粘贴TiO2接枝改性亚麻纤维对胶合木柱轴压性能的影响1)

2021-12-03左宏亮贾茗睿梅力丹

东北林业大学学报 2021年10期

左宏亮贾茗睿梅力丹

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

纤维增强复合材料(FRP)，是由基体材料与纤维材料按一定比例经成型工艺复合形成。纤维增强复合材料中，常见的种类有碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等[1]，由于FRP具有高比强度、抗腐蚀、耐疲劳等优良的力学特性，故被大量应用于土木工程领域中。胶合木作为木结构建筑中常用的工程木质品，具有不受尺寸截面限制、强度高、耐久性良好等优点[2-3]。木柱作为结构体系中主要竖向受力构件，在木结构中担任重要的作用[4]，但木柱在轴心受压状况下易出现脆性破坏。因此，已有研究[5-7]分别采用了CFRP、BFRP、AFRP对木柱进行加固试验研究，试验结果表明，采用FRP加固木柱可改善其力学性能。

常见种类的纤维增强复合材料，虽然满足建筑工业化发展的要求，但其生产与回收过程均将引起资源短缺与环境污染等问题出现。亚麻作为天然纤维材料，不但具有拉伸性能强、成本低、密度小等多种优点[8]，而且其生物可降解性是解决塑料污染的有效途径之一。为此，本研究以樟子松锯材为基材制作胶合木柱；采用TiO2接枝改性亚麻纤维布为增强材料，以螺旋间隔、螺旋连续、环向间隔、环向连续粘贴形式制作增强胶合木柱；应用位移计测量试件在轴压状态下的整体位移，设置应变片测量试件加载过程中的变形量；在2 000 kN微机控制电液伺服万能试验机上进行轴压性能试验，测试并计算破坏形态、极限承载力、延性系数及荷载-位移、荷载-应变曲线，分析不同粘贴层数和粘贴形式的TiO2接枝改性亚麻纤维对胶合木柱轴心受压性能的影响。旨在为解决胶合木柱在轴压状态下出现脆性破坏现象提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试件制作

试验材料选用樟子松锯材，材性试验测得其顺纹抗压强度为34.33 MPa、弹性模量为9934.46 MPa。选用哈尔滨兴华织布厂生产的101号亚麻纤维坯布，参考文献[9]制作增强胶合木柱需要的TiO2接枝改性亚麻纤维布，结构用胶采用哈尔滨至诚加固材料有限公司生产的ZC-T型碳纤维胶，其3层改性亚麻纤维复合材料抗拉强度为201.51 MPa、弹性模量为6 166.11 MPa；6层改性亚麻纤维复合材料抗拉强度为306.05 MPa、弹性模量为6 711.03 MPa。

试件横截面尺寸为100 mm×100 mm、柱长700 mm，倒角半径为5 mm，共制作27根胶合木柱，每组3根，分为9组(见表1)。

表1 胶合木柱试件分组

1.2 测点布置与加载方案

试验在2 000 kN微机控制电液伺服万能试验机上进行加载，将2个量程100 mm的位移计分别布置于试件两侧，用于测量试件在轴压状态下的整体位移(图1)。将应变片分别布置在木柱和TiO2接枝改性亚麻纤维布表面的柱端及柱高中点处，用于测量试件加载过程中的变形量。TiO2接枝改性亚麻纤维布，粘贴形式及应变片布置示意图图2。

1为磁力表座；2为试件；3为位移计；4为细绳；5为万能试验机。

图中除角度以外的数据单位为mm。

为减少试验误差，在试验前进行预加载，预加荷载值(F0)取破坏荷载估计值的1/50[10]；正式加载采用连续均匀加载方式，以1.5 kN/s的加载速率直至试件破坏；当荷载下降至极限荷载的85%时，停止试验。

2 结果与分析

2.1 试件破坏形态

未采取增强措施的普通胶合木柱，接近极限荷载时出现连续声响，木材纤维被压坏，柱体表面出现褶皱与裂缝，并迅速达到极限荷载。本次试验普通胶合木柱破坏形态可分为两种模式，分别为沿木节开裂、端部局压破坏(图3)。

图3 普通胶合木柱破坏形态

采取增强措施的胶合木柱，在加载前期出现木材挤压声和胶体开裂的细碎声音；随着施加荷载增大，声音出现频率较密集，临近极限荷载时纤维布表面出现开裂、起鼓和褶皱等现象，随后试件发生破坏。增强柱的破坏形态分为三种模式，依次为沿纤维布边界压溃破坏、纤维布断裂破坏、纤维布表面出现褶皱(图4)。

图4 增强柱破坏形态

经分析可知，木材沿纤维布边界压溃破坏的发生，主要是由于TiO2接枝改性亚麻纤维布与环氧树脂相结合，硬化后的改性亚麻纤维复合材料相当于具有一定厚度的传力板，产生应力集中现象，导致木材沿纤维布边界处压溃，最终试件柱发生破坏。纤维布断裂的破坏现象，第一种情况，是由于纤维布包裹处或纤维布间隔处木柱存在自身缺陷，随着荷载的不断增加，木材发生劈裂以及起鼓，使纤维布发生断裂破坏；第二种情况，是纤维布在胶合木柱棱角周围发生断裂，这是由于方柱存在角部作用效应，在棱角处受力集中，使纤维布产生断裂。纤维布表面出现褶皱的主要原因，是由于采用连续粘贴形式的纤维布使用量较大，有效限制木柱裂缝的开展、延迟木材自身缺陷的发生，在荷载加载达到极限荷载后，纤维布内木材发生局部压溃，但纤维布远没达到抗拉强度，最终使纤维布表面出现褶皱。

2.2 胶合木柱荷载-位移曲线

由于本次试验柱的数量较多，因此在各试验分组中选取一根较为典型的柱，以位移值为横坐标、荷载值为纵坐标，制得荷载-位移曲线(图5)。

由图5可见，胶合木柱在轴心受压状态下主要经历3个阶段：第一阶段为弹性阶段，即在弹性屈服前，荷载与位移呈线性快速增长趋势；第二阶段为弹塑性阶段，即屈服荷载与极限荷载之间，荷载与位移发展缓慢；第三阶段为软化阶段，即在极限荷载之后，荷载开始下降，位移呈持续增长阶段。增强柱在弹性阶段的斜率均大于普通胶合木柱，即粘贴TiO2接枝改性亚麻纤维布，在不同程度上可有效提高胶合木柱的刚度。当试件柱达到极限荷载后开始进入软化阶段时，普通胶合木柱下降段较短且下降趋势较陡，说明普通柱的破坏较为突然；而增强柱下降段较长且较为平缓，荷载-位移曲线包络面积增大，即粘贴改性亚麻纤维布可提高胶合木柱抗变形能力。

图5 胶合木柱荷载-位移曲线

2.2.1 胶合木柱极限承载力

由表2可见：与普通胶合木柱相比，螺旋间隔组、螺旋连续组、环向间隔组和环向连续组分别粘贴3、6层TiO2接枝改性亚麻纤维布，其平均极限承载力提高幅度介于4.64%～18.26%之间。4种不同粘贴形式的试件柱，粘贴3层的试件柱平均极限承载力LJ-1组提高4.64%、LL-1组提高12.27%、HJ-1组提高6.61%、HL-1组提高13.31%，粘贴6层的试件柱平均极限承载力LJ-2组提高9.70%、LL-2组提高14.66%、HJ-2组提高11.97%、HL-2组提高18.26%；粘贴6层比3层的木柱平均极限承载力，LJ组提高5.06%、LL组提高2.39%、HJ组提高5.36%、HL组提高4.95%。

通过对比数据可知，在粘贴层数相同时，连续粘贴对承载力的提高幅度大于间隔粘贴形式，而环向粘贴对胶合木柱的增强效果优于螺旋粘贴形式；在粘贴形式相同时，平均极限承载力随着改性亚麻纤维布粘贴层数的增加而提高。

2.2.2 胶合木柱延性系数

本研究取极限荷载的85%作为屈服荷载，其相对应的位移为屈服位移；取卸载到极限荷载的85%作为破坏荷载，其对应的位移为破坏位移[11]；计算得到各组试件柱的延性系数(见表2)。

由表2可见：与普通胶合木柱相比，采取增强措施试件柱组的平均延性系数均有明显提高，提高幅度介于10.22%～68.17%之间。4种不同粘贴形式的试件柱，粘贴3层的试件柱，平均延性系数LJ-1组提高45.52%、LL-1组提高12.82%、HJ-1组提高68.17%、HL-1组提高11.18%；粘贴6层的试件柱，平均延性系数LJ-2组提高10.22%、LL-2组提高60.46%、HJ-2组提高57.35%、HL-2组提高21.03%。对于间隔粘贴形式，粘贴3层改性亚麻纤维布比6层的木柱平均延性系数有所提高，LJ组提高35.30%、HJ组提高10.82%；对于连续粘贴形式，粘贴3层改性亚麻纤维布比6层的木柱平均延性系数有所提高，LL组提高47.64%、HL组提高9.85%。由数据可知，间隔粘贴组的延性系数随粘贴层数的增加而减小，而连续粘贴组的延性系数随粘贴层数的增加而增大，即延性的提高幅度并不随着粘贴层数的增加而成比例增长。

表2 胶合木柱轴压性能试验结果

2.3 胶合木柱荷载-应变曲线

在每组中选取1根具有代表性的试验柱，将轴心受压状态下的柱端及柱中应变数值变化情况，分别绘制出柱端和柱中的荷载-应变关系曲线。

2.3.1 柱端荷载-应变曲线

柱端的荷载-应变曲线主要分为2个阶段，第一阶段为近乎线性的弹性阶段、第二阶段为应变涨幅增大的弹塑性阶段(图6)。由图6可见：增强柱在弹性阶段由于施加外荷载较小，柱与纤维布未能充分结合，故柱面应变始终大于纤维布的应变值。在弹塑性阶段前期，柱应变依然大于纤维布应变，但两者差距不断减少，纤维布开始对柱起到了有效约束作用；弹塑性阶段后期，柱与纤维布的应变曲线逐渐呈重合趋势，表明两者形成有效的协同作用，即改性亚麻纤维布发挥其拉伸性能，对胶合木柱产生横向约束应力，柱端呈三向受压状态，提高木柱抗压强度，从而改善了其受压性能，有效避免了脆性破坏的发生。其中，环向连续粘贴组，柱端的纤维布与柱的极限应变值最大，HL-1组的纤维布与柱横向极限应变值分别为2 104×10-6、2 297×10-6，HL-2组的纤维布与柱横向极限应变值分别为2 158×10-6、2 311×10-6。

2.3.2 柱中荷载-应变曲线

柱中的荷载-应变曲线(图7)：普通胶合木柱在轴心受压状态下，荷载与柱中竖向、横向的应变关系基本呈线性趋势，弹塑性阶段表现不明显，这与其脆性破坏现象相吻合；增强柱的竖向、横向应变曲线，则均表现为弹性阶段与弹塑性阶段，且塑性变形较明显。

由图7可见：由于增强柱的中部区域在弹性阶段时横向变形较小，仅带动纤维布表面产生较小变形，但未发挥其约束效果，故纤维布与木柱的横向应变曲线变化趋势较一致，且在相同荷载下柱中纤维布的横向应变均小于柱的横向应变；在弹塑性阶段，纤维布应变开始涨幅较大，因纤维布与柱协同工作，故使纤维布与柱的应变曲线呈重合趋势。其中，环向连续粘贴组，柱中的竖向、纤维布与柱横向极限应变均最大，HL-1组极限应变值依次为-4 795×10-6、2 238×10-6、2 696×10-6，HL-2组极限应变值依次为-4 966×10-6、2 843×10-6、2 734×10-6。

对比图6与图7可见：柱端和柱中的纤维布与柱表面的横向应变曲线变化趋势较为一致，均表现为纤维布与柱的应变值不断增长，且应变曲线呈现重合趋势。与柱端横向极限应变值相比，柱中的纤维布与柱横向极限应变值较大，进一步说明增强柱的柱中为主要受力区域。此外，增强柱的竖向极限应变值与极限承载力的变化规律相符，即竖向极限应变值随极限承载力的提高而增大。