預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材抗彎性能的初步研究

王?？?，申士杰，靳婷婷，袁 卉，趙書平

（北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材抗彎性能的初步研究

王?？?，申士杰，靳婷婷，袁 卉，趙書平

（北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的抗彎實(shí)驗(yàn)，研究了不同預(yù)應(yīng)力FRP對(duì)集成材抗彎強(qiáng)度、彈性模量及中性軸的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材中，30%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的抗彎強(qiáng)度、彈性模量及中性軸偏移最大，抗彎強(qiáng)度達(dá)到73.05 MPa，彈性模量7312.80 MPa，相對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP

增強(qiáng)的竹木集成材中性軸向下偏移1.73 mm。并且集成材在一次破壞后，30%UTS、40%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材承受荷載僅分別下降11%, 18%, 而無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材則急劇下降46.80%。

預(yù)應(yīng)力；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；集成材；竹材；抗彎性能

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（ fi ber-reinforced polymer，簡(jiǎn)稱FRP）是單向纖維或者纖維布與樹脂進(jìn)行復(fù)合而成的一種材料。FRP以高強(qiáng)度、低密度特點(diǎn)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域[1]。木材工業(yè)中，集成材是高效利用木材的方式之一，但是相對(duì)其他建筑材料，集成材的剛度與強(qiáng)度并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，科研人員研究用FRP增強(qiáng)集成材，取得較大進(jìn)展[2-4]，并且張鵬翼、陳勇在研究FRP增強(qiáng)集成材力學(xué)性能基礎(chǔ)上提出了對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力后增強(qiáng)集成材，使得集成材強(qiáng)度得到大大提高[4-5]。但是由于木材的順紋抗剪強(qiáng)度較小，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，集成材中與FRP膠合的木材層板端部發(fā)生了劈裂，造成集成材的強(qiáng)度損失。然而研究表明竹材的順紋抗剪強(qiáng)度為15.2 MPa[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樟子松的4.13 MPa[7]，因此竹材作為緩沖層在FRP與木材之間抵抗FRP預(yù)應(yīng)力對(duì)木材的影響。本文將通過(guò)對(duì)FRP施加不同大小預(yù)應(yīng)力，分析研究預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的抗彎性能，以期能為預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的進(jìn)一步研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

樟子松板材：四面刨光，加工尺寸寬厚為50 mm×20 mm，含水率9.55%。大連龍華木業(yè)有限公司提供。

竹材：展開毛竹竹材，厚度5 mm，產(chǎn)自福建順昌縣，購(gòu)買于福建順昌大莊竹業(yè)有限公司。

FRP：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，尺寸規(guī)格為50 mm×1.4 mm，購(gòu)買于南京海拓纖維復(fù)合材料有限公司。

膠黏劑：普邦S309單組份聚氨酯膠黏劑，由蘇州皇家木業(yè)有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

射流低溫等離子體板材處理機(jī)：北京林業(yè)大學(xué)工程木質(zhì)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室，南京蘇曼等離子科技有限公司生產(chǎn)。

集成材拼板機(jī)：大連龍華木業(yè)有限公司提供。預(yù)應(yīng)力設(shè)備：由山東煙臺(tái)黃海機(jī)械提供。

2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得FRP的平均極限拉伸強(qiáng)度為1 168.20 MPa。為便于計(jì)算以及試驗(yàn)中控制FRP的預(yù)應(yīng)力張緊設(shè)備，取FRP的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）為1 000 MPa。

在制作預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材試件時(shí)，竹材表面刷涂1%濃度KH550水溶液，涂布量為150 g/m2。室溫干燥12小時(shí)以上，表面水分揮發(fā)后方可使用。木材層板經(jīng)過(guò)目測(cè)與打音分等。FRP表面等離子體處理，功率500 W，進(jìn)給速度2.5 m/min，距焰口距離6 mm。

預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材制作時(shí)，首先使用預(yù)應(yīng)力設(shè)備將FRP張緊，分別張拉至FRP極限拉伸強(qiáng)度（UTS）的0%、10%（100 MPa）、20%（200 MPa）、30%（300 MPa）、40%（400 MPa），然后在木材層板與竹材單面施膠，涂膠量200 g/m2。拼板時(shí)竹材的竹青側(cè)與FRP進(jìn)行膠合，木材與竹黃側(cè)膠合，在拼板機(jī)上以1.2 MPa的壓力冷壓3小時(shí)。試件制作完成后，養(yǎng)生3天，然后進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，圖1為集成材橫截面示意圖。每組試件數(shù)3個(gè)。

圖1 FRP增強(qiáng)竹木集成材的組坯示意圖Fig.1 Sketchmap about the group way of glulam strengthened by FRP

集成材抗彎性能的測(cè)試試驗(yàn)依據(jù)GB/T 26899-2011 《結(jié)構(gòu)用集成材》，集成材總長(zhǎng)為梁高的22倍；抗彎實(shí)驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，上跨距為梁高的4倍，下跨距為梁高18倍。依據(jù)FRP增強(qiáng)竹木集成材的特點(diǎn)，彎曲強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，需將FRP靠近的一側(cè)向下放置。采集加載過(guò)程中載荷、撓度及各層板應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)變片粘貼在集成材每層層板及FRP的中點(diǎn)處，繪制載荷與撓度的曲線。

圖2 不同預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的抗彎強(qiáng)度Fig.2 The flexure strength of glulams strengthened by prestressed FRP

3 結(jié)果與討論

3.1 抗彎強(qiáng)度及彈性模量

所有抗彎破壞試件的破壞形態(tài)都是在抗拉側(cè)破壞，實(shí)驗(yàn)中無(wú)缺陷抗壓側(cè)出現(xiàn)的形變并沒有引起荷載與撓度的明顯變化，因此試件抗拉側(cè)破壞是導(dǎo)致試件破壞、喪失承載能力的最主要原因。從圖2，圖3分析，對(duì)FRP施加30%UTS預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)的竹木集成材荷載最大。并且隨著預(yù)應(yīng)力從0至30%UTS增大，預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材抗彎強(qiáng)度、彈性模量總體上呈增大趨勢(shì)。30%UTS預(yù)應(yīng)力試件的抗彎強(qiáng)度達(dá)到73.05 MPa，彈性模量7 312.80 MPa，而無(wú)預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)竹木集成材抗彎強(qiáng)度為70.71 MPa，彈模6 802.61 MPa。可以斷定預(yù)應(yīng)力FRP對(duì)提高材料的抗彎強(qiáng)度及剛度起到了積極的作用。

雖然木材層板經(jīng)過(guò)分等，但通過(guò)對(duì)破壞試件分析， 10%UTS，20%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材上層層板的節(jié)子在壓頭附近有壓潰現(xiàn)象，20%UTS預(yù)應(yīng)力試件達(dá)到最大荷載、下層板破壞時(shí)，跨中竹材有脫指接現(xiàn)象，這可能是導(dǎo)致在10%UTS，20%UTS預(yù)應(yīng)力試件抗彎強(qiáng)度與彈性模量不符合總體趨勢(shì)的原因。40%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材由于預(yù)應(yīng)力過(guò)大，F(xiàn)RP與竹材之間界面承受的剪力較大，可能造成界面的損傷，從而不利于應(yīng)力的傳遞，整體表現(xiàn)為強(qiáng)度及彈性模量的降低。

圖3 不同預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的彈性模量Fig.3 The elasticity modulus of glulams strengthened by prestressed FRP

圖4 不同大小預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材中性軸位置Fig.4 The results of neutral axis of glulams strengthened by prestressed FRP

3.2 中性軸位置

預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材在不同大小預(yù)應(yīng)力下，在彈性范圍內(nèi)，抗彎試件的各層應(yīng)變呈現(xiàn)完全的線性關(guān)系，因此預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材滿足平截面假定。從圖4分析，當(dāng)FRP預(yù)應(yīng)力為0時(shí)，中性軸的位置在58.7 mm處，相對(duì)于橫截面幾何中心位置55.7 mm中性軸發(fā)生向下偏移，當(dāng)FRP預(yù)應(yīng)力為30%UTS時(shí)，集成材的中性軸位置在60.43 mm處，相對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)的竹木集成材偏移1.73 mm。因此這也表明對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力后，F(xiàn)RP的增強(qiáng)效果增強(qiáng)，對(duì)抵抗材料的整體變形貢獻(xiàn)變大。

3.3 撓度與荷載關(guān)系

預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材在彎曲實(shí)驗(yàn)中有較理想的彈性曲線，但常常沒有明顯的塑形變形階段。在集成材幾乎達(dá)到彈性極限荷載同時(shí)，集成材的下層板出現(xiàn)拉伸破壞；這是預(yù)應(yīng)力FRP、竹材與木材共同作用的結(jié)果。當(dāng)下層板木材達(dá)到塑形變形階段時(shí)，預(yù)應(yīng)力FRP與竹材仍然在彈性范圍內(nèi)，荷載增大時(shí)，使得集成材整體彈性曲線延長(zhǎng)直至下層板木材破壞。從圖5，圖6可以看出，無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材，在下層板破壞后荷載急劇下降46.80%，而隨著預(yù)應(yīng)力的增大，荷載下降的幅度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。30%UTS、40%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材在一次破壞后，承受荷載僅下降11%，18%。這也表明預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材在一次破壞后，仍然具有較高的荷載承載能力；這對(duì)于建筑物因外力受到破壞，保持建筑物不發(fā)生坍塌，為幸存者提供逃生時(shí)間有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 不同大小預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的撓度與荷載曲線Fig. 5 Diagram of the de flection and the load of glulam strengthened by prestressed FRP

圖6 預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材一次破壞后的荷載下降率Fig.6 Rate of load decrease of glulam strengthened by prestressed FRP after the fi rst destruction

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，研究了對(duì)FRP施加大小為0、10%UTS、20%UTS、30%UTS及40%UTS預(yù)應(yīng)力對(duì)集成材抗彎性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在FRP不同大小預(yù)應(yīng)力條件下，30%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的抗彎強(qiáng)度及彈性模量最大，抗彎強(qiáng)度達(dá)到73.05 MPa，彈性模量7 312.80 MPa。

（2）預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材符合平截面假定，且當(dāng)FRP預(yù)應(yīng)力為30%UTS時(shí)相對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)的竹木集成材中性軸向下偏移1.73 mm。

（3）預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材沒有理想的塑形變形階段，在一次破壞后，無(wú)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材則急劇下降46.80%，而30%UTS、40%UTS預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材承受荷載僅下降11%，18%，保有更高的荷載承載能力。

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材抗彎性能的初步研究，得到FRP預(yù)應(yīng)力在30%UTS左右時(shí)較為理想，但是由于木材的變異性大等原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性造成一定影響，因此還需對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材的力學(xué)性能做進(jìn)一步研究。

[1]Kadykova Y A, Artemenko S E, Vasil'Eva O V,et al.Physicochemical Reaction In Polymer Composite Materials Made From Carbon, Glass, And Basalt Fibers[J]. Fibre Chemistry, 2003, 35(6): 455-457.

[2]李允峰.玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的研究-單組份聚氨酯膠合工藝技術(shù)的研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2009.

[3]翟志文.落葉松集成材/BFRP膠合工藝研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

[4]張鵬翼.玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的力學(xué)性能研究[D].北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2012.

[5]陳 勇.BFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的試驗(yàn)與有限元分析[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2013.

[6]趙雪松, 王喜明, 塔 娜, 等. 基于ANSYS軟件的竹材曲面受壓過(guò)程分析[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009,30(1): 224-228.

[7]李雪梅. 基于有限元法木材力學(xué)性能模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009.

Preliminary study on bending property of wood-bamboo structural glulam reinforced by prestressed FRP

WANG Xi-jun, SHEN Shi-jie, JIN Ting-ting, YUAN Hui, ZHAO Shu-ping
(MOE Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

According tobending experiments of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP, the influence of prestressed FRP on bending strength, elastic modulus and the neutral axis was studied. The experimental results are as follows: bending strength, elastic modulus and the shift of neutral axis of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% of ultimate tensile strength(UTS) are most. In addition,they are respectively 73.05MPa, 7312.80MPa, 1.73mm compared with gulam with no prestressing. What’s more, after the fi rst destruction, the load of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% ,40% of UTS respectively declines11%，18% instead of 46.80% of glulam with no prestressing.

prestressing; FRP; gulam; bamboo; bending property

S781.21

A

1673-923X(2016)04-0116-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-11-12

國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（“948”計(jì)劃）項(xiàng)目“高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料制造技術(shù)引進(jìn)”（2012-4-20）

王希俊，碩士研究生

申士杰，教授，碩士研究生導(dǎo)師；E-mail：shijies@263.net

王?？。晔拷?，靳婷婷，等. 預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木集成材抗彎性能的初步研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(4): 116-119.

[本文編校：吳 彬]