本发明涉及硅酸盐板材技术领域。更具体地，涉及一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材及其制备方法和应用。
背景技术：
随着人居与休闲环境的不断改善，小区或旅游景点里，修建了越来越多的栈道，需要用到大量的栈道板。
漫步在公园的木栈道上，欣赏园林景观，是不少市民喜爱的休闲方式。现在的木栈道以及木塑栈道，采用的板材主要为防腐木和木塑以及少量竹栈道，存在许多先天不足，如使用寿命短，且易受虫蛀，易腐烂，不防火，还要大量耗费宝贵的森林资源，不利于环境保护。铺设防火、防腐、防潮性能好的纤维硅酸盐栈道板既坚固耐用，又绿色环保，也十分美观。经过实际调查，目前的栈道用板主要是木质栈道板和木塑复合栈道板以及少量竹栈道。木和塑本质均不适合户外使用，所以一般情况下，木栈道板需要经过防腐处理，才能保证使用；作为木塑复合产品的木塑栈道板，也需要先进的复合技术，才能使其户外适用性能超过天然木材。即便如此，由于先天的原因，木栈道板和木塑栈道板的使用期限都不长，一般5年左右需做一次大的维护，某些低品质的产品甚至在2年之内就会出现问题。资料介绍，仅福州市区，近几年，每年对栈道的维护费用均在2000万元以上。
硅酸盐材质轻质板材由于其良好的气候稳定性，且防腐防蛀，很适合户外使用。目前市场上没见到硅酸盐板材用于户外栈道的报道，纤维硅酸盐栈道板作为栈道板使用时需要解决一些技术问题，主要表现在：1)硅酸盐轻质板材是一种脆性材料，抗冲击性能差，当人在栈道上面跑跳时易发生脆断，存在使用安全风险，这种风险虽然可以通过系统的配合降低，但增加了系统造价；2)硅酸盐轻质板材的表观自然质感远不如木质板，在目前很多追求高自然属性的景光栈道中很难被接受。
采用流浆法或抄取法生产的硅酸盐板材抗折强度高，但由于其是多层叠合结构，在有冻融的环境使用时易出现层间结构破坏。
因此，本发明提供了一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，具有较高抗冲击性并且表面有天然木质感的轻质高强板材，板材可以通过严格的户外使用环境耐久性能测试，适合各种栈道的使用。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材。传统的采用木质栈道板和木塑复合栈道板的栈道使用期限短，硅酸盐材料具有更好的耐候性能，但是硅酸盐轻质板材抗冲击性能较低，易发生脆断。本发明的纤维增强硅酸盐板材是具有较高抗冲击性的轻质高强板材，可以通过严格的户外使用环境耐久性能测试，适合各种栈道的使用。同时，板材表面形成天然木纹，板材通体颜色或表面颜色也可以调成各种木材的颜色，板材的密度与天然木也基本在一个等级，用其制造的栈道自然感很好。
本发明的另一个目的在于提供一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材的制备方法。流浆法和抄取法生产的厚板层间结合差，板材抗冻性差，本发明通过配方设计、工艺改善及设备调整，实现了带有木纹的20mm～40mm纤维增强硅酸盐板材的生产，这种板材有优良的物理力学性能，可以作为户外栈道板使用。
本发明的第三个目的在于提供一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材的应用。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，包括如下质量百分比的原料：
优选地，所述纤维增强硅酸盐板材包括如下质量百分比的原料：
本发明使用硅酸盐水泥作为主材，复合微硅粉、偏高岭土、硅灰石改性；使用PVA纤维和木浆纤维作为增强材料；浆料制造过程使用膨润土作为悬浮分散剂。本发明所设计的配方，用高弹性模量的PVA纤维和高帚化度的木纤维复合作为增强纤维，保证了板材的高抗折强度和高抗冲击性能；用微硅粉、偏高岭土、硅灰石复合作为硅酸盐水泥的改性材料，保证了板材的在湿度和温度变化下的尺寸稳定性。
优选地，所述纤维增强硅酸盐板材还包括1％～5％的无机颜料。为使板材有各种的通体颜色效果，在配方中可以另外加入各种颜色的无机颜料。
优选地，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级42.5以上。
优选地，所述微硅粉的比表面积为15m2/g以上。
优选地，所述偏高岭土的活性指数为100以上。
优选地，所述硅灰石为针状硅灰石，粒径40目～100目。
优选地，所述PVA纤维的长度为5mm～8mm，纤度为2.0±0.25dtex，强度为11.5CN/dtex以上，模量为280CN/dtex以上，90℃热水减量1％以下。
优选地，所述木浆纤维为针叶木浆纤维，充分帚化后(符GB/T22836帚化度3级)使用。
优选地，所述膨润土的膨胀容为35ml/g以上。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材的制备方法，采用流浆法或抄取法制造，包括如下步骤：
1)将木浆板进行碎浆、磨浆后制备成纸浆备用；将膨润土和微硅粉乳化后备用；
2)各材料按比例进行混合后，加水搅拌并控制合适浓度，通过流浆或抄取形成薄料层，再通过成型筒将各薄料层叠合，一次形成整体板坯；在成型筒多层叠合过程中，各层间均匀持续喷注聚丙烯酰胺溶液；
3)形成板坯后，用带有天然木纹的模板通过平压工艺，使产品结构进一步平衡，并形成表面木纹；
4)平压完成后，进行脱模养护，使用自然养护工艺，养护7天后可以进行后道加工，切割成不同尺寸的板材，最后将获得的板材包装入库。本发明使用自然养护工艺，在养护环节不耗能。由于各材料的复合改性效果，产品的湿膨胀系数可以维持在低的水平。由于采用自然养护工艺，不耐压蒸的PVA纤维可以被使用，从而使产品的抗折强度和抗冲击性能大幅提高。
优选地，步骤1)中膨润土以10％浓度在乳化机乳化1h后使用，微硅粉以30％浓度在乳化机乳化1h后使用。
优选地，步骤2)中所述浓度为10％～30％，根据不同生产线可取不同值；
优选地，步骤2)中所述薄料层厚度为1.0mm～1.5mm；所述板坯厚度为20mm～40mm；
优选地，步骤2)中所述聚丙烯酰胺溶液为阴离子型，分子量为600万～1800万，浓度0.1％，喷注量为料层干料重量的200ppm～600ppm；在小料层经成型筒多层叠合过程中，各层间均匀持续喷注聚丙烯酰胺溶液，能充分保证成型筒叠合过程层间的脱水顺畅，并提高层间界面强度，使成型筒一次叠合成超过20mm厚度板坯的难度大幅降低，并能确保最终产品的抗冻融性能。
优选地，所述纤维增强硅酸盐板材制备采用的设备包括木浆纤维碎浆机，木浆纤维磨浆机，微硅粉/膨润土乳化机，料浆搅拌机，制板机，喷浆机，压机，切割机，开槽机和倒角机；所述制板机为流浆制板机或抄取制板机。
本发明获得的纤维增强硅酸盐板材的物理力学性能如下：
表观密度：1.25～1.65g/cm3，
湿涨率：≤0.35％，
饱水抗折强度：≥18MPa，
抗冲击强度：≥8J/m2，
握螺钉力：≥1000N，
弯曲弹性模量：≥8000MPa，
落锤冲击：不出现贯穿裂纹，
燃烧性能：符合GB8624，A1级，
抗冻性：100次循环判定合格，
耐热雨性能：100次循环判定合格，
耐热水性能：100天浸泡判定合格，
耐干湿性能：100次循环判定合格，
放射性：Ira≤1.0，Iγ≤1.0，
产品的外观：表面带有天然木纹，板材通体或表面有各种仿木颜色。
为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材在室外景观的地面铺装领域的应用，所述室外景观包括廊亭、栈桥、临水平台、湿地公园栈道、海边栈道和园林建筑小品。本发明的纤维增强硅酸盐板材，表面仿木纹具有乡村原木风味，可取代天然原木。
本发明的板材厚度为20mm～40mm，规格各制造工厂可自行设计或可根据各工程特点切割成相应的需求尺寸，具体如下：
产品规格：宽度、长度、厚度分别为100～300mm、2000～3000mm、25～40mm，
常用规格：150×3000mm、200×3000mm、250×3000mm、300×3000mm、200×1200mm、200×2400mm，
误差：长度、宽度：+/-3.0mm厚度：+/-0.5mm
产品性能：绿色环保，100％不含石棉，可节约大量木材；表面美观平整，纹理图案采用木纹模板压制，可做成通体色，颜色多样，有本色、胡桃木色、榉木色等；低收缩率、坚固耐用，韧性好、耐磨；防白蚁、防潮防腐、耐候性好；尺寸稳定性好，施工简便；防火性能优异。
本发明的有益效果如下：
1)本发明是一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，完全取代防腐木栈道-木塑板栈道-竹栈道，是第4代产品，首次实现将纤维增强硅酸盐板材应用于户外栈道。这种板材使用期限长，人居环境下板材力学性能和结构可以保持长久的稳定或朝正面发展，使用期限仅依赖于所配合的系统的使用期限。所以使用这种板材制造栈道可以延长栈道使用期限至20年以上，解决了木栈道或木塑栈道使用期限短，维护费用高的问题。
2)本发明所设计的配方，用高弹性模量的PVA纤维和高帚化度的木纤维复合作为增强纤维，保证了板材的高抗折强度和高抗冲击性能；用微硅粉、偏高岭土、硅灰石复合作为硅酸盐水泥的改性材料，保证了板材的在湿度和温度变化下的尺寸稳定性。
3)在小料层经成型筒多层叠合过程中，各层间均匀持续喷注聚丙烯酰胺溶液，能充分保证成型筒叠合过程层间的脱水顺畅，并提高层间界面强度，使成型筒一次叠合成超过20mm厚度板坯的难度大幅降低，并能确保最终产品的抗冻融性能。
4)纤维增强硅酸盐栈道板表面带有天然的木纹，并可以根据需求将板材通体或表面处理成各种仿木颜色，板材的密度与天然木也基本在一个等级，所以板材自然质感很强，适合包括城市景观栈道等场合的使用。
5)纤维增强硅酸盐栈道板物理力学性能优良，且易加工与安装。在通用的栈道使用中，可以基本保持和防腐木一致的系统构造，不会增加额外的系统费用。一般情况，通用的栈道系统，使用硅酸盐栈道板总造价会比使用防腐木的低。比如使用25mm～30mm的硅酸盐栈道板制造的景观栈道，和使用40mm防腐木的系统性能相近，但综合造价前者仅为后者的70％，加上后期维护费用的优势，从成本考虑，纤维增强硅酸盐栈道板也是木栈道的很好代替品。属于新一代的户外防腐栈道。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1中用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材的生产工艺流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，其生产工艺流程如图1所示，包括如下步骤：
1)将木浆板进行碎浆、磨浆后制备成纸浆备用；将膨润土以10％浓度在乳化机乳化1h后备用，微硅粉以30％浓度在乳化机乳化1h后备用；
2)各材料按比例进行混合后，加水搅拌并控制浓度为10％，通过流浆形成厚度为1.0mm的薄料层，再通过成型筒将各薄料层叠合，一次形成厚度为20mm的整体板坯；在成型筒多层叠合过程中，各层间均匀持续喷注聚丙烯酰胺溶液，喷注量为料层干料重量的200ppm；
其中原料的质量百分比为：
3)形成板坯后，用带有天然木纹的模板通过平压工艺，使产品结构进一步平衡，并形成表面木纹；
4)平压完成后，进行脱模养护，使用自然养护工艺，养护7天后可以进行后道加工，切割成不同尺寸的板材，最后将获得的板材包装入库。
上述步骤中采用的设备包括木浆纤维碎浆机，木浆纤维磨浆机，微硅粉/膨润土乳化机，料浆搅拌机，流浆制板机，喷浆机，压机，切割机，开槽机和倒角机。
实施例2
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
步骤2)中加水搅拌后的浓度为30％，采用抄取制板，薄料层的厚度为1.5mm，板坯厚度为40mm，聚丙烯酰胺溶液喷注量为料层干料重量的600ppm；
采用的制板机为抄取制板机。
实施例3
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
步骤2)中加水搅拌后的浓度为20％，薄料层的厚度为1.2mm，板坯厚度为30mm，聚丙烯酰胺溶液喷注量为料层干料重量的400ppm。
实施例4
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
原料的质量百分比为：
实施例5
一种用于户外栈道的纤维增强硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
原料的质量百分比为：
对比例1
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
步骤2)中不喷注聚丙烯酰胺溶液。
结果造成板材一次成型到目的厚度(20mm以上)出现困难。
对比例2
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
采用的原料中使用玻璃纤维代替PVA纤维。
对比例3
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
采用的原料中使用草浆纤维代替木浆纤维。
对比例4
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
采用的原料中使用石英砂代替微硅粉。
对比例5
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
采用的原料中使用石英砂代替偏高岭土。
对比例6
一种硅酸盐板材，制备步骤同实施例1，不同之处在于：
采用的原料中使用石英砂代替硅灰石。
实施例6
对制备得到的硅酸盐板材进行测试，得到物理力学性能如下表：
表1硅酸盐板材性能参数
可从该表得知，本发明实施例1中采用的原料配比最合适，对比例1中由于没有喷注聚丙烯酰胺溶液，使得一次成型到目的厚度(20mm以上)出现困难，对比例2和对比例3中由于没有使用高弹性模量的PVA纤维和高帚化度的木纤维，导致板材力学性能无法达到要求，对比例4～对比例6由于没有使用微硅粉、偏高岭土、硅灰石复合，导致板材湿涨率或抗冻性无法达到要求。
结论：本发明中高弹性模量的PVA纤维和高帚化度的木纤维复合保证了板材的高抗折强度和高抗冲击性能；微硅粉、偏高岭土、硅灰石复合保证了板材的在湿度和温度变化下的尺寸稳定性；聚丙烯酰胺溶液，能充分保证成型筒叠合过程层间的脱水顺畅，并提高层间界面强度；各个原料配方之间相互配合，协同作用，使其硅酸盐板材的作用效果最优，缺少或者改变任一原料，都会使得得到的硅酸盐板材的性能在某些方面有不同程度的减弱。本发明通过配方设计、工艺改善及设备调整实现了带有木纹的20mm～40mm纤维增强硅酸盐板材的生产，这种板材有优良的物理力学性能，可以作为户外栈道板使用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。