復(fù)合木-混凝土膠結(jié)力學(xué)性能的影響因素1)

王海飆 季安康 陳曦光 吳建 楊海旭

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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復(fù)合木-混凝土膠結(jié)力學(xué)性能的影響因素1)

王海飆 季安康 陳曦光 吳建 楊海旭

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

為遴選復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的力學(xué)性能影響因素，應(yīng)用方差分析和正交試驗(yàn)，探索復(fù)合木材、混凝土、膠體、復(fù)合木材與膠體的交互作用、混凝土與膠體的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：膠體、復(fù)合木材與膠體的交互作用，對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度影響顯著，采用雙組份環(huán)氧膠、單板層積材、正常配合比的強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土組合所得的抗剪強(qiáng)度最優(yōu)；復(fù)合木材、復(fù)合木材與膠體的交互作用，對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響顯著，采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠、實(shí)木板、添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土組合所得的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。

復(fù)合木；混凝土；膠結(jié)力學(xué)性能

For the mechanical performance influence factors of Composite wood-Concrete Cementation, we studied the influence of composite wood, concrete, glue, the interaction of composite wood and glue and the interaction of the concrete and glue on shear strength and tensile strength of composite wood-concrete cementation by the variance theory and orthogonal theory. The effect of the glue and the interaction of composite wood and glue on shear strength is remarkable in the composite wood-concrete cementation with the combination of a two-component epoxy adhesive, LVL, and the C25concrete of the normal proportion for the shear strength of the composite wood-concrete cementation is optimal. The effect of the composite wood and the interaction of composite wood and glue on tensile strength is remarkable in the composite wood-concrete cementation, and the combination of high strength structural adhesive, solid wood and the C20concrete of add the 20% water reducer agent for the tensile strength of the composite wood-concrete cementation is optimal.

隨著加快綠色節(jié)能環(huán)保建筑材料的應(yīng)用，作為三大建筑材料唯一可再生的木材正越來(lái)越多的被應(yīng)用于建筑之中[1]。為了發(fā)揮木材及混凝土材料的特點(diǎn)[2-3]，很多專家學(xué)者對(duì)木材與混凝土的結(jié)合形式及性能做了大量研究工作[4-7]。同時(shí)，也有學(xué)者對(duì)多種木材的膠合性能進(jìn)行了研究[8]。但是，這些研究是針對(duì)單一因素變化的性能研究，在研究中難免會(huì)存在片面性。本文對(duì)復(fù)合木-混凝土的膠結(jié)組合構(gòu)件進(jìn)行研究，膠結(jié)的復(fù)合木-混凝土組合構(gòu)件不僅施工方便，而且能夠保留木材良好的抗拉強(qiáng)度和延性，保留混凝土的抗拉強(qiáng)度和較大的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[5]。

為了研究復(fù)合木材與混凝土的膠結(jié)性能，本文采用方差分析法和正交分析法，綜合分析不同復(fù)合木材、膠體與混凝土結(jié)合的性能，從而選出最優(yōu)的組合方案，為木材與混凝土的膠結(jié)在建筑中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

為使試驗(yàn)更具有代表性和說(shuō)服力，針對(duì)市場(chǎng)上的不同復(fù)合木材，試驗(yàn)中選用4種差異比較大的復(fù)合木材，分別為實(shí)木板、貼面板、單板層積材、刨花板。為了倡導(dǎo)國(guó)家提倡的綠色環(huán)保的理念，在試驗(yàn)過(guò)程中選用無(wú)毒無(wú)害的4種不同環(huán)保型膠體，分別為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠、雙組份環(huán)氧膠、結(jié)構(gòu)粘接丙烯酸酯膠、環(huán)氧干掛結(jié)構(gòu)膠。將復(fù)合木材、膠體與4種不同成分的混凝土試塊進(jìn)行膠合試驗(yàn)。選用的4種不同成分的混凝土試塊，分別為正常配合比的強(qiáng)度等級(jí)為C20混凝土、添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C20混凝土、正常配合比的強(qiáng)度等級(jí)為C25混凝土、添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C25混凝土。復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的連接件在受力過(guò)程中，其承擔(dān)著傳遞混凝土與復(fù)合木材的縱向剪力、抵抗混凝土與復(fù)合木材掀起的拉力，基于此，在進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能研究中，本試驗(yàn)針對(duì)所測(cè)組合試件的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析。

抗剪強(qiáng)度測(cè)定的混凝土試塊尺寸為50 mm×50 mm×85 mm、復(fù)合木材尺寸為15 mm×50 mm×50 mm、膠體涂抹有效面積為40 mm×50 mm(見(jiàn)圖1)。抗拉強(qiáng)度測(cè)定的混凝土試塊尺寸為15 mm×50 mm×50 mm、復(fù)合木材尺寸為15 mm×45 mm×45 mm、膠體涂抹有效面積為45 mm×45 mm(見(jiàn)圖2)。

圖1 抗剪強(qiáng)度試塊示意圖

為測(cè)試復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，將組合試塊置于2個(gè)剛性支座之間(見(jiàn)圖3)。測(cè)試復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將試件放于下支座之上，上傳感器正對(duì)復(fù)合木材(見(jiàn)圖4)，試驗(yàn)加載時(shí)以加載速度為10 mm/min的速度向下加載；當(dāng)復(fù)合木材與混凝土試塊發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，機(jī)器自動(dòng)停止加載，通過(guò)傳感器將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳入電腦進(jìn)行記錄保存。測(cè)試復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，首先需要對(duì)試件進(jìn)行處理(見(jiàn)圖5)，方便與試驗(yàn)機(jī)上的傳感器鋼件進(jìn)行咬合；試驗(yàn)加載時(shí)以加載速度為10 mm/min的速度向上加載，當(dāng)試件發(fā)生撕裂時(shí)機(jī)器自動(dòng)停止加載，通過(guò)傳感器將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳入電腦進(jìn)行記錄保存。

圖2 抗拉強(qiáng)度試塊示意圖

(1)抗剪強(qiáng)度加載測(cè)試裝置 (2)抗拉強(qiáng)度加載測(cè)試裝置

圖3 加載測(cè)試裝置

圖4 抗剪強(qiáng)度試塊

圖5 處理后的抗拉強(qiáng)度試塊

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

建立方差分析模型，進(jìn)行相關(guān)結(jié)果的處理，分析復(fù)合木材、膠體、復(fù)合木材與膠體的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。其中，樣本值(試驗(yàn)數(shù)據(jù))算出的FA、FB、FA×B的處理值為：

若FA≥F1-α((r-1)，rs(t-1))，則拒絕H01，否則接受H01；

若FB≥F1-α((s-1)，rs(t-1))，則拒絕H02，否則接受H02；

若FA×B≥F1-α((r-1)(s-1)，rs(t-1))，則拒絕H03，即認(rèn)為交互作用顯著，否則接受H03，即認(rèn)為交互作用不顯著。

式中：r為A取得的不同水平數(shù)；s為B取得的不同水平數(shù)；t為每一個(gè)水平組合(Ai，Bj)(i=1、2、…、r，j=1、2、…、s)的重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)，且t必須滿足t≥2；α為試驗(yàn)的顯著性水平，本文中分別取0.01和0.05。

2.1.1 抗剪強(qiáng)度

將4種復(fù)合木材和4種膠體的組合試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度結(jié)果列入表1，方差分析結(jié)果見(jiàn)表2，具體計(jì)算參考文獻(xiàn)[9]。依據(jù)方差分析結(jié)果，在水平α=0.05下，拒絕H01、H02、H03；在水平α=0.01下，拒絕H01、H03，即：通過(guò)分析可得膠體對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗剪強(qiáng)度的影響非常顯著；復(fù)合木材與膠體的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度的影響較顯著；復(fù)合木材對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗剪強(qiáng)度的影響顯著。

表1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

注：r=4，s=4，t=2。

表2 抗剪強(qiáng)度方差分析

2.1.2 抗拉強(qiáng)度

將4種復(fù)合木材和4種膠體的組合試驗(yàn)所得的抗拉強(qiáng)度結(jié)果列入表3，方差分析結(jié)果見(jiàn)表4，具體計(jì)算參考文獻(xiàn)[9]。依據(jù)方差分析結(jié)果，在水平α=0.05下，拒絕H02、H03；在水平α=0.01下，拒絕H02、H03，即：通過(guò)分析可得膠體對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響不顯著，說(shuō)明膠體對(duì)復(fù)合木-混凝土的抗拉強(qiáng)度提高的影響可以忽略；復(fù)合木材與膠體的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度的影響較顯著；復(fù)合木材對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著。

表3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

注：r=4，s=4，t=2。

表4 抗拉強(qiáng)度方差分析表

2.2 正交試驗(yàn)分析

通過(guò)方差分析可知，膠體與復(fù)合木材的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的影響不能忽略。因此，為進(jìn)一步研究對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的影響因素，應(yīng)用正交試驗(yàn)進(jìn)一步分析復(fù)合木材、膠體、混凝土、復(fù)合木材與膠體的交互作用、混凝土與膠體的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響，從而選出抗剪強(qiáng)度的最優(yōu)組合和抗拉強(qiáng)度的膠的最優(yōu)組合?？紤]復(fù)合木材與膠體交互作用和混凝土與膠體的交互作用，故選用正交表L16(45)安排試驗(yàn)(見(jiàn)表5)。

表5 復(fù)合木材混凝土膠結(jié)的因素及水平

2.2.1 抗剪強(qiáng)度

依據(jù)L16(45)和表5的因素及水平，共安排16組試驗(yàn)，測(cè)得的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分別為0.705、0.550、1.245、1.280、2.470、2.920、3.530、1.640、2.440、2.240、1.930、1.165、1.030、0.980、1.165、1.915 MPa。經(jīng)極差(Rj)分析所得結(jié)果(見(jiàn)表6)與表2分析的結(jié)果一致。由于抗剪強(qiáng)度越大越好，因此，根據(jù)均值最大確定每種影響因素的具體種類，A(膠體)的最大均值是k2j，故A對(duì)復(fù)合木材混凝土膠結(jié)影響最重要的種類是A2，即雙組份環(huán)氧膠。由于A×B是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素、是挑選水平組合的重要依據(jù)，但是，根據(jù)表6無(wú)法確定具體的影響因素，故需借助A×B搭配表進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析(見(jiàn)表7)。

由表7可見(jiàn)，A與B的最佳組合是A2B3(抗剪強(qiáng)度最大)，即高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠和單板層積材的組合搭配抗剪強(qiáng)度最大。根據(jù)均值(見(jiàn)表6)可知，C(混凝土)對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗剪強(qiáng)度影響最大的是k3j，即正常配合比的強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土(C3)。綜合表6和表7，對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)影響最大的組合是A2B3C3。

表6 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析 MPa

注：各個(gè)因素由主到次依次為A、A×B、C、A×C、B；優(yōu)方案為A2B3C3。

表7 復(fù)合木材和膠的水平搭配表 MPa

2.2.2 抗拉強(qiáng)度

依據(jù)L16(45)和表5的因素及水平，共安排16組試驗(yàn)，測(cè)得的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分別為0.725、0.995、0.390、0.240、0.580、0.840、0.420、0.225、0.835、0.485、0.370、0.375、0.965、0.360、0.530、0.205 MPa。經(jīng)極差(Rj)分析所得結(jié)果(見(jiàn)表8)與表4方差分析的結(jié)果一致。由于抗拉強(qiáng)度越大越好，因此，根據(jù)均值最大確定每種影響因素的具體種類，B(復(fù)合木材)的最大均值是k1j，故B對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)影響最重要的種類是B1，即實(shí)木板；由于A×C是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素、是挑選水平組合的重要依據(jù)略，根據(jù)表8無(wú)法確定具體的影響因素，故需借助A×C搭配表進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析(見(jiàn)表9)。

由表9可見(jiàn)，A與C的最佳組合是A1C2，即雙組份環(huán)氧膠和添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土組合抗拉強(qiáng)度最大。綜合表8和表9，對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)影響最大的組合是B1A1C2，即：復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的最大抗拉強(qiáng)度，是應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠、實(shí)木板、添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土組合。

表8 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析 MPa

注：各個(gè)因素由主到次依次為B、A×C、C、A×B、A；優(yōu)方案為B1A1C2。

表9 混凝土和膠的水平搭配表 MPa

3 結(jié)論

膠體對(duì)復(fù)合木材混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度影響最顯著，膠體與復(fù)合木材的交互作用對(duì)復(fù)合木材混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度影響次之，復(fù)合木材影響最??；復(fù)合木材對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度影響最顯著，膠體與復(fù)合木材的交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度影響次之，膠體影響最小。

復(fù)合木材、膠體及其交互作用，利用方差理論與正交理論所得的對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪和抗拉影響程度的結(jié)果相吻合，因此，可根據(jù)正交分析法分析不同因素及交互作用對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗剪強(qiáng)度的影響，從大到小依次為膠體、復(fù)合木材與膠體的交互作用、混凝土、膠體與混凝土的交互作用、復(fù)合木材；對(duì)復(fù)合木-混凝土膠結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響，從大到小依次為復(fù)合木材、膠體與混凝土的交互作用、混凝土、膠體與復(fù)合木材的交互作用、膠體。復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗剪強(qiáng)度的最佳組合方案是雙組份環(huán)氧膠、單板層積材、正常配合比的強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土組合，強(qiáng)度≥3.53MPa；復(fù)合木-混凝土膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度的最佳組合方案是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠、實(shí)木板、添加20%減水劑的強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土組合。

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Mechanic Performance Influence Factors of Composite Wood-Concrete Cementation//

Wang Haibiao, Ji Ankang, Chen Xiguang, Wu Jian, Yang Haixu(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：85-88，97.

Composite wood; Concrete; Mechanical performance of the cementation

王海飆，男，1973年12月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，副教授。E-mail：whbcumt@163.com。

季安康，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：631374259@qq.com。

2016年11月23日。

TU53

1)黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E2015057)。

責(zé)任編輯：張 玉。