宋晨晓 孙鲁帅

中交一公局土木工程建筑研究院有限公司

1 前言

改革开放以来，随着我国国民经济的发展，人民生活水平的提高，全国各地的建筑、交通、水利等领域都进入了快速建设的新时期。中国就像一个巨大的建筑工地，对混凝土模板的需求量越来越大，为此对森林进行大量砍伐，用于生产混凝土模板，结果造成了木材的砍伐量远超过森林的生长量，导致森林大面积减少以及严重的水土流失，同时容易引发泥石流、山体滑坡、洪涝等自然灾害[1]。

近年来，随着我国政府及人民群众逐步对环保问题认识的加深，国家开始加倍重视森林资源的循环利用与环境的可持续发展；从实际情况出发，制定出相应的政策与法律来限制乱砍滥伐行为，这些措施的实施虽然在一定程度上阻止了森林的大面积减少，却仍未能从根本上解决经济建设与环境保护的矛盾。据2017年全国范围内统计，我国全年用于建筑工程的模板数量已达5.85亿平方米，而其中木胶合板模板的使用量达到了3亿平方米。经粗略测算，为生产这些木模板，每年需砍掉1600万棵直径为30厘米的树木，约合森林面积1万公顷；因此，从保护环境、维护生态平衡和国家发展的长远利益看，研制新型的绿色环保混凝土模板材料是十分必要的。

2 关键技术及创新点

（1）以锯末为填充材料，竹条为增强筋，无机胶凝材料采用硫铝酸盐水泥，研制出能够达到木模板相关性能指标的水泥基新型模板。

（2）在模板材料的内部结构上，根据钢筋在混凝土楼板里的受力原理，把竹条作为“增强筋”用在水泥基复合材料制作的混凝土模板里，来提高模板材料的静曲强度。

（3）在模板材料内部加入竹筋的基础上，采用环氧树脂、细砂对竹筋进行表面预处理，增强竹筋与水泥基体材料间的握裹力，来进一步提高混凝土模板材料的静曲强度。

3 试验原材料

（1）锯末：制作混凝土模板的填充材料，主要是由纤维素、半纤维素、木素，还有其它次要成分，如树脂、色素、单糖、淀粉等组分构成。

（2）竹条：作为混凝土模板材料中的增强筋使用，密度一般为0.60±0.15g/cm3左右，竹材的平均抗拉强度为200MPa。

（3）硫铝酸盐水泥：河北唐山特种水泥有限公司生产的SAC·525硫铝酸盐水泥。

（4）其它材料：氢氧化钠、环氧树脂、固化剂、砂、水。

4 混凝土模板的制作

4.1 设计思路

（1）试验水灰比、木灰比等方面的因素，对混凝土模板材料各项性能指标产生的影响，确定合适的水灰比、木灰比。

（2）试验原材料预处理方式对混凝土模板材料性能指标的影响；主要包括用碱溶液预处理锯末，来提高其与胶凝材料的结合；以及用环氧树脂、细砂预处理竹筋，增强其与水泥基材的握裹力。

4.2 锯末预处理方法

由于锯末主要成分中的半纤维素大部分为异多糖类物质，这些单糖类物质在水泥的碱性介质中，转化成为糖酸，与水泥的水化产物中的钙离子生成糖酸钙，包裹在水泥颗粒周围，阻碍水泥的凝结与硬化，致使胶凝材料的凝固速度缓慢，强度降低，有时甚至不凝固。因此，将锯末在浓度为1%～10%的NaOH碱溶液里浸泡进行预处理。

4.3 竹筋预处理方法

（1）将试验用的竹筋进行简单的尺寸加工，使其长度与自制模具的长度相适应。（2）将环氧树脂和专用固化剂按照3:1 的比例在容器中进行搅拌配制。（3）将配制的环氧树脂涂覆在竹筋上，再撒些细砂，使其表面粘胶的部位变的更粗糙，以增强竹筋与胶凝材料的粘结强度及握裹力。

4.4 混凝土模板成型

参考关于植物纤维（麦秸、麻杆、玉米杆等）增强水泥板的生产制造工艺以及结合本材料的实际情况，制定了物料称量、混合搅拌、压制成型、静置恒压、拆模养护等流程制作混凝土模板。

5 混凝土模板制作影响因素的研究

混凝土模板的制作主要从水灰比、木灰比、锯末预处理、竹筋预处理等方面来进行试验研究，探讨这些因素对混凝土模板性能影响的规律，确定出各种材料的适合配比。

5.1 水灰比对混凝土模板材料性能影响

表1 水灰比对混凝土模板材料性能的影响

水灰比是影响混凝土模板材料性能的主要因素之一。试验是在木灰比为0.30，改变水灰比来研究用水量与水泥质量比值的变化对混凝土模板静曲强度、吸水率、握钉力等性能影响的规律，从表中数据的变化规律可知，随着水灰比的增大，模板材料的静曲强度、握钉力均呈先增大后减小趋势，而吸水率则呈先减小后增大的趋势；这主要由于水灰比为0.35 时的用水量不足以使拌合料中水泥完全水化，此时拌合料中水化产物的胶结能力较低；致使模板材料的静曲强度、握钉力偏低，吸水率增大。当水灰比增大到0.45时，拌合料的和易性得到改善，水泥得到充分水化反应，故静曲强度、握钉力提高，吸水率减小；但是，当水灰比继续增大后，混凝土模板材料的静曲强度、握钉力呈降低，吸水率增大；因此，确定出其适合水灰比为0.45。

5.2 木灰比对混凝土模板材料性能影响

表2 木灰比对混凝土模板材料性能的影响

木灰比是模板组成材料中影响混凝土模板材料性能的另一重要因素，在试验过程中保持水灰比为0.45，通过改变木灰比来研究锯末与水泥质量比值变化对混凝土模板材料性能影响的规律；由试验可知随着木灰比的增加，除吸水率升高外，模板材料的静曲强度、握钉力均降低；这主要是因为当锯末与水泥比例适中时，胶凝材料能够对锯末进行胶结，使锯末在基体内部形成插接结构，能有效地分散和传递应力，有利于基体强度的形成；当木灰比大于0.30以后，随着木灰比的增加，锯末与水泥石基体的界面面积增大，单位面积上水泥的胶凝作用减小，而且原有的胶凝材料也不足以包裹锯末，最终导致界面的结合强度下降，使模板材料的静曲强度、握钉力降低，吸水率增大。从其各项性能的变化趋势，确定出适合的木灰比为0.30。

5.3 预处理锯末对混凝土模板性能的影响

表3 预处理锯末对混凝土模板材料性能的影响

从表中可看出，采用碱溶液浸泡处理锯末制备的混凝土模板静曲强度、握钉力等性能均明显高于未处理锯末制备的混凝土模板，而且吸水率也明显好于未处理锯末制备的混凝土模板。其混凝土模板的静曲强度提高了22.5%，握钉力提高了10.5%，吸水率降低了9.3%。由此可得出，锯末经碱溶液处理后对模板的各项性能都有显著的影响。

5.4 预处理竹筋对混凝土模板静曲强度影响

表4 预处理竹筋对混凝土模板材料静曲强度的影响

由试验结果可知，竹筋的表面经过预处理后混凝土模板材料的静曲强度提高了15.2%。由于竹筋表面进行预处理后，改善其界面性能，增加了与水泥基材的握裹力，从而在受力时有效的起到应力传递作用。由此可见，竹筋的表面预处理可以提高静曲强度。

5.5 防火性能试验

混凝土模板材料的防火性能试验测试见图1。

图1 防火性能试验测试图

从图1可以看出，普通木模板在电炉上加热到15min时就开始出现冒烟现象，到20min时就开始燃烧，而新研制的模板丝毫没有燃烧的迹象，为了检验研制的模板是否能燃烧，继续加热到1.5h，如图1 所示，除了模板材料内部的竹筋在高温加热下被水泥基材传递的热量烧糊外，没有其它燃烧痕迹，但能看到模板材料的外表面随着加热时间的延长颜色逐渐加深。

6 结论

（1）通过以上分析水灰比、木灰比等因素对混凝土模板静曲强度、吸水率、握钉力等性能影响规律的变化趋势，确定生产混凝土模板材料较为合适的配合比：水灰比为0.45、木灰比为0.30。

（2）碱溶液浸泡预处理使锯末里的半纤维素及其对水泥的有害的糖类成分大量溶解析出，减弱其对水泥固化性能的影响，同时在碱性环境下，锯末的表面受到不同程度腐蚀形成大量的缺陷，表面变得比较粗糙，增强了锯末与水泥基材料的结合强度，使其静曲强度、握钉力、吸水率等性能均得以改善。

（3）通过预处理竹筋，一方面环氧树脂改善与混凝土模板基材粘接能力，另一方面细砂的加入能够增加其表面粗糙度进一步增强竹筋的握裹力；说明预处过竹筋与基材之间形成了良好的界面粘接强度以及良好的握裹能力，可以显著地增强模板材料的力学性能。

（4）通过采用以锯末为填充材料，竹条为增强筋，硫铝酸盐水泥为胶凝材料，研制出新型水泥基模板材料在防火性能方面能够完全满足防火的要求。