聚丙烯腈基碳纖維增強(qiáng)木構(gòu)件端面的工藝

楊小軍, 楊　茵, 陳　煉, 王　正, 孫友富

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

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聚丙烯腈基碳纖維增強(qiáng)木構(gòu)件端面的工藝

楊小軍, 楊茵, 陳煉, 王正, 孫友富

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

以木構(gòu)件端面為研究對(duì)象，通過(guò)物理增強(qiáng)試驗(yàn)法對(duì)其端面增強(qiáng)工藝進(jìn)行研究.結(jié)果表明：在木構(gòu)件端面復(fù)合粉狀碳纖維可有效提高木構(gòu)件端部的力學(xué)性能；采用非剛性施壓方法可促使碳纖維與木構(gòu)件端面的工藝復(fù)合；對(duì)木構(gòu)件端面進(jìn)行高溫?zé)崽幚砜墒鼓静亩嗣娅@得200 條·dm-2以上的分布較均勻的可見(jiàn)裂紋；內(nèi)層0.5 mm、外層2 mm的碳纖維涂層的增強(qiáng)效果最好；水曲柳、落葉松、樺木木構(gòu)件端部橫向抗拉強(qiáng)度分別提高55%、46%和59%.

粉狀碳纖維; 木構(gòu)件端面; 復(fù)合工藝; 抗拉強(qiáng)度

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以綠色可持續(xù)著稱(chēng)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑正悄然走進(jìn)人們的生活.木結(jié)構(gòu)建筑是以木材為主要材料，輔以各種金屬連接件搭建而成.木材端部是木構(gòu)件連接的關(guān)鍵部位，木材端面承受橫向荷載的能力較弱，是木構(gòu)件中力學(xué)性能最薄弱的橫斷面[1].木材端面不僅易遭受菌、蟲(chóng)害的損壞，而且也易因殘余生長(zhǎng)應(yīng)力及水分的影響產(chǎn)生開(kāi)裂并向木材內(nèi)部發(fā)展.為防止構(gòu)件端頭進(jìn)一步開(kāi)裂，在端面打入齒板、防裂釘或防裂環(huán)[2].為防止木材端部吸濕或受潮涂布涂料、石蠟或膠黏劑[3]；對(duì)危險(xiǎn)構(gòu)件的端頭進(jìn)行捆扎或金屬箍緊固等.上述措施僅適用于端頭外露的構(gòu)件.而對(duì)木材構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)處理的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.

隨著性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic， CFRP)技術(shù)的發(fā)展，采用碳纖維增強(qiáng)技術(shù)來(lái)克服木質(zhì)材料固有缺陷,增強(qiáng)其力學(xué)性能，成為了木材品質(zhì)改善的一種有效的技術(shù)手段[4-7].長(zhǎng)期以來(lái)，有關(guān)碳纖維在木材加固或增強(qiáng)方面的研究可歸納為2個(gè)方面.一方面是碳纖維粘結(jié)工藝試驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算研究，著重于碳纖維制造技術(shù)、復(fù)合工藝及抗彎承載力設(shè)計(jì)計(jì)算等[8-11].其分析及設(shè)計(jì)計(jì)算均基于木材為線(xiàn)彈性體的假設(shè)，碳纖維都是以片材狀態(tài)出現(xiàn)，未考慮膠合層或膠合界面的影響，以及濕熱環(huán)境狀態(tài)、木材自身特性的影響.另一方面是復(fù)合材粘結(jié)界面力學(xué)研究，但僅局限于張開(kāi)型斷裂、張開(kāi)型疲勞斷裂裂紋的擴(kuò)展規(guī)律、基體木材表面改性處理與膠合強(qiáng)度方面[12,13]，檢測(cè)手段主要是水煮剝離和塊體剪切等.

Yang et al[14]對(duì)加拿大松木(Pinusspp.)端面進(jìn)行增強(qiáng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用粉狀碳纖維進(jìn)行端面復(fù)合可在一定程度上提高端面面內(nèi)力學(xué)性能.本文以我國(guó)傳統(tǒng)建筑常用木材構(gòu)件的端面為研究對(duì)象，采用具有優(yōu)良抗拉性能、濕態(tài)流動(dòng)性和分散性的粉狀碳纖維進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)改善復(fù)合界面探索粉狀碳纖維與木材端面的增強(qiáng)工藝，以提高木材端面面內(nèi)強(qiáng)度，平衡木構(gòu)件端面與內(nèi)部截面的力學(xué)性質(zhì)差異.

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗(yàn)用木材采用產(chǎn)自東北的水曲柳(Fraxinusmandshurica)、樺木(Betulaplatyphylla)和落葉松(Larixolgensis)規(guī)格材，有部分活節(jié)，紋理通直，含水率約15%.水曲柳(含水率12%)基本物理力學(xué)性能：氣干密度0.673 g·cm-3，順紋抗壓強(qiáng)度51.9 MPa，抗彎強(qiáng)度113.8 MPa，抗彎彈性模量14.3 GPa，徑面、弦面順紋抗剪強(qiáng)度分別為10.6和10.1 MPa.樺木(含水率12%)基本物理力學(xué)性能：氣干密度0.607 g·cm-3，順紋抗壓強(qiáng)度42.0 MPa，抗彎強(qiáng)度87.5 MPa，抗彎彈性模量11.2 GPa，徑面、弦面順紋抗剪強(qiáng)度分別為5.2和3.3 MPa.落葉松(含水率12%)基本物理力學(xué)性能：氣干密度0.632 g·cm-3，順紋抗壓強(qiáng)度56.5 MPa，抗彎強(qiáng)度89 MPa，抗彎彈性模量14.1 GPa，徑面、弦面順紋抗剪強(qiáng)度分別為8.1和6.5 MPa.

粉狀碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，纖維長(zhǎng)度0.5、2 mm，纖維直徑7～11 μm，受拉彈性模量2.4×105MPa，抗拉強(qiáng)度3 450 MPa，極限拉伸應(yīng)變1%.

膠黏劑為雙組分環(huán)氧類(lèi)，混合后初黏度(23 ℃)5 000 mPa·s，其混合體積比為2∶1，抗拉強(qiáng)度50 MPa，彈性模量2.0 GPa，延伸率2.2%.

1.2主要儀器

GHG500-2博世熱風(fēng)槍由德國(guó)博世公司生產(chǎn)，UTM4304微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)由深圳三思縱橫科技股份公司生產(chǎn)，SZX7奧林巴斯體視顯微鏡由日本奧林巴斯株式會(huì)社生產(chǎn).

1.3試樣制作

1.3.1試件加工挑選木材端面年輪分布均勻的無(wú)缺陷規(guī)格材，經(jīng)精截加工后按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行端面預(yù)處理，之后將碳纖維與雙組分膠混合均勻的涂層涂布于木構(gòu)件端面，使其在0.10 MPa的壓力下完成固化.碳纖維用量170 g·m-2，施膠量350 g·m-2，工藝復(fù)合壓力0.10 MPa.施壓方式分為剛性與非剛性施壓2種，剛性施壓是通過(guò)機(jī)械夾緊裝置實(shí)現(xiàn)的;非剛性施壓是通過(guò)自制氣囊裝置實(shí)現(xiàn)的，碳纖維涂層與橡膠氣囊表面接觸；碳纖維涂層分內(nèi)層和外層，內(nèi)層指與木材表面接觸的部分.固化24 h后將復(fù)合材加工成設(shè)計(jì)規(guī)格試件，尺寸控制在±1 mm以?xún)?nèi).試驗(yàn)分23組，每組10個(gè)試件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示.

1.3.2木材端面預(yù)處理(1)熱處理：將木構(gòu)件端部浸入清水中，深約1 cm左右，潤(rùn)濕處理約1 min，后通過(guò)熱風(fēng)槍將溫度約150～200 ℃的氣流垂直噴射端面，緩慢移動(dòng)以改變噴射位置，直至端面出現(xiàn)分布密度不少于200 條·dm-2肉眼可見(jiàn)的裂紋，熱處理時(shí)間控制在15 min以?xún)?nèi)；熱處理后木材端面在2 min內(nèi)完成復(fù)合.(2)切縫處理：在木構(gòu)件端面沿縱、橫向分別按5或10條·dm-1的密度劃線(xiàn)，后鋸切產(chǎn)生1.5 mm寬、3 mm深的切縫.

1.4測(cè)試方法

采用復(fù)合材抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)碳纖維對(duì)木構(gòu)件端面的增強(qiáng)效果．參照文獻(xiàn)[15]的測(cè)試方法，將復(fù)合材通過(guò)鋸切加工制得木材橫紋受拉試件，試件尺寸120 mm×50 mm×25 mm；在試件中央位置開(kāi)寬6 mm、深3 mm的切縫，其結(jié)構(gòu)及加載示意圖如圖1所示.利用試驗(yàn)機(jī)夾具夾緊試件木材部分，施加荷載碳纖維涂層受拉應(yīng)力，復(fù)合材結(jié)合部受剪應(yīng)力.

為了能清晰地觀察到碳纖維與木材的結(jié)合情況，采用體視顯微鏡(放大56倍)對(duì)碳纖維與木材構(gòu)件端面結(jié)合部特征進(jìn)行觀察.

涂層厚度測(cè)量方法：在試件正中間位置測(cè)量，H涂層=H復(fù)合材-H木材，H指材料的厚度.

2　結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

木構(gòu)件端面碳纖維涂層厚度均值約2 mm，試驗(yàn)組間最大厚度差在0.3 mm以?xún)?nèi)(表2)，在復(fù)合壓力為0.1 MPa的條件下不同復(fù)合方式對(duì)涂層厚度的影響均較小.各試驗(yàn)組抗拉強(qiáng)度的變異系數(shù)均在18.03%以?xún)?nèi)，說(shuō)明所測(cè)得的值都比較穩(wěn)定.試驗(yàn)組間抗拉強(qiáng)度均值差異明顯，表明抗拉強(qiáng)度可反映不同復(fù)合方式間木構(gòu)件端面的增強(qiáng)效果．

表1　碳纖維增強(qiáng)木材端面試件的設(shè)計(jì)1)Table 1　Composite specimens with carbon fibers reinforced wood member′s end

1)“-”表示未處理.

2.2木構(gòu)件端面預(yù)處理及端面復(fù)合結(jié)合部特征

由圖2可見(jiàn)，三樹(shù)種木構(gòu)件端面經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蠖汲霈F(xiàn)了分布密度在200條·dm-2以上的肉眼可見(jiàn)的裂紋，裂紋開(kāi)裂大都表現(xiàn)為徑裂，最大裂紋寬度達(dá)2 mm.木材端面在高溫作用下，水分汽化迅速，并產(chǎn)生干縮；內(nèi)層木材的牽制作用使表層木材承受巨大的拉伸應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)裂.落葉松及樺木木材裂紋分布密度較高，在300條·dm-2以上.用顯微鏡(放大56倍)觀察發(fā)現(xiàn)肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微細(xì)裂紋，裂紋寬度接近紋孔直徑(圖3).這些裂紋的存在有助于碳纖維在壓力的作用下進(jìn)入木材內(nèi)部.

由圖4端面增強(qiáng)結(jié)合部顯微圖可看出，尺度較小的碳纖維(0.5 mm)隨膠粘劑在氣囊壓力的作用下進(jìn)入木材端面表層木材孔隙及縫隙中，最大深度達(dá)5 mm，呈黑色.而內(nèi)層尺度較大的碳纖維(2 mm)則很難進(jìn)入木材端面內(nèi)部，結(jié)合部顏色較淺，膠體顏色呈淺綠色.對(duì)于未經(jīng)熱處理的切縫處理試件，碳纖維與膠粘劑混合體僅進(jìn)入預(yù)制縫隙中，幾乎填滿(mǎn)了整個(gè)縫隙.內(nèi)層尺度較小的碳纖維在壓力的作用下進(jìn)入切縫較多，而尺度較大纖維則進(jìn)入切縫較少，顏色差別明顯.

A.受拉試件結(jié)構(gòu)；B.試件夾緊裝置.

2.3不同預(yù)處理方式構(gòu)件端面的復(fù)合性能

由圖5可見(jiàn)，三樹(shù)種經(jīng)增強(qiáng)處理后的端部橫紋抗拉強(qiáng)度均高于木材，是木材的1.2倍以上.增強(qiáng)處理的試驗(yàn)組中，木材端面經(jīng)預(yù)處理的三樹(shù)種試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度均顯著高于未預(yù)處理試驗(yàn)組，預(yù)處理使木構(gòu)件端部產(chǎn)生了碳纖維及膠液混合物進(jìn)入的通道，促進(jìn)了碳纖維涂層與木構(gòu)件端面的結(jié)合.

表2　復(fù)合材抗拉強(qiáng)度1)Table 2　Tensile strength of composite specimens

1)“-”表示未處理.

A.樺木；B.水曲柳；C.落葉松.

3種預(yù)處理方式中，高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)組抗拉強(qiáng)度最高；切縫10條·dm-1試驗(yàn)組次之；切縫5條·dm-1試驗(yàn)組最低.切縫10條·dm-1試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度高于5條·dm-1試驗(yàn)組，這是因?yàn)槟静亩瞬壳锌p密度高，縫隙有利于更多碳纖維進(jìn)入縫隙，結(jié)合部比表面積較大.高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)組的抗拉強(qiáng)度高于切縫試驗(yàn)組，高溫?zé)崽幚硎鼓緲?gòu)件端面產(chǎn)生了200條·dm-2以上密度且分布較均勻的裂紋，在進(jìn)行工藝復(fù)合時(shí)涂層中較短纖維在環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的帶動(dòng)下滲入細(xì)小縫隙，結(jié)合部不僅比表面積大且結(jié)合強(qiáng)度分布也相對(duì)較均勻；另一方面，由于木構(gòu)件端面經(jīng)高溫?zé)崽幚砗篑R上復(fù)合，高溫的作用使木構(gòu)件端面細(xì)小的縫隙中的空氣受熱膨脹部分被排出，涂層復(fù)合時(shí)縫隙或空腔中的空氣冷卻收縮，大氣壓力將細(xì)小碳纖維壓入內(nèi)部，從而促使碳纖維與縫隙中的木材結(jié)合.

A.樺木；B.水曲柳；C.落葉松.

圖4　復(fù)合材試件結(jié)合部顯微特征

圖5　不同預(yù)處理方式試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度

2.4不同涂層結(jié)構(gòu)構(gòu)件端面的復(fù)合性能

由圖6可見(jiàn)，三樹(shù)種及3種預(yù)處理方式的不同涂層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)組中存在同樣規(guī)律，即增強(qiáng)涂層內(nèi)層纖維長(zhǎng)為0.5 mm的試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度均大于內(nèi)層纖維長(zhǎng)2 mm的試驗(yàn)組.增強(qiáng)涂層內(nèi)層纖維長(zhǎng)度較短時(shí)，碳纖維較易隨膠液滲入或壓入木材端部孔隙或縫隙中，進(jìn)入縫隙中的纖維在膠粘劑的作用下形成牢固的機(jī)械膠接.當(dāng)碳纖維較長(zhǎng)時(shí)，纖維長(zhǎng)度大于縫隙寬度，纖維與膠液混合后相互交織成一體，很難進(jìn)入縫隙中，從而出現(xiàn)了縫隙中僅存在膠體的現(xiàn)象.熱處理方式中增強(qiáng)涂層的內(nèi)層纖維長(zhǎng)為0.5 mm的試驗(yàn)組的增強(qiáng)幅度最大，水曲柳、落葉松、樺木三樹(shù)種木材的橫向抗拉強(qiáng)度分別提高55%、46%及59%.綜上分析可知，增強(qiáng)涂層內(nèi)層宜選用0.5 mm長(zhǎng)纖維.

圖6　不同涂層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度

2.5不同施壓方式構(gòu)件端面的復(fù)合性能

由圖7可見(jiàn)，三樹(shù)種的不同施壓方式試驗(yàn)組間，非剛性施壓試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度都大于剛性施壓試驗(yàn)組；而切縫處理方式的規(guī)律性不明顯.非剛性施壓是柔軟的橡膠氣囊與涂層接觸，該種施壓方式能克服木構(gòu)件端面的不平整壓力分布；而剛性施壓是鋼板與涂層接觸，木構(gòu)件端面不平整時(shí)易出現(xiàn)局部壓力過(guò)大，導(dǎo)致涂層厚薄不均.熱處理方式中木構(gòu)件端面縫隙小且分布均勻，木材端面各處的平整度差異小，非剛性施壓效果明顯；而切縫處理方式中木構(gòu)件端面縫較寬、深，非剛性施壓易使纖維和膠液過(guò)多壓入縫隙，導(dǎo)致涂層厚薄不均.

圖7　不同施壓方式下各試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度

2.6不同樹(shù)種構(gòu)件端面的復(fù)合性能

由圖8可見(jiàn)，在3種端面預(yù)處理方式下三樹(shù)種試驗(yàn)組間抗拉強(qiáng)度差異明顯，其中水曲柳試驗(yàn)組抗拉強(qiáng)度最大，樺木試驗(yàn)組最小.這與木材自身材性、橫紋抗拉強(qiáng)度等有關(guān)，也與木材的膠合性能有關(guān).三樹(shù)種中水曲柳物理力學(xué)性能優(yōu)于樺木和落葉松；樺木材性偏軟，橫紋的抗拉強(qiáng)度低，材性變異大.落葉松木材內(nèi)部樹(shù)脂含量高對(duì)膠合性能有一定影響.

圖8　非剛性施壓方式下不同樹(shù)種試驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度

3　小結(jié)

通過(guò)在木構(gòu)件端面粘結(jié)具有高強(qiáng)抗拉性能的碳纖維是提高木構(gòu)件端面面內(nèi)力學(xué)性能的有效手段.采用短時(shí)高溫?zé)崽幚淼姆椒墒顾⒙淙~松及樺木木材構(gòu)件端面獲得200條·dm-2以上的分布較均勻的肉眼可見(jiàn)裂紋，促使增強(qiáng)材料碳纖維與木材端部表面及內(nèi)部木材結(jié)合.增強(qiáng)涂層宜選用雙層結(jié)構(gòu)，外層纖維較長(zhǎng)，內(nèi)層纖維較短.外層纖維較長(zhǎng)易使纖維間實(shí)現(xiàn)相互交織，抗拉強(qiáng)度提高；內(nèi)層纖維較短，則纖維易隨膠液滲入或壓入木材端部孔隙或縫隙中，進(jìn)入縫隙中的纖維與木材充分接觸，在膠粘劑的作用下形成牢固的機(jī)械膠接.

對(duì)于裂紋分布密度較高的粗糙端面，采用非剛性施壓的方法，可使木構(gòu)件端面獲得分布較均勻的壓力.由復(fù)合材抗拉強(qiáng)度可看出，三樹(shù)種木材端面與碳纖維的膠結(jié)性能及木材自身材性差異顯著，抗拉強(qiáng)度可作為端面增強(qiáng)效果的評(píng)價(jià)參數(shù).

在碳纖維用量170 g·m-2、施膠量350 g·m-2、復(fù)合壓力0.10 MPa的條件下，采用構(gòu)件端面預(yù)熱處理、涂層纖維內(nèi)短外長(zhǎng)的雙層結(jié)構(gòu)及非剛性施壓的復(fù)合方式可使木構(gòu)件端面獲得顯著的增強(qiáng)效果，水曲柳、落葉松、樺木三樹(shù)種木材橫向抗拉強(qiáng)度分別提高了55%、46%和59%．粉狀碳纖維可應(yīng)用于三樹(shù)種木構(gòu)件端面的增強(qiáng)工程．小尺度碳纖維滲入木材端部可使碳纖維涂層粘結(jié)強(qiáng)度增大．

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Composite technology of polypropylene based carbon fibers reinforced wood member′s end

YANG Xiaojun, YANG Yin, CHEN Lian, WANG Zheng, SUN Youfu

(College of Materials and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037, China)

To improve mechanical property of wood for high safety and durability, carbon fiber reinforced polymer/plastic (CFRP) were aplied to reinforce wood member′s end based on physical enhancement method. Then tensile strengths of wood samples from different tree species, combinations of coatings, pretreatments and pressure methods were compared. Results showed that powdered carbon fiber effectively enhanced the transverse mechanical properties of wood member′s end. Non rigid pressure improved the bond strength between carbon fiber and wood member′s end. Heat treatment resulted in more than 200 pieces of uniformly distributed visible cracks per square decimeter. Carbon fiber layer, comprising of a inner layer in the thickness of 0.5 mm and outer layer in 2 mm demonstrated the highest tensile strengths among all tested coatings. Transverse tensile strength of manchurian ash (Fraxinusmandshurica), larch (Larixolgensis) and birch (Betulaplatyphylla) was increased by 55% and 46% and 59%, respectively by abovementioned methods.

powdered carbon fiber; wood member′s end; composite technology; tensile strength

2015-09-11

2015-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31300484)；南京林業(yè)大學(xué)高學(xué)歷人才基金資助項(xiàng)目(NJFU)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目(201510298029Z).

楊小軍(1978-)，男，副教授，博士.研究方向：木材加工與木結(jié)構(gòu)建筑工程.Email：yxj5460@163.com.

S781.65

A

1671-5470(2016)05-0586-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.018