木塑復合材料在建筑模板中的應用

郝建秀，王偉宏

(東北林業大學 材料科學與工程學院 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

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木塑復合材料在建筑模板中的應用

郝建秀，王偉宏*

(東北林業大學 材料科學與工程學院 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

摘要：本文簡要分析了幾種主要建筑模板的使用現狀及存在的問題，介紹了木塑復合材料作為模板用材的獨特優勢。針對目前木塑復合材剛性和韌性不足的問題，總結了已有的改善方法，即增加厚度和添加無機剛性粒子、纖維等可以提高木塑復合模板的剛性，使用彈性體可以提高木塑復合模板的抗沖擊韌性；優化模板組合結構可以制備密度低綜合性能優異的木塑復合建筑模板。通過不斷完善木塑復合材料的性能，將使其在建筑模板領域得到更好的應用，對減少木材資源消耗具有重要作用。

關鍵詞：木塑復合材；建筑模板；應用；性能；改善

0引言

二十世紀九十年代以來，我國建筑結構體系有了很大的變化，現澆鋼筋混凝土結構在土木工程中所占比例越來越大[1]，高層、超高層的鋼筋混凝土建筑大量興起。現澆混凝土結構工程施工需要使用建筑模板，該建筑模板結構主要由面板、支撐結構和連接件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；支撐結構是臨時性結構，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構連接成整體。

建筑模板雖然是一種臨時性的支護結構，但必須按照設計要求來制作，以保證混凝土結構、構件按預計的位置、形狀和幾何尺寸成形，同時承受自重及外部荷載。施工中需要保證混凝土工程質量、施工進度和操作安全，因此對接觸混凝土的面板有較高要求。建筑模板面板應具有足夠強度以保證模板系統的承載能力；具有足夠的彈性模量以保證模板系統的整體剛度。此外，模板的面板應該表面平整光滑，盡量選擇輕質耐用材料，能夠多次循環使用而不損壞[2]。

木塑復合材料(簡稱WPC)是以各種木質纖維和熱塑性塑料為原料，通過熱加工制備得到的一類復合材料。WPC的制造原料來源非常廣泛，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，而且加工工藝簡單，制品使用后可回收再利用。WPC研究始于上世紀60年代，由于其環保、質輕高強等特征，自2000年以來在我國得到快速發展，應用范圍越來越廣泛。WPC的塑料基質通常為非極性的聚乙烯、聚丙烯以及低極性的聚氯乙烯等，在復合材制備時富集于表層，使復合材表面呈現惰性，不容易與混凝土粘連。如果能將木塑復合材料大量應于建筑模板行業，對緩解我國森林資源緊張和廢棄塑料污染環境的問題具有重要意義。本文對木塑復合材料在建筑模板中應用的潛力進行了分析。

1建筑模板簡介

目前，市場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膠合板和竹膠合板。這類模板幅面大，現場加工比較靈活，能夠滿足各種平面形式的混凝土澆注，且具有強重比高的優點，是國內外模板工程應用最廣泛的形式之一。但膠合板模板循環利用次數有限，據統計，我國用量最大的木膠合板周轉次數為1～3次的占75%，其中周轉3次的占23.5%，周轉2次的占41.7%，周轉一次的占9.8%[3]。膠合板模板利用次數太少且回收利用率低，對木材資源造成極大浪費，不適合我國森林資源匱乏的現況。

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，通過連接件組裝成各種形狀和尺寸，與傳統的木模板相比，其尺寸穩定性好，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題，如拼縫多，造成混凝土表面平整度差；自重大，搬運與裝卸不方便，在高層建筑中，需要借助塔吊來完成。此外，鋼模板制作工藝繁瑣，且鋼材生產時對周圍環境造成一定的污染，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，減少了施工時塔吊的使用量；且周轉次數多，平均成本低[5]。但鋁合金模板對安裝人員的技術水平要求較高，前期投入較大，只有在大型群體工程或超高層項目中才能體現出優勢；暫不適用于地下室、轉換層等非標準層及弧形梁板等[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，塑料行業得到迅速發展，人們開始用它來替代傳統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，便于搬運與安裝。廢舊的塑料可以回收利用，起到節約資源，減少能耗的積極作用[9]。但塑料模板的剛性不足，需要在施工中設立獨特的支撐系統或者進行多點支撐；另外，塑料模板的熱膨脹系數大，當溫差變化較大時會產生一定的熱變形，不利于工程質量的控制[10]。為此，制造過程中經常添加玻璃纖維進行增強，但細小纖維在生產制造、鋸割安裝及回收利用等環節都對操作人員的健康造成危害，不符合清潔生產的要求。

隨著社會的發展，建筑行業對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，如何采用復合與組合的手段利用低質原料制備出高性能用材，將是復合材料行業未來發展的重要方向之一。近年來，建筑模板用木塑復合材料的研究與利用已經開始受到重視。

2木塑復合材料作建筑模板的優勢

目前，木塑復合材料主要用于建材、家具、物流包裝等行業，如制造戶外步道板、園林建筑、托盤等產品。從性能方面來看，木塑復合材料具有質量輕、成本低、強度高和尺寸穩定性好等優勢。此外，木塑復合材料表面富集一層塑料基質，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勢。

傳統的竹、木膠合板模板通常可循環使用3～6次，之后即完全報廢[11-13]；而木塑復合建筑模板的循環使用次數可達20～30次[11-14]。按能夠周轉25次的中等質量進行計算，木塑復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。木塑復合模板的高周轉次數能夠有效地降低或避免因多次采購及運輸而產生的額外費用，并能加快施工進度。

綜合考慮環境、性能、成本以及工藝等因素，建筑模板用木塑復合材料具有以下優勢[14-18]：

(1)能夠緩解鋼材和木材等資源緊缺的現狀，具有良好社會經濟性，符合可持續發展戰略。

(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，價格低廉，且對環境有利。

(3)尺寸穩定性高，耐磨性好，多次使用后可保持表面平整。

(4)表面極性小，與混凝土構件粘接性差，易于脫模，達到清水模板的效果。

(5)不怕蟲蛀、耐腐蝕、吸水性小、不會吸濕變形，節省用工量。

(6)加工性能好，可多次鋸、刨和粘結，固定方便。

(7)比鋼模板質量輕，易于搬運和裝卸。

3建筑模板用木塑復合材料性能的改進

木塑復合建筑模板雖然具備諸多優點，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合建筑模板彎曲強度偏低，成本偏大，不符合企業的發展戰略；江蘇蘭蒂斯木業有限公司反饋，在聚丙烯基木塑復合材中采用高比例木粉填充可以降低成本，但模板韌性差，拆模時因人為或者意外使模板摔落在地上可導致木塑模板損毀，不但無法發揮木塑模板的優點，而且還增加了經濟成本。因此，為滿足建筑行業使用要求，還需要進一步提高木塑復合模板的強度、剛度和韌性。

3.1提高木塑復合建筑模板剛性的方法

提高木塑復合材模板的剛性一般可以采取增加模板厚度和添加無機剛性粒子的方法。見表1，增加木塑復合板材的厚度可以使它達到膠合板模板的抗彎彈性模量水平。盡管這樣會增加成本，但綜合考慮循環使用次數和可回收的剩余價值，木塑復合模板仍具較大優勢。

表1　與膠合板模板抗彎彈性模量相當的

添加無機剛性粒子也是木塑復合材常用的增強方式。木粉與PE在1∶1的情況下，添加10%的納米SiO2可使彎曲強度提高80%[20]；在PVC復合材料制備過程中，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復合材料的綜合性能有很大的改觀，但是對企業來說工藝復雜，成本較高。纖維的填充能夠提高塑料基質的剛性，而且對韌性也有所改善[23]。由于在擠出加工過程中纖維的添加會造成喂料困難、分散不均勻等問題，因此采用熱壓成型工藝會更好[24-25]。與擠出成型相比，熱壓成型的板材其強度和彈性模量等性能略低，但更適于制造大幅面板材。

3.2提高木塑復合建筑模板韌性的方法

木塑復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、使用偶聯劑改善填料與聚合物之間的界面相容性、優化填料性能與用量等。綜合考慮工藝以及成本等問題，塑料基質與彈性體共混的增韌方式最佳。不過彈性體作為增韌劑往往引起復合材的模量下降[26-28]，剛性不足導致模板支撐系統復雜化，需要多點支撐或者獨特的支撐系統，增加了施工難度和成本。因此，應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基礎上進行接枝改性，加入后可以降低塑料基質的結晶度，增加晶粒尺寸，改善塑料與木粉之間的界面結合，使基質的黏性特征明顯增加。當A669添加量為4%時，可使聚乙烯基木塑復合材的沖擊強度達到15kJ/m2(通常為10 kJ/m2左右)，抗彎彈性模量保持在4GPa，滿足國家木塑模板標準要求[29]，使得材料在增韌的同時具有優良的彈性模量。

無機粒子與增韌劑的復配使用也可以達到增強增韌的作用。李磊[30]采用無機剛性粒子滑石粉(Talc)、玻璃微珠(GB)及彈性塑體(EPDM-g-MAH)作為復配體系，用于增強尼龍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。三者通過互補協同作用，可以得到性能更加優異的增強材料。這個方法為提高木塑建筑模板性能提供了良好借鑒作用。

3.3降低木塑復合建筑模板密度的方法

木塑復合建筑模板從高空墜落時，比重偏大就會產生材料無法承受的重力勢能，導致損壞。因此降低密度對木塑復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泡或者形成空芯結構。化學發泡和物理發泡是常用的發泡原理，化學發泡是指在塑料發泡過程中，發泡劑自身發生化學變化，分解釋放出氣體(如CO2、N2或NH3)使聚合物發泡；物理發泡是指發泡劑自身不發生化學反應，只通過改變物理狀態來產生大量氣體，使塑料發泡。

研究結果顯示，對于PVC基木塑復合材，單獨使用AC發泡劑效果并不理想，當它與發泡助劑ZnO(質量分數為0.1%)配合使用時，復合材的力學性能和發泡效果均得到提高，密度可降低14%[31]。對于PE基木塑復合材，AC發泡劑的用量為20%時，復合材的沖擊強度達到最大值，發泡劑的含量為30%時，彎曲強度達到最大[32]。因此，合理的添加發泡劑不但可以降低復合材料密度，還可以提高復合材料性能。

3.4木塑復合建筑模板結構的優化

除上述材料本體性能改善方法外，對模板結構的設計也非常重要。其中，殼層結構能夠提供優良的綜合性能，可在整體密度降低的情況下大幅度提升材料的抗沖擊強度和剛性[33]。趙勁松介紹了一種夾層結構木塑復合板材[34-36]，中間層為發泡的木塑復合材，上下層為密實材料或添加增強材料。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將其與表層材料壓合到一起。以五層結構模板為例，具體工藝過程如下。

①將木粉、塑料、發泡劑及其他助劑混合均勻，投入芯層原料擠出機；②同時將外層料投入表層用擠出機，使之塑化；③兩種塑料熔體經T型共擠模具擠出，形成發泡中心層與外層材料共同組成的復合材；④之后在復合體表面覆蓋上表層材料，導入帶狀熱壓機裝置，將復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，板材抗彎模量達到6GPa，抗彎強度為20MPa。

目前，常用的木材膠合板模板表面都覆有酚醛樹脂浸漬紙，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，應該選用優質原木旋切單板，在我國木材資源日益缺乏的情況下這種膠合板模板的生產成本越來越高。在使用中，表層浸漬紙容易破損，導致周轉次數下降，浪費了木材資源。

通過調整模板結構可以創造出新型建筑模板面板，例如將傳統膠合板作為芯層，塑料片材作為表層(即木模覆塑建筑模板)，二者層積復合使用則可以起到優勢互補的作用。這種結構利用了膠合板基材的力學性能和低密度，由其來承受荷載，抵抗沖擊；表層的塑料片材起到保護基材的作用，提高了模板的使用次數。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、鈣粉等作為增強體。這種新型木塑復合模板可設計性強，使建筑施工質量和效率得到明顯提高；循環使用次數可達到50次以上，大幅度節約了建筑成本，目前已在施工中得到應用。

4結束語

木塑復合材料具備良好的環保性能和物理力學性能，它的推廣使用可以緩解優質木材資源的耗用量，對保護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，木塑復合材料具有獨特的性能優勢。隨著性能研究的不斷深入和加工技術的不斷進步，木塑復合材料的強度、剛度、韌性和密度將進一步得到完善，綜合性能更加優異，能夠很好地滿足施工技術要求。在國家大力提倡節約使用木材的形式下，木塑復合材料將會越來越多地應用到建筑模板領域中，具有良好的市場發展潛力。

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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：S 781；TU 755

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)03-0043-05

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

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAD32B04)

收稿日期：2015-09-28

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