛性粒子滑石粉(Talc)、玻璃微珠(GB)及彈性塑體(EPDM-g-MAH)作為復(fù)配體系，用于增強(qiáng)尼龍6(PA6)。其中彈性體EPDM-g-MAH有利于提高韌性，Talc與GB的加入起到明顯的異相成核作用，可以提高材料的剛性。三者通過(guò)互補(bǔ)協(xié)同作用，可以得到性能更加優(yōu)異的增強(qiáng)材料。這個(gè)方法為提高木塑建筑模板性能提供了良好借鑒作用。

3.3降低木塑復(fù)合建筑模板密度的方法

木塑復(fù)合建筑模板從高空墜落時(shí)，比重偏大就會(huì)產(chǎn)生材料無(wú)法承受的重力勢(shì)能，導(dǎo)致?lián)p壞。因此降低密度對(duì)木塑復(fù)合建筑模板的高效利用極其重要。減小木塑建筑模板重量的主要方法是發(fā)泡或者形成空芯結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)發(fā)泡和物理發(fā)泡是常用的發(fā)泡原理，化學(xué)發(fā)泡是指在塑料發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡劑自身發(fā)生化學(xué)變化，分解釋放出氣體(如CO2、N2或NH3)使聚合物發(fā)泡；物理發(fā)泡是指發(fā)泡劑自身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只通過(guò)改變物理狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生大量氣體，使塑料發(fā)泡。

研究結(jié)果顯示，對(duì)于PVC基木塑復(fù)合材，單獨(dú)使用AC發(fā)泡劑效果并不理想，當(dāng)它與發(fā)泡助劑ZnO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)配合使用時(shí)，復(fù)合材的力學(xué)性能和發(fā)泡效果均得到提高，密度可降低14%[31]。對(duì)于PE基木塑復(fù)合材，AC發(fā)泡劑的用量為20%時(shí)，復(fù)合材的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，發(fā)泡劑的含量為30%時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大[32]。因此，合理的添加發(fā)泡劑不但可以降低復(fù)合材料密度，還可以提高復(fù)合材料性能。

3.4木塑復(fù)合建筑模板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

除上述材料本體性能改善方法外，對(duì)模板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也非常重要。其中，殼層結(jié)構(gòu)能夠提供優(yōu)良的綜合性能，可在整體密度降低的情況下大幅度提升材料的抗沖擊強(qiáng)度和剛性[33]。趙勁松介紹了一種夾層結(jié)構(gòu)木塑復(fù)合板材[34-36]，中間層為發(fā)泡的木塑復(fù)合材，上下層為密實(shí)材料或添加增強(qiáng)材料。這種板材的加工可以采用共擠出成型方式，或者在中間層擠出之后利用熱壓機(jī)將其與表層材料壓合到一起。以五層結(jié)構(gòu)模板為例，具體工藝過(guò)程如下。

①將木粉、塑料、發(fā)泡劑及其他助劑混合均勻，投入芯層原料擠出機(jī)；②同時(shí)將外層料投入表層用擠出機(jī)，使之塑化；③兩種塑料熔體經(jīng)T型共擠模具擠出，形成發(fā)泡中心層與外層材料共同組成的復(fù)合材；④之后在復(fù)合體表面覆蓋上表層材料，導(dǎo)入帶狀熱壓機(jī)裝置，將復(fù)合體加熱使之與表層材料粘合在一起。按照該方式加工出的五層模板整體密度降低為0.6g/cm3，板材抗彎模量達(dá)到6GPa，抗彎強(qiáng)度為20MPa。

目前，常用的木材膠合板模板表面都覆有酚醛樹(shù)脂浸漬紙，不僅增加了板材的耐水性，而且使表面光潔平整，適合作混凝土清水模板。但該種模板的基材要求采用耐候型膠合板，應(yīng)該選用優(yōu)質(zhì)原木旋切單板，在我國(guó)木材資源日益缺乏的情況下這種膠合板模板的生產(chǎn)成本越來(lái)越高。在使用中，表層浸漬紙容易破損，導(dǎo)致周轉(zhuǎn)次數(shù)下降，浪費(fèi)了木材資源。

通過(guò)調(diào)整模板結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造出新型建筑模板面板，例如將傳統(tǒng)膠合板作為芯層，塑料片材作為表層(即木模覆塑建筑模板)，二者層積復(fù)合使用則可以起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。這種結(jié)構(gòu)利用了膠合板基材的力學(xué)性能和低密度，由其來(lái)承受荷載，抵抗沖擊；表層的塑料片材起到保護(hù)基材的作用，提高了模板的使用次數(shù)。由于表層塑料的惰性，使得模板脫模容易，混凝土表面平整，可達(dá)到清水模板的效果。為提高表層塑料的硬度和耐熱性，還可以加入木纖維、鈣粉等作為增強(qiáng)體。這種新型木塑復(fù)合模板可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，使建筑施工質(zhì)量和效率得到明顯提高；循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)到50次以上，大幅度節(jié)約了建筑成本，目前已在施工中得到應(yīng)用。

4結(jié)束語(yǔ)

木塑復(fù)合材料具備良好的環(huán)保性能和物理力學(xué)性能，它的推廣使用可以緩解優(yōu)質(zhì)木材資源的耗用量，對(duì)保護(hù)木材資源具有重要作用。尤其在木材耗用量巨大的建筑模板行業(yè)，木塑復(fù)合材料具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。隨著性能研究的不斷深入和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，木塑復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、韌性和密度將進(jìn)一步得到完善，綜合性能更加優(yōu)異，能夠很好地滿足施工技術(shù)要求。在國(guó)家大力提倡節(jié)約使用木材的形式下，木塑復(fù)合材料將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用到建筑模板領(lǐng)域中，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Application of Wood Plastic Composite in Construction Formwork

Hao Jianxiu，Wang Weihong*

(Key Lab of Bio-based Material Science & Technology of Ministry of Education，College of Materials Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：The application status and existed problems of several major construction formworks were briefly introduced，and the unique advantages of wood-plastic composites(WPC)as construction formwork were explained.For the problem of low rigidity and toughness of WPC，three methods for improving the impact strength and modulus of current WPC construction formwork were summarized，e.g.increasing the thickness of WPC panel and introducing stiff inorganic particles to improve the modulus of WPC，adding elastomer fillers to improve the impact strength of WPC，and optimizing the structure of WPC to make WPC with lower density and better properties.The improved properties could make WPC more and more useful in the construction formwork application，which will significantly reduce the consumption of wood resources.

Keywords：wood plastic composite；construction formwork；application；property；improvement

中圖分類號(hào)：S 781；TU 755

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)03-0043-05

作者簡(jiǎn)介：第一郝建秀，碩士研究生。研究方向：木塑復(fù)合材料。*通信作者：王偉宏，教授。研究方向：木材科學(xué)。E-mail：weihongwang2001@aliyun.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD32B04)

收稿日期：2015-09-28

引文格式：郝建秀，王偉宏.木塑復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用[J].森林工程，2016，32(3)：43-47.