環(huán)氧樹脂/木質(zhì)碎料復(fù)合材料力學(xué)性能

趙雙，瞿樹林，曹冰冰，程承，姚順忠*

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明 650224；2.貴州省水城公路管理局，貴州 六盤水 553000；3.云南工程職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，云南 安寧 650300)

木質(zhì)碎料復(fù)合材料是以廢舊木片和木屑為基體，復(fù)合其他增強(qiáng)材料或功能材料構(gòu)成的具有特殊微觀結(jié)構(gòu)和某些特定性能的復(fù)合材料[1-2]。該材料具有天然植物纖維和高分子聚合物的雙重性能，彌補(bǔ)了單一材料的缺陷，被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而學(xué)者對其認(rèn)識和研究也在逐漸推進(jìn)。目前國內(nèi)外對廢舊木材的利用研究主要集中在制成膠合板[3-4]、木塑復(fù)合材料[5-6]、實(shí)木制品[7-8]和再生建筑材料[9-10]等方面，但在將其作為道路鋪裝材料方面的深入研究相對較少。在日本，道路工作者利用木質(zhì)碎料(如廢舊木材或間伐材制成的木片、木屑)摻加天然砂等材料與膠凝材料按照一定的比例混合后，經(jīng)攤鋪、碾壓、養(yǎng)生等工藝制成新型道路鋪裝材料[11]。如利用水泥、石膏、石灰等無機(jī)類膠凝材料[12-14]和有機(jī)類膠凝材料(自制樹脂)[15]等作為木質(zhì)復(fù)合材料的膠凝材料進(jìn)行道路鋪裝，并測試其彈性、抗滑性能、滲透性、耐久性和耐火性等性能。這種木質(zhì)碎料道路鋪裝技術(shù)在拓寬廢舊木材循環(huán)利用的同時，也具有節(jié)約資源與提高生態(tài)效益的積極意義。近十幾年來，日本各企業(yè)及研究協(xié)會不斷推進(jìn)木質(zhì)碎料道路鋪裝的發(fā)展和應(yīng)用，相繼取得了一些實(shí)際工程成果，并在人行道、公園以及廣場等路面鋪裝方面得到廣泛應(yīng)用。

我國近幾年在廢棄木材循環(huán)利用方面也有初步研究，如利用不同配比的木屑制備水泥基木質(zhì)碎料復(fù)合材料并對其力學(xué)性能、熱物理性能進(jìn)行測試。研究結(jié)果表明，試件最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.78 MPa，最大劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.33 MPa，且具有顯著的“熱阻效應(yīng)”，作為道路鋪裝材料能夠緩解城市“熱島效應(yīng)”[16-17]。在工程應(yīng)用方面，我國也有相關(guān)研究報道，2013年首次報道在北京延慶聯(lián)絡(luò)線營城子收費(fèi)站出口附近完成了首條采用木質(zhì)碎料鋪裝的試驗(yàn)路面。

為了探究有機(jī)膠凝材料作用下的木質(zhì)碎料復(fù)合材料的力學(xué)性能，筆者以改性環(huán)氧樹脂為膠結(jié)材料、砂和木質(zhì)碎料作為骨料，利用平板振搗器，采用上振式成型方法制備了樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料，分析樹脂用量、木質(zhì)碎料用量以及砂類型對樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響，以期為樹脂基木質(zhì)碎料道路鋪裝材料的研究與推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1)木質(zhì)碎料：由云南新澤興人造板有限公司提供，堆積密度為0.29 g/cm3，天然含水率為8.6%，外觀呈纖維狀，長度最大18 mm，寬度最大4 mm，過0.075 mm方孔篩去除木粉。

2)膠結(jié)料：為市售常溫固化型低黏度改性環(huán)氧樹脂，外觀為無色至淺黃色，加德納色度≤2，密度1.06～1.10 g/mL，黏度500～700 mPa·s，環(huán)氧當(dāng)量195～215，具有很好的防腐性和反應(yīng)活性，分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)。

3)固化劑：本研究選用兩種固化劑，其中一種固化劑為低黏度的改性脂肪胺類固化劑(G1)，可用于各種環(huán)氧樹脂的固化，具有優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性能及快速固化能力；另一種為特種復(fù)合材料環(huán)氧樹脂固化劑(G2)，有良好的表面性能、中高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐腐蝕性等特性。G1、G2具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 固化劑技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of hardener

4)砂：為了對比砂種類和用量對木質(zhì)碎料復(fù)合材料的力學(xué)性能影響，本實(shí)驗(yàn)采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂和普通河砂，為控制河砂的最大粒徑和泥土含量，首先過0.6 mm方孔篩，然后再過0.075 mm方孔篩。

1.2 試件制備

由于國內(nèi)外尚無木質(zhì)碎料復(fù)合材料相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程，本研究參照國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)試驗(yàn)規(guī)程(GB/T 17671—1999)進(jìn)行樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料的抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)工作步驟如圖1所示。在成型前將水泥膠砂三聯(lián)試模擦拭干凈，緊密裝配，內(nèi)壁均勻涂刷一層脫模劑；然后將稱量好的砂與木質(zhì)碎料先用水泥膠砂攪拌機(jī)(云南科昆機(jī)械有限公司生產(chǎn)，型號JJ-5)低速攪拌30 s，待拌合均勻后，分別加入樹脂、固化劑高速攪拌30 s，停拌90 s，混合料拌和完成后；用勺子直接從攪拌鍋中取出混合料，裝入三聯(lián)試模中，保持3個試模中質(zhì)量一致，并略高出試模頂部約0.5 cm，再使用手提式平板振搗器振搗45 s；振搗完畢，沿試模長度方向以橫向鋸割動作慢慢向另一端移動，依次將超出試模的混合料刮去。再次抹平表面后，進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，脫模后進(jìn)行編號，待完全固化后取出進(jìn)行制件。

圖1 樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料制備和測試流程Fig.1 Flow chart for preparation and testing of the resin-based wood particle composites

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

為獲得砂類型以及組成材料之間的配合比對樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料基本力學(xué)影響規(guī)律，此次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和電動抗折試驗(yàn)機(jī)測試了膠集比[樹脂質(zhì)量/(木屑+砂)的總質(zhì)量]分別為0.20，0.25，0.30及木砂比(質(zhì)量比)為1∶1，1∶2，1∶3時各試件的抗折、抗壓強(qiáng)度。具體配合比(每個配合比取3個重復(fù)試樣)及試件毛體積密度、抗折(壓)強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。由于利用標(biāo)準(zhǔn)砂與河砂在同一配比下制備的木質(zhì)復(fù)合材料試件的毛體積密度偏差在5%以內(nèi)，因此不同類型的砂制備的試件密度對其強(qiáng)度的影響可忽略不計，僅考慮材料組成對試件強(qiáng)度的影響。將標(biāo)準(zhǔn)砂與河砂制備試件的抗折強(qiáng)度分別記為SF和RF、抗壓強(qiáng)度分別記為SC和RC，用于配料中膠集比、木砂比對試件抗折(壓)強(qiáng)度的影響分析。

表2 試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test mix ratio and test data

2 結(jié)果與分析

膠集比和木砂比是影響樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料的力學(xué)性能的主要參數(shù)。鑒于砂的種類和用量影響拌和料的和易性，筆者分別探討了在使用標(biāo)準(zhǔn)砂和普通河砂下膠集比、木砂比對力學(xué)性能(抗折、抗壓強(qiáng)度)的影響規(guī)律，試驗(yàn)測得各配合試件的抗折(壓)強(qiáng)度如圖2、3所示。

2.1 膠集比對抗折(壓)強(qiáng)度的影響

不同膠集比對樹脂基木質(zhì)碎料抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，在相同木砂比時，隨著膠集比的增加，樹脂基木質(zhì)碎料的抗折、抗壓強(qiáng)度也隨之增加。使用標(biāo)準(zhǔn)砂制備的試件，在木砂比為1∶1時，隨著膠集比的增加，與膠集比0.20相比較，膠集比0.25和0.30的抗折強(qiáng)度分別提高了35%和189%，抗壓強(qiáng)度分別提高了28%和78%；同理，在木砂比為1∶2和1∶3時，隨著膠集比的提高，抗折強(qiáng)度分別提高了63%，78%和74%，173%，抗壓強(qiáng)度分別提高了96%，106%和116%，179%。木砂比一定時，隨著膠集比的增加試件的平均抗折、抗壓強(qiáng)度均有大幅度提高。這是由于當(dāng)木砂比一定時，隨著膠集比的增大，即環(huán)氧樹脂用量增加，環(huán)氧樹脂對集料的有效包裹率提高，增強(qiáng)了環(huán)氧樹脂與集料之間的粘接力，試件強(qiáng)度提高。

圖2 膠集比對抗折、抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of binder-aggregate ratio on flexural and compressive strength

2.2 木砂比對抗折(壓)強(qiáng)度的影響

不同木砂比對樹脂基木質(zhì)碎料抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3結(jié)果可知，在膠集比一定時，隨著木質(zhì)碎料的減少，試件的抗折、抗壓強(qiáng)度不斷提高。使用標(biāo)準(zhǔn)砂制備的試件，在膠集比為0.20時，隨著木砂比的減小，與1∶1相比較，本砂比1∶2和1∶3的抗折強(qiáng)度分別提高了116%和153%，抗壓強(qiáng)度分別提高了117%和177%；同理，在膠集比為0.25和0.30時，抗折強(qiáng)度分別提高了162%，256%和33%，139%，抗壓強(qiáng)度分別提高了234%，367%和151%，332%。當(dāng)膠集比一定時，試件的平均抗折、抗壓強(qiáng)度隨著木砂比的減小而大幅增加。這是因?yàn)楫?dāng)膠集比一定時，木砂比增加使砂的數(shù)量增加而木質(zhì)碎料用量減少，由于砂的體積較小，導(dǎo)致同一質(zhì)量下需要包裹木質(zhì)碎料和砂表面的用膠量減少，環(huán)氧樹脂的量相對增加，即木質(zhì)碎料減少，樹脂量增加，導(dǎo)致強(qiáng)度越來越高，但強(qiáng)度增長速率變小。

圖3 木砂比對抗折、抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of wood sand ratio on flexural and compressive strength

2.3 砂類型對抗折(壓)強(qiáng)度的影響

隨著木質(zhì)碎料減少和樹脂含量的增加，使用標(biāo)準(zhǔn)砂的木質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度逐漸增加但增長速率變?。皇褂煤由暗哪举|(zhì)復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律與使用標(biāo)準(zhǔn)砂的具有相似性，但除膠集比為0.3、木砂比為1∶1外，其力學(xué)性能在各配合比下均大于使用標(biāo)準(zhǔn)砂的試件，抗折、抗壓強(qiáng)度分別平均增加在12%和22%左右。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，不同砂類型對試件的力學(xué)強(qiáng)度影響程度不同。這主要是由于河砂的顆粒粒徑較小，且顆粒之間空隙較小，表面光滑，摩阻力小，更易被壓實(shí)，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度要比采用標(biāo)準(zhǔn)砂制備的試件要高。

2.4 試件抗折(壓)強(qiáng)度的影響因素分析

從單因素的分析已經(jīng)可以分析樹脂用量、木質(zhì)碎料用量以及砂類型對樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，但是不能直觀地看出各因素之間的相互關(guān)系及主要影響因素。為此，根據(jù)樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果，采用擬水平法，選用L9(34)正交試驗(yàn)表，從膠集比、木砂比和砂類型3個方面入手，研究影響試件力學(xué)性能的主要因素。正交試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 抗折(壓)強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Calculation table of orthogonal test results of flexural strength(compressive strength)

各列中Si的大小用來衡量試驗(yàn)中相應(yīng)因素作用的大小:Si較大的因素，說明它的3個水平對強(qiáng)度所造成的差別大，通常是重要因素;而Si較小的因素，則往往是次要因素。由表3可知，抗折、抗壓強(qiáng)度下S木砂比>S膠集比>S砂類型，因此判斷木砂比摻入量是主要因素，而砂類型影響較小。對于砂類型的抗折(壓)強(qiáng)度的極差Si=0.13(0.32)極小，作為試驗(yàn)誤差的估計值。表中Ki(i=1,2,3)表示某個因素第i水平的所有抗折(壓)強(qiáng)度之和，i為影響因素的水平數(shù)。在木砂比、膠集比中K3>K2>K1，在砂類型中K2>K1，Ki越大說明該水平對抗折(壓)強(qiáng)度的影響越大，抗折(壓)強(qiáng)度越高。這表明對木砂比而言，1∶3優(yōu)于1∶2，1∶2優(yōu)于1∶1；對膠集比而言，0.3優(yōu)于0.25，0.25優(yōu)于0.2；對砂類型而言，河砂優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)砂。

綜上所述，樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料的力學(xué)性能主要影響因素為木砂比，次要影響因素為膠砂比，砂類型對其性能的影響較小。最優(yōu)配比是木砂比1∶3、膠集比0.3和河砂，其試件抗壓強(qiáng)度為5.74 MPa，抗折強(qiáng)度為17.16 MPa。

2.5 破壞形態(tài)及機(jī)理分析

在抗折試驗(yàn)中，隨著荷載增大，試件跨中部底面出現(xiàn)受拉開裂；荷載持續(xù)增加，裂縫逐漸變寬，試件一側(cè)翹起變形，當(dāng)荷載達(dá)到應(yīng)力峰值時，試件發(fā)生斜裂縫剪切破壞。這是由于環(huán)氧樹脂本身具有很好的抗拉特性，猶如微小的彈性體分布在混合料內(nèi)部，當(dāng)試件受到彎拉荷載作用時，木質(zhì)碎料與膠共同受力抵抗試件內(nèi)部微裂縫的形成和擴(kuò)展，先產(chǎn)生變形后再發(fā)生破壞的形態(tài)。試件的破壞均為拔出型破壞，如圖4所示。此類破壞主要是木質(zhì)碎料與環(huán)氧樹脂的界面黏結(jié)力不足，導(dǎo)致樹脂砂漿與木質(zhì)碎料被拉脫產(chǎn)生的破壞。

圖4 界面圖Fig.4 Interface diagram

3 結(jié) 論

1)采用不同類型砂制備的樹脂基復(fù)合材料均隨著木質(zhì)碎料減少和環(huán)氧樹脂含量的增加，力學(xué)強(qiáng)度逐漸增加但增長速率變小。采用河砂制備的試件的抗折、抗壓強(qiáng)度分別高于標(biāo)準(zhǔn)砂制備的12%和22%。

2)在木砂比一定的情況下，隨膠集比的增加試件的抗折、抗壓強(qiáng)度增加，且隨著樹脂用量的增加，強(qiáng)度增長率持續(xù)上升；而在膠集比一定的情況下，隨著木質(zhì)碎料的減少其力學(xué)性能也隨之大幅提高，但強(qiáng)度增長率減小。

3)由正交試驗(yàn)分析可知，影響樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料基本力學(xué)性能的主要因素為木質(zhì)碎料的用量，其次為樹脂用量，砂類型的影響較小。最優(yōu)配比是木砂比1∶3、膠集比0.3和河砂。其試件抗壓、折強(qiáng)度分別為5.74和17.16 MPa。

4)樹脂基木質(zhì)碎料復(fù)合材料的變形破壞形態(tài)表現(xiàn)為試件出現(xiàn)斜裂縫且一側(cè)翹起變形，此類破壞主要是由于木質(zhì)碎料與環(huán)氧樹脂間的界面黏結(jié)力不足，導(dǎo)致樹脂砂漿與木質(zhì)碎料被拉脫，產(chǎn)生拔出型破壞。