BFRP与新疆杨木界面粘结滑移力学性能分析

周 玲，刘 清，马生强，韩 霞

（新疆大学 a.建筑工程学院，b.新疆建筑结构与抗震重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830047）

木材的构造十分复杂，不同的树种具有不同的力学性能；同一树种，不同部位和不同生长环境其力学性能亦不相同[1-2]。木材不同于其他任何固体材料，如金属、混凝土等。它是典型的各向异性材料[3-6]。杨树是世界上分布最广，适应性最强的树种，据统计，世界最大的白杨林集中在我国的新疆塔里木河流域，那里的天然林面积超过32 万hm2，占全国杨树林面积的90%以上[7-8]。与其他类型的树木相比，新疆杨树属于杨柳科重要的短轮伐树木，其生理特性具有速生，耐盐碱，耐严寒和易繁殖的能力[9-10]。上述优点使得新疆杨木在乡村和城镇的传统住宅建设中起着至关重要的作用。但是，杨木作为各向异性材料本身存在木节、裂纹等缺陷且其强度低[11]，因此须对新疆杨木构件进行加固处理。纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，简称FRP)具有强度高、重量轻、耐侵蚀、耐锈蚀和易于施工等优点，是一种适于木结构加固的复合型材料[12-15]。与常见的碳纤维相比，玄武岩纤维与其性能相近，但价格仅为碳纤维的十分之一。更重要的是，新疆拥有得天独厚的玄武岩资源。

随着FRP 加固结构在工程领域得到了越来越广泛的应用，一些相关问题也随之暴露出来。其中，最受学者们关注的问题便是两者之间的粘结界面问题。大量研究表明，对于FRP 加固的木结构，在荷载作用下FRP复合材料会与木构件产生过大、过早的滑移甚至剥离[16-19]。导致较大滑移剥离的原因之一是木基材中的大裂纹被加速并诱发而沿界面继续发展[20]。滑移剥离直接影响结构的完整性和延展性[21]，从而使得FRP 对复合结构的承载力贡献率降低。FRP 布从木材基材上的滑移剥离作用类似于RC 构件，由于木材各向异性的本构特性，这与混凝土的非线性本构特性又有很大不同[22-25]。迄今为止，对于外贴FRP 布加固的木材，与RC构件相比，对过早滑移剥离现象的研究较少[26-29]。尽管对FRP-木材界面的研究已有一定的文献记载。但是，FRP 与周围木纤维之间的粘结仍然需要进一步研究。

因此，选取新疆杨树为研究对象，对BFRP-杨树进行了拉拔试验和分析，以了解BFRP-杨树结合界面的力学性能。本研究旨在观察加固试件的破坏模式，粘结剪切应力分布和滑移值。通过相关的BFRP-杨木界面力学性能分析，研究结果将为在古建筑，乡村建筑和城镇建筑中杨木柱和梁的修复和加固提供技术参考和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）购自新疆拓新玄武岩纤维制品有限公司。该BFRP 布具有3 200 MPa的高拉伸强度，105 GPa的弹性模量，2.71%的伸长率和厚度 0.132 mm。采用购自武汉长江加固有限公司生产的质量比为3∶1 的结构胶（YZJCD）。YZJ-CD 的弹性模量为2 885.1 GPa，拉伸强度为53.9 MPa，轴向压缩强度为101.7 MPa，伸长率为3.0%。此外BFRP 和增强粘合剂的性能均已通过中国化学建材测试中心的测试和授权。BFRP 和结构胶粘剂的主要性能参数见表1。

表1 材料力学属性Table 1 Material mechanical properties

本研究中使用种植于新疆吐鲁番的白杨木。为了消除与木节、裂缝等有关粘结质量的不均匀性，试验中使用的木材全部来自同一批次的木材。试验前，先将标准杨树样品分别进行含水率测试[30]、压缩试验和拉伸试验[31-33]，目的是测量其基本物理和力学性能。试验结果表明，白杨的平均含水率为10.0%，顺纹抗拉强度为114.4 MPa，抗压强度为36.5 MPa（表2）。

表2 杨木主要力学性能Table 2 Main mechanical characteristics of poplar

1.2 构件细部和试验装置

目前国内外大部分学者都采用单剪试验对FRP－木材界面的粘结性能进行分析研究。为了使得本试验研究能够与现有国内外学者的试验研究进行分析对比，采用单剪试验装置。杨木试件的尺寸为340 mm×100 mm×40 mm；BFRP 片材的宽度为40 mm，粘结长度分别为60、80、100、120、140、160 mm。为防止靠近加载端的BFRP布产生应力集中而拉断，在加载端预留20 mm长的非粘结区。此外为了保证试验机的夹头能够有效、牢靠地夹住BFRP 布，在BFRP 布的加载端端部另外再贴矩形加强片。应变片沿纤维布中线在粘贴区内不等间距布置。试件详细信息见图1。

图1 试件的详细信息Fig.1 Details of the specimen

表3 应变片粘贴位置†Table 3 Pasting position of strain gauge

1.3 加载仪器及方案

试验在新疆大学建筑工程学院结构实验中心的万能试验机上进行（图2）。根据ISO 6238 和ASTM D905—03 标准[34]，负载以1 mm/min 的速度施加。加载之前，先固定杨木试件，然后用设备现有的夹具固定BFRP。在测试中，为了确保在测试中收集的数据的准确性，首先执行预加载，然后进行静力加载。整个过程使用静态数据测量系统（DH3818）自动收集并记录应变仪数据。

图2 试件加载示意Fig.2 Schematic diagram of specimen loading

2 结果与分析

2.1 粘结滑移理论的推导

如图3，任取一微段，当BFRP 单轴受拉时，根据力的平衡条件 ∑F=0：

图3 界面粘结静载试验微段受力Fig.3 Interfacial bonding static load test micro section force diagram

整个界面平衡可知：

假定相邻应变片之间的距离为xΔ，则上式可以转化为：

局部滑移量：

再由数学差分可得：

在等式（1～10）中，εi和εj分别是在位置i和j处的两个应变片的应变值；Δx是这两个应变仪之间的距离；Ef和tf分别是BFRP 的弹性模量和厚度；是相对滑移值；τ是界面的剪切应力；bt和bf分别是木材和BFRP 的宽度；σt和σf分别是木材和BFRP 的轴向应力；F和A分别是结合界面的粘结力和粘结面积。

2.2 破坏特性

试验表明6 组粘结长度试件之间的破坏模式无显著差异，主要有两种破坏模式：BFRP 被拉断和BFRP 因相对木纤维产生较大滑移而剥离（表4）。前者BFRP 布断裂发生过一次是在夹片处，是由于加载时会在BFRP 处产生较大的应力集中，而导致BFRP 布被撕裂，该破坏较突然。后者是界面的较为理想的破坏形态，表明BFRP 与杨木的界面粘结良好（图4）。其破坏主要经历下几个过程：1）在整个试验的初始加载阶段，界面的粘结主要由杨木与粘结剂之间的化学胶结力提供，此时界面的粘结刚度较大，BFRP 与杨木间的相对滑移主要是界面层的剪切变形；2）随着荷载的增加，界面的剪应力达到克服胶结力应力时，局部滑移增大，此时滑移刚度迅速下降，且粘结应力的增加速度减小；3）荷载继续增加直至极限承载力，杨木与BFRP 布之间的粘结滑移发展，粘结力减小，接触面损坏，界面产生裂纹，并且当施加的荷载达到最大轴拉荷载时，测试系统记录到承载力突然衰减，BFRP 与木材的表面产生了较大的滑移，界面形成空洞，界面剪切脱粘，剥离发生，并伴随有“砰”的声音产生，BFRP 布被扯下，且试块表层的木纤维被BFRP 连带撕扯下来。值得注意的是，界面剥离破坏发生在杨木试快的表层，且试块表层的木纤维被BFRP 连带撕扯下来。同时可以观察到木材的表面因有部分凸出的木纤维屑而凹凸不平。这是因为杨木的抗拉强度始终小于结构胶体的抗拉强度，因此破坏处将粘下一层木纤维屑。这表明BFRP 与杨木的界面粘接良好。

图4 试件的最终破坏形态Fig.4 Final failure state of the specimen

表4 不同粘结长度试件破坏模式Table 4 Ultimate load under different bond lengths and adhesive thickness

2.3 粘结面应变分布特点

在不同载荷水平作用下，界面沿粘结长度方向的平均应变分布如图5所示。其中图上距离为0 的点的应变代表着未粘结区域的BFRP 的应变。从图5可以看出，在较低的载荷水平下，BFRP 的应变主要在受力端附近发展，且应变与加载端距离近似成比例增长，此时复合材料处于线弹性阶段。此后随着荷载的增加，直到施加的载荷P 达到极限载荷Pu为止，应变发展沿粘结长度从受力端逐渐向自由端转移，且应变呈下降的趋势。有趣的是粘结长度为60、80、100、120、140、160 mm 时，极限荷载分别为4.3、6.7、7.1、7.3、6.9、7.0 kN。这表明极限粘结荷载不会随着粘结长度的增加而持续提高,在较长粘结长度的情况下，只有部分粘结长度会参与力的传递。考虑到木材离散性的因素，L=100 mm 时与L=120 mm 时的极限荷载相差不大。当粘结长度增加到140 mm 时，极限荷载极限粘结强度没有增长，它比L=120 mm时有明显的降低，减少约5.5%。

图5 各级荷载下试件应变沿粘结长度的分布Fig.5 Strain distribution of the specimen along the bond length under various loads

2.4 粘结应力发展及分布规律

图6描述了通过等式（7）计算的局部粘结剪应力沿粘结长度方向分布的过程。从图中可以观察到：各条曲线的走势十分相似，均分为两个阶段：上升段和下降段。上升段包括弹性阶段、弹性—塑性阶段；下降段包括弹性—塑性—大滑移剥离阶段。1）在较低的载荷水平下，只有靠近加载端处存在粘结剪应力，且粘结应力与加载端距离近似成比例增长，表明此时界面处于弹性阶段；2）此后随拉力荷载的增加，靠近加载端的界面粘结剪应力随载荷水平的增加而逐渐增加，而远离加载端区域的剪应力则沿着有效粘结区的扩张而传递，同时最大粘结应力逐渐向自由端移动，这表明粘结界面处发生了应力重分布。且BFRP 的应力分布从加荷端沿着粘结长度呈现非线性下降的趋势，表明界面粘结剪应力是从加载近端沿着BFRP 有效粘结长度方向向加载远端传递，此时界面处于弹塑性阶段；3）当荷载达到极限值时，峰值粘结剪应力由BFRP 布的受拉端向自由端逐步移动，且剪应力随有效区域的增加而减小，这表明界面进入了软化滑移—剥离阶段。随后剪应力不断降低至0，此时BFRP 因产生较大滑移而从木块上剥离。其中，当粘结长度为60、80、100、120、140、160 mm 试件的界面的平均峰值剪应力τmax分别为1.45、1.78、2.61、2.74、2.75、3.04 N/mm2。表明，当玄武岩纤维布的宽度和厚度相同时，在一定范围内，BFRP 的粘结长度越长，玄武岩纤维布与杨木间的极限粘结应力越大。但值得注意的是当粘结长度增加到140 mm 时,与其他粘结长度玄武岩纤维布相比，界面间粘结承载力的发展很小。这表明BFRP 布只在一定范围内对界面的粘结承载力产生影响，当其粘结长度超过一定界限值后，界面粘结承载力将不再随BFRP 布的粘结长度的增加而继续加大。也就是说，对于较长的粘结长度，只有部分粘结长度会参与BFRP 和木材之间的力传递。

图6 各级荷载下试件的粘结剪应力沿粘结长度的分布曲线Fig.6 Distribution curve of the bond shear stress along the bond length of the test piece under various loads

3 粘结应力-滑移

图7显示了粘结长度分别为60、80、100、120、140、160 mm 试件按公式（7）～（8）计算得到各级荷载作用下粘结界面的局部粘结剪应力和局部滑移，将两者对应结合起来就可得到局部粘结剪应力-滑移关系曲线。图中曲线趋势可以分为两个阶段：上升段和下降段。上升段的斜率很大，很快就达到最大值。当粘结应力达到极限粘结应力的70%～80%时,曲线斜率随着粘结应力的增加持续下降，最终在粘结应力达到最大值时降为零。通常FRP 复合材料和基材之间的局部脱粘行为的粘结滑移模型一般有剪滞型、单线型、曲线型、双线型和矩形型。通过比较，发现修正的双线型滑移模型更符合试验中BFRP 与新疆杨木界面粘结滑移的模型。根据统计学分析可知，τ=f(s)粘结滑移本构关系式中，粘结剪应力-滑移曲线基本上为抛物线形状，由上升段和下降段组成。其中上升段可以用二次抛物线表达，下降段近似可以用Logistic 表达，即，

图7 试件的粘结应力-滑移曲线Fig.7 Bond stress-slip curve of specimen

式中：su为峰值粘结剪应力对应的滑移值，s为FRP 的滑移值，τ为粘结剪应力。

4 结论与讨论

杨树是新疆的一大特色，在中国新疆木结构的应用和发展中具有相当重要的意义。本文通过拉拔试验研究BFRP 与杨木界面的力学性能，主要得出以下结论：

BFRP-杨木的粘结界面主要有2 种破坏模式：BFRP 被拉断和BFRP 因相对木纤维产生较大滑移而剥离。界面剥离破坏发生在杨木试块的表层,并伴随有“砰”的声音产生。同时可以观察到试块表层的木纤维被BFRP 连带撕扯下来。

BFRP 与杨木粘结界面的应变分布从荷载端到自由端呈现出逐渐减小的趋势。在较低的荷载水平下，BFRP 的应变主要在受力端附近发展，随着荷载的增加，应变发展沿粘结长度从受力端逐渐向自由端转移。在粘结长度超过120 mm 的情况下，远离加载端的应变发展非常小。

BFRP 的粘结长度对界面的粘结剪应力具有一定影响。当玄武岩纤维布的宽度和厚度相同时，在一定范围内，BFRP 的粘结长度越长，玄武岩纤维布与杨木间的极限粘结承载力越大。但值得注意的是当粘结长度增加到120 mm 时，界面粘结承载力将不再随BFRP 布的粘结长度的增加而继续加大。对于较长的粘结长度，只有部分粘结长度会参与BFRP 杆和木材之间的力传递。基于试验结果，BFRP 布与新疆杨木的有效粘结长度为120 mm。

通过统计学分析可知，在τ=f(s)粘结-滑移关系式中，粘结剪应力-滑移曲线基本上为抛物线形状，由上升段和下降段组成。其中上升段可以用二次抛物线表达，下降段近似可以用Logistic 表达。

试验中杨木试块均选自无木节、裂缝等良好材料，今后将进一步试验分析带有木节部位的木材与BFRP 的有效粘结长度的关系，同时研究木材横向对有效粘结长度的影响。