鹽分對(duì)CFRP加固膠合木順紋抗剪強(qiáng)度的影響

闕澤利, 滕啟城, 王菲彬, 趙 丹, 馬承軒

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210037)

?

鹽分對(duì)CFRP加固膠合木順紋抗剪強(qiáng)度的影響

闕澤利1, 滕啟城1, 王菲彬2, 趙 丹1, 馬承軒1

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210037)

結(jié)果表明：橫紋粘貼CFRP加固膠合木的抗剪強(qiáng)度較順紋粘貼方式高；3種濃度的鹽溶液處理橫紋粘貼CFRP加固試件均降低了試件的抗剪強(qiáng)度；4%溶液處理的試件順紋抗剪強(qiáng)度最大;相同濃度的鹽環(huán)境處理?xiàng)l件下，隨著周期的延長(zhǎng)，試件的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.

膠合木; CFRP; 加固; 鹽分; 順紋剪切

木結(jié)構(gòu)建筑是我國(guó)古代建筑的主要形式，這些古建筑特別是宮殿、寺廟、園林建筑等通常具有很高的歷史文化價(jià)值[1].但木材本身存在蠕變性較大、易老化開裂、耐久性差等缺陷，且木結(jié)構(gòu)建筑遇臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害時(shí)易受破壞，因此，木結(jié)構(gòu)需要定期進(jìn)行修復(fù)[2]與加固.用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fibre reinforced polymer, CFRP)加固建筑是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種建筑外部補(bǔ)強(qiáng)加固新技術(shù)[3].

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)CFRP加固木結(jié)構(gòu)的抗剪性能和耐腐蝕性能進(jìn)行了一些研究.研究表明，CFRP在各種環(huán)境條件下有良好的耐腐蝕性，也有較好的耐疲勞性能[4,5].Triantaflllou[6]進(jìn)行了粘貼CFRP布加固小木梁受剪承載力的試驗(yàn)，研究表明，粘貼CFRP布后木梁受到的剪承載力提高了4.8%-42.8%.Hay et al[7]研究了GFRP布加固木梁受剪承載力的效果，GFRP布斜向粘貼時(shí)受剪承載力提高了34.1%，而豎向粘貼時(shí)受剪承載力僅提高16.4%.Johns[8]進(jìn)行了一系列碳纖維和玻璃纖維加固木梁的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度比未加固的木梁提高了40%-70%.國(guó)內(nèi)許多學(xué)者研究了CFRP加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗壓等諸多力學(xué)性能和耐久性能[9-14].闕澤利等[15]研究了鹽溶液對(duì)木結(jié)構(gòu)規(guī)格材握釘力的影響.

CFRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、易裁剪、施工性好、節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用到許多建筑特別是古建筑的修復(fù)[16]，還可以用于提高材料的強(qiáng)重比，增強(qiáng)材料的性能，近年來(lái)在木結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了一定的研究和應(yīng)用.隨著中國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的興起[17]，在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)涌現(xiàn)出許多私人別墅、旅游度假景區(qū)和休閑會(huì)所等現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑.但我國(guó)南部沿海地區(qū)高溫高濕高鹽的氣候特點(diǎn)，對(duì)木構(gòu)件的壽命有一定的影響.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CFRP加固木結(jié)構(gòu)的研究基本都是針對(duì)單一的抗剪性能或耐腐蝕性能，對(duì)高溫高濕高鹽[18]環(huán)境下木結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究剛剛開始.對(duì)CFRP加固膠合木結(jié)構(gòu)的研究也鮮有報(bào)道.而抗剪強(qiáng)度作為膠合木的主要性能指標(biāo)，綜合考慮實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性等方面，本文重點(diǎn)研究鹽溶液對(duì)木結(jié)構(gòu)中CFRP加固膠合木構(gòu)件的順紋抗剪強(qiáng)度的影響.

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用膠合木為一等云杉膠合木，有部分活節(jié)，其順紋抗拉強(qiáng)度為77.36 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為36.03 MPa，彈性模量為10.82 GPa，平均氣干密度為0.46 g·cm-3，平均含水率為13.5%.

試驗(yàn)選用西科牌碳纖維布(300 g·m-2,厚度0.167 mm)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4195.3 MPa，受拉彈性模量為263.5 GPa,伸長(zhǎng)率為1.7%.膠黏劑選用雙組份環(huán)氧樹脂型膠(碳纖維浸漬膠)，體積混合比為2∶1，浸漬膠膠體抗拉強(qiáng)度為55.5 MPa，受拉彈性模量為2640.4 MPa,抗彎強(qiáng)度為52.5 MPa，伸長(zhǎng)率為3.4%.粘貼碳纖維片材固化后的基本性能：抗拉強(qiáng)度3.6×104MPa，彈性模量2.4×105MPa，伸長(zhǎng)率1.7%.碳纖維布與碳纖維浸漬膠均購(gòu)自南京曼卡特科技有限公司.

1.2 樣品制備

[19-20]的相關(guān)規(guī)定，挑選無(wú)明顯缺陷的膠合木加工試件，如圖1(1)所示，剪切面為50 mm×35 mm.CFRP粘貼加固試件的具體做法如下：按體積比2∶1混合適量的雙組份環(huán)氧樹脂型膠，攪拌均勻；分別按35 mm×85 mm和85 mm×35 mm裁剪CFRP布；在試件T形面中部涂布250 g·m-2的膠黏劑后粘貼CFRP布，并用刮刀趕跑接觸面內(nèi)的氣泡，使CFRP緊貼表面，同時(shí)在CFRP表面再次涂布250 g·m-2膠液使之完全被浸潤(rùn).施膠完畢后在表面覆蓋一層PVC薄膜，均勻施加0.3 MPa壓力，在另一側(cè)表面重復(fù)以上操作.室溫條件下養(yǎng)護(hù)48 h，固化后修整表面至平整.

圖1 試件尺寸(單位為毫米)及特征

鹽度/%海鹽量/kg純凈水/L2.00.10254.00.20856.00.3195

高鹽環(huán)境模擬溶液分別設(shè)置2%、4%、6%3個(gè)濃度梯度.配置成分比例見表1.

將相同數(shù)量、種類的試件分別置于不同濃度的高鹽環(huán)境中進(jìn)行處理，確保試件被模擬溶液充分浸沒，且不接觸水槽壁；浸泡2 d、晾曬1 d為1個(gè)循環(huán)，每2個(gè)循環(huán)為1個(gè)周期，每組濃度測(cè)試5個(gè)試件.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)分為CFRP粘貼方式比較階段(第1階段)和鹽溶液處理階段(第2階段).第1階段驗(yàn)證試驗(yàn)分3組試件：分別為未粘貼CFRP試件、順紋粘貼CFRP試件和橫紋粘貼CFRP試件，每組8個(gè)試件.通過驗(yàn)證試驗(yàn)研究各種CFRP粘貼方式對(duì)增強(qiáng)試件抗剪強(qiáng)度的有效性.鹽溶液處理試驗(yàn)采用驗(yàn)證試驗(yàn)中最佳CFRP粘貼方式制作試件，3種鹽溶液濃度，每組25個(gè)試件.研究不同鹽度處理和不同處理時(shí)間對(duì)CFRP加固膠合木抗剪強(qiáng)度的影響.

1.4 試件順紋抗剪強(qiáng)度的測(cè)試

萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(最大負(fù)荷為100 kN)購(gòu)自深圳三思縱橫科技股份公司.參照文獻(xiàn)[21]中的方法，試件置于剪切夾具后，使加載的作用線與構(gòu)件上端面的中心對(duì)齊，以保證試件承受軸向壓力.然后調(diào)整加載裝置，使其恰好接觸到試件上表面，在此階段對(duì)試件并無(wú)荷載.試驗(yàn)時(shí)，以5 mm·min-1速度均勻加載，在1-2 min內(nèi)將試件沿著膠層剪斷.記錄最大荷載，精確至0.01 N.試件的最大剪切應(yīng)力按照式(1)計(jì)算，精確至0.01 MPa.

τ=Pmax/bL

式中：τ為試件的最大剪切應(yīng)力；Pmax為最大荷載；b為試件寬度；L為試件受剪面長(zhǎng)度.

2 結(jié)果與分析

2.1 試件的破壞過程及形態(tài)

從圖2可以看出：初始施加荷載時(shí)應(yīng)變變化較快，然后進(jìn)入彈性階段；隨著荷載的增大，試件到達(dá)能夠承受的最大荷載，膠層被完全破壞，繼續(xù)施加荷載，CFRP逐漸被剪斷，至此試件已經(jīng)完全失效.在上述過程中，隨著荷載的增大，試件木纖維受到擠壓，產(chǎn)生滑移，同時(shí)CFRP開始產(chǎn)生側(cè)移；當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，膠層被完全破壞，荷載突然變?。焕^續(xù)施加荷載，CFRP側(cè)移增大，并逐漸被剪斷，最后失去效用.

圖2 CFRP加固試件的抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)3種破壞模式：CFRP被剪斷(多出現(xiàn)在試件經(jīng)鹽溶液處理前)、CFRP剝離(多出現(xiàn)在試件經(jīng)鹽溶液處理后)、木材斷裂(多出現(xiàn)在試件經(jīng)鹽溶液處理前)，如圖3所示.在整個(gè)試驗(yàn)中CFRP被破壞占86.7%，木材被破壞占13.3%.

A.CFRP被剪斷;B.CFRP剝離;C.木材斷裂.

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在驗(yàn)證CFRP粘貼方式的加固有效性試驗(yàn)中，通過測(cè)試得到橫紋粘貼CFRP加固方式與空白組(無(wú)粘貼)和順紋粘貼方式的對(duì)照結(jié)果(表2).

從表2可以看出，相同條件下，順紋粘貼CFRP時(shí)膠合木的受剪承載力提高了12.21%，而橫紋粘貼CFRP時(shí)膠合木的受剪承載力提高了28.49%.表明有效粘貼CFRP加固膠合木順紋抗剪的方式是橫紋粘貼CFRP.經(jīng)過不同鹽度不同循環(huán)處理后得出的最大順紋剪切力見表3.

表2 不同CFRP粘貼方式的試件剪切試驗(yàn)結(jié)果1)

1)括號(hào)內(nèi)為方差；A為空白組，B為橫紋粘貼CFRP，C為順紋粘貼CFRP；合格率=合格試件數(shù)/試件總數(shù).

表3 不同周期下鹽溶液處理試件的順紋抗剪試驗(yàn)結(jié)果1)

1)P1max、P2max分別代表未粘貼和粘貼CFRP試件的最大抗剪強(qiáng)度.

2.2.1 相同周期下不同鹽度處理對(duì)試件抗剪強(qiáng)度的影響 由圖4可以發(fā)現(xiàn)，未粘貼CFRP的試件經(jīng)過鹽溶液處理后的順紋抗剪強(qiáng)度較未處理的降低43.6%.因?yàn)榻?jīng)過鹽溶液處理后，木材的含水率增大到纖維飽和點(diǎn)，隨著含水率的升高，木材的順紋抗剪強(qiáng)度下降.另外試件在泡曬循環(huán)中，存在規(guī)律性干濕交替，加上鹽溶液的滲透和腐蝕，加速了木材的腐朽和膠合木膠層的老化，導(dǎo)致膠合木的順紋抗剪強(qiáng)度降低.

a.第1周期末粘貼CFRP與粘貼CFRP試件抗剪強(qiáng)度對(duì)比;b.第2、3、4周期粘貼CFRP試件抗剪強(qiáng)度對(duì)比.

橫紋粘貼CFRP的試件經(jīng)過鹽溶液處理后抗剪強(qiáng)度下降30.3%，但下降幅度較未粘貼CFRP試件的小；在相同溶度鹽溶液和相同處理時(shí)間下，橫紋粘貼CFRP試件的抗剪強(qiáng)度較未粘貼CFRP試件的提高67.1%.從圖3可知，試件受剪切破壞時(shí)，CFRP的破壞率達(dá)86.7%，而CFRP加固試件在鹽溶液處理前CFRP的破壞模式為剪斷，經(jīng)鹽溶液處理后CFRP為剝離破壞，可見粘接界面的強(qiáng)度在剪切破壞中起到了決定作用.在鹽溶液處理下，鹽分向試件內(nèi)部滲透，規(guī)律性的干濕交替使膠合木本身強(qiáng)度下降，鹽分的析出致使粘接膠出現(xiàn)老化，進(jìn)而粘接樹脂的粘接性能下降，導(dǎo)致CFRP與木材界面的粘接強(qiáng)度下降.另外環(huán)氧樹脂膠雖然有一定的吸濕性，但比木材小得多，同時(shí)膠合界面的存在影響了內(nèi)層木材的吸濕，所以CFRP的粘貼加固減緩了劣化環(huán)境造成的膠合木抗剪強(qiáng)度損失.

每個(gè)周期均是4%濃度鹽溶液處理的試件的抗剪強(qiáng)度最大；第3周期的線性回歸系數(shù)最大，擬合優(yōu)度最好.

2.2.2 相同鹽度下不同處理周期對(duì)試件抗剪強(qiáng)度的影響 鹽分對(duì)CFRP加固膠合木抗剪強(qiáng)度的影響程度與木構(gòu)件在高鹽環(huán)境中的鹽度有關(guān).不同鹽度處理下，膠合木的抗剪強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化.在試驗(yàn)中，3種濃度下的試件的抗剪強(qiáng)度隨著處理周期的增加都出現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示.隨著鹽溶液處理和泡曬循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng)，試件的抗剪強(qiáng)度變化并不是很大，且逐漸趨于穩(wěn)定，其中4%濃度處理的試件的抗剪強(qiáng)度最穩(wěn)定.可見在試驗(yàn)期間，粘貼CFRP的試件在惡劣環(huán)境中的加固效果受時(shí)間的影響并不是很大.這是由于溶液對(duì)試件影響的大小與鹽溶液的濃度和水解程度有關(guān).試件在浸入鹽溶液中后，隨著鹽分的滲透，試件內(nèi)外鹽濃度很快達(dá)到了一個(gè)平衡，而整個(gè)處理過程中鹽溶液濃度基本無(wú)變化，所以鹽溶液的劣化效果在試驗(yàn)中后期并不明顯，CFRP加固膠合木的效果比較穩(wěn)定.

圖5 3種鹽度不同處理周期CFRP加固試件抗剪強(qiáng)度比較

3 小結(jié)

本文對(duì)鹽溶液處理CFRP加固膠合木抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，結(jié)果表明:(1)無(wú)劣化條件下，橫紋粘貼CFRP加固膠合木的抗剪強(qiáng)度顯著提高；(2)鹽溶液和干濕交替處理降低膠合木的抗剪強(qiáng)度；橫紋粘貼CFRP加固膠合木可有效減小鹽溶液和干濕交替對(duì)膠合木抗剪強(qiáng)度的影響；(3)橫紋粘貼CFRP加固試件在4%濃度鹽溶液處理后抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高；(4)在短期試驗(yàn)內(nèi)，橫紋粘貼CFRP試件的抗剪強(qiáng)度略有提高，其中4%溶度鹽溶液處理的試件抗剪強(qiáng)度最穩(wěn)定.

由本試驗(yàn)結(jié)果可知，橫紋粘貼CFRP增強(qiáng)膠合木的抗剪強(qiáng)度的效果明顯.由于膠合木在一定鹽度環(huán)境中抗剪強(qiáng)度降低，故膠合木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)盡量避免建在高鹽度地區(qū).

參考文獻(xiàn)

[1] 朱向東,申宇.歷史建筑遺產(chǎn)保護(hù)中的歷史價(jià)值評(píng)定初探[J].山西建筑,2007,33(34):5-6.

[2] 謝啟芳.中國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑加固的試驗(yàn)研究及理論分析[D].西安,西安建筑科技大學(xué),2007.

[3] 許清風(fēng),朱雷.FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑,2007,37(9):104-108.

[4] NISHIZAKI I, LABOSSIéRE P, SARSANIUC B. Durability of CFRP sheet reinforcement through exposure tests[C]∥DOLAN C W. 7st international symposium fiber-reinforced polymer (FRP) reinforcement for concrete structures. Michigan: American Concrete Institute, 2005:1419-1427.

[5] AROCKIASAMY A， AMER A, SHAHAWY M. Environmental and long-term studies on CFRP cables and CFRP reinforced concrete beams[C]∥BENMOKKRANE B, RAHMAN H. 1st international conference on durability of fiber reinforced polymer (CFRP) composites for construction. Sherbrooke : American Concrete Institute, 1998:599-622.

[6] TRIANTAFILLOU T. Composites: a new possibility for the shear strengthening of concrete,masonry and wood[J]. Composites Science and Technology, 1998,58(8):1285-1295.

[7] HAY S, THIESSENN K, SVECOVA D, et al. Effectiveness of GFRP sheets for shear strengthening of wood[J]. Journal of Composite Part B: Engineering, 2006,10(6):483-491.

[8] JOHNS K, LACROIX S. Composite reinforcement of timber in bending[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2000(27):899-906.

[9] 熊學(xué)玉,張大照.CFRP布加固木柱性能試驗(yàn)研究[J].滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,3(9):5-8.

[10] 許清風(fēng),朱雷,貢春成.CFRP加固短木柱的試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù),2007,36(5):13-15.

[11] 李向民,許清風(fēng),朱雷,等.CFRP加固舊木柱性能的試驗(yàn)研究[J].工程抗震與加固改造,2009,31(4):56-59.

[12] 楊小軍,孫友富,王正.CFRP與落葉松和杉木木材有效粘接長(zhǎng)度的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(12):101-106.

[13] 楊小軍,孫友富,巫朝珍.CFRP-木材復(fù)合材界面的濕熱效應(yīng)研究[J].木材加工機(jī)械,2009(5):16-18.

[14] 淳慶,潘建伍.碳-芳混雜纖維布加固木梁抗剪性能分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,12(6):655-658.

[15] 闕澤利,楊玲,王菲彬,等.鹽溶液對(duì)木結(jié)構(gòu)規(guī)格材握釘力的影響[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(4):100-103.

[16] 吳照華.碳纖維布加固古建筑木梁的性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[17] 周海賓,費(fèi)本華,任海青.世界木結(jié)構(gòu)房屋研究的最新進(jìn)展[J].木材工業(yè),2006,20(4):1-4.

[18] 田宏珍,林益明,向平,等.不同鹽度條件下秋茄根系單寧含量動(dòng)態(tài)變化[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,36(1):6-11.

[19] 申世杰，顧繼友，王永維，等.GB/T 26899-2011 結(jié)構(gòu)用集成材[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[20] 林穎，王永維，蔣壽時(shí)，等.GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[21] 王傳貴，江澤慧，費(fèi)本華，等.GB/T1937-2009 木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Effect of salinity on the shear strength with parallel grain of CFRP-reinforced glulam

QUE Ze-li1, TENG Qi-cheng1, WAGNG Fei-bin2, ZHAO Dan1, MA Cheng-xuan1

(1.College of Material Science and Engineering; 2.College of Landscape Plant,Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037, China)

The results were as follows: the shear strength of glulam in cross direction was larger than that of glulam in parallel direction; the shear strength of samples with cross grain of CFRP gradually decreased after three various concentrations of salt solution; moreover, the glulam with the treatment of salt solution at the concentration of 4% gained the highest shear strength; with the increase of treatment time, the shear strength of sample was getting stable under the same concentration of salt solution.

glulam; CFRP; strengthening; salinity; shear strength with parallel grain

2014-10-22

2015-06-23

江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD);蘇州市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才基金資助項(xiàng)目(WC201322).

闕澤利(1973-)，男，副教授，博士.研究方向：木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)、新型木質(zhì)復(fù)合材料開發(fā).Email:zelique.nfu@gmail.com.

S781.2

A

1671-5470(2015)04-0436-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.018