增強型木絲水泥板彎曲性能試驗研究

汪博，欒英琦，劉兆慧，萬里

（1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 211800；2.南京地鐵建設(shè)有限責任公司，江蘇南京 210017）

0 引言

木絲水泥板（Wood Wool Cement Board，簡稱WWCB）是以水泥為膠結(jié)材料，將刨制木絲充分浸潤、膠結(jié)成的復(fù)合板材[1]，相比于水泥刨花板其力學(xué)性能更好，應(yīng)用更為廣泛[2]。目前，歐洲和東南亞地區(qū)對木絲水泥板的生產(chǎn)和使用較多，并且在對木絲水泥板礦化、樹種選擇等方面，做了大量的研究工作[3-4]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速[5]，已完成應(yīng)用規(guī)范的制定[6]。

木絲水泥板中木絲厚度為0.2～0.5 mm，寬度為1～5 mm，大部分木絲厚度在0.25 mm左右，長度在200～400 mm，易與砂漿、混凝土等無機基體材料結(jié)合[7]。木絲根據(jù)用途不同分為細木絲和粗木絲，細木絲用于普通木絲水泥板的制作，寬度約1.8～2.0 mm，粗木絲用于有特殊及較高要求的外墻板的制作，寬度為3.5～4.0 mm。在早期應(yīng)用中，木絲水泥板的結(jié)構(gòu)形式主要以條板為主，寬度為500～600 mm，長度可長達3 m，厚度為20～150 mm。近年來，隨著其生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，環(huán)保、輕質(zhì)、吸聲[8]、吸濕[9]等優(yōu)勢明顯，被作為預(yù)制墻體構(gòu)件[10]，在中低層建筑中逐漸得到應(yīng)用。

1 試 驗

1.1 原材料

木絲水泥板：木絲采用速生楊樹刨制，楊木具有質(zhì)量好、成材周期短、抗病蟲害、加工性能好等優(yōu)點，木絲需要經(jīng)過礦化，即將木絲中有機態(tài)化合物轉(zhuǎn)化為無機態(tài)化合物，才能用于制作木絲水泥板。硅酸鹽礦化劑：淡黃色，無味，無錫泛亞環(huán)保有限公司；水泥：山東陽春牌P·O42.5；樹脂：196型不飽和聚酯樹脂，廣東鑫得佳復(fù)合材料有限公司，黏度為0.75～1.28 Pa·s。耐堿玻纖網(wǎng)格布：規(guī)格為100 g/m2，網(wǎng)格間距10 mm。

1.2 試件制備

1.2.1 木絲水泥板制備

原木在刨成木絲后，首先添加礦化液使木絲充分浸潤、礦化，再按木絲板密度的70%添加干水泥進行拌合。拌合完成后分批鋪設(shè)入模，為避免脫模時壓板與木絲粘結(jié)，需進行覆膜，然后再進行加壓養(yǎng)護，最后脫模成型

為了便于性能對比，所有木絲水泥板試件均加工成尺寸為400 mm×100 mm×50 mm的木絲水泥短梁（Wood Wool Cement Beams，簡稱WWC Beams），密度約為400 kg/m3。

木絲水泥板受彎作用時，其上部受壓，下部受拉，木絲是其主要承力組分材料。由于木絲主要沿長度方向受力，若能將木絲沿彎曲的拉壓方向排列，其抗彎性能將會得到更充分發(fā)揮。將木絲定向排列的木絲水泥板被稱為定向木絲水泥板（Oriented Wood Wool Cement Board，簡稱OWWCB）。除了木絲方向外，定向木絲水泥板的制備工藝與普通木絲水泥板類似。由于目前僅能采用手工方式排列木絲，經(jīng)過多次嘗試，木絲定向率可以維持在70%左右。

密度等級為400 kg/m3的普通木絲水泥板與定向木絲水泥板每組3個試件的實測密度見表1。

表1 普通木絲水泥板與定向木絲水泥板試件的實測密度

1.2.2 玻纖網(wǎng)格布增強木絲水泥板制備

為了進一步增強木絲水泥板的性能，出于工藝考慮，在鋪設(shè)木絲時，分別在板的中間、1/3厚度層處，以及上下面層鋪設(shè)玻纖網(wǎng)格布。木絲水泥板的3種網(wǎng)格布增強方式見圖1。

在加鋪網(wǎng)格布后，木絲的鋪設(shè)采用隨機方式進行，不作特殊處理?？紤]到網(wǎng)格布在木絲水泥板中直接鋪設(shè)，玻璃纖維由于受壓彎曲，可能無法完全發(fā)揮作用。預(yù)先將網(wǎng)格布浸膠，待其固化成型后，網(wǎng)格布具有一定的剛度（見圖2）。鋪設(shè)的過程中不會因為木絲的擠壓產(chǎn)生太大的變形，從而提高木絲板的整體性能。

圖1 木絲水泥板的3種網(wǎng)格布增強方式

圖2 浸膠網(wǎng)格布增強木絲水泥板制作

采用5種不同的增強方式，制備21個纖維增強木絲水泥板試件，詳細方法如表2所示。

表2 玻纖網(wǎng)格布增強型木絲水泥板試件的增強方式

1.3 試驗方法

為了對比不同類型試件的彎曲性能，根據(jù)GB 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行加載，加載方式如圖3所示。加載裝置為20 kN計算機控制電子萬能試驗機，MTS公司生產(chǎn)。采用位移控制加載，以2 mm/min的加載速度對試件連續(xù)進行加載，并詳細記錄試件的破壞模式、極限承載力、最大位移等。為了更精確地了解木絲水泥板的跨中撓度，在跨中位置布置了1只20 mm量程位移計。

圖3 試件彎曲加載示意

2 普通和定向木絲水泥板的彎曲性能

普通木絲水泥板的主要破壞形態(tài)主要包括：底面木絲纖維拉斷、上層面層受壓屈曲，并且以下部的木絲拉斷破壞居多，如圖4所示。普通木絲水泥板的荷載位移曲線如圖5所示。普通木絲水泥板的彎曲承載能力主要取決于上部的抗壓與下部的抗拉能力。由于木絲亂序布置，在相同密度及配比的情況下，板的彎曲性能差異不大。

圖4 普通木絲水泥板的破壞形態(tài)

圖5 普通木絲水泥板的荷載-位移曲線

定向木絲水泥板與普通木絲水泥板的破壞現(xiàn)象略有差異，如圖6所示，主要表現(xiàn)為木絲板分層剪切破壞，并伴有上部受壓破壞發(fā)生。普通木絲水泥板與定向木絲水泥板的彎曲性能對比見表3。

圖6 定向木絲板的破壞形態(tài)

表3 普通木絲水泥板與定向木絲水泥板的彎曲性能對比

從表3可以看出，與普通木絲水泥板相比，定向木絲水泥板的破壞荷載提升并不明顯，平均僅提升了約2%。

定向木絲水泥板的荷載位移曲線如圖7所示，其形態(tài)與普通木絲水泥板的類似。結(jié)合定向木絲水泥板的破壞形態(tài)分析，雖然木絲方向調(diào)整預(yù)期會提高彎曲方向上的抗拉壓性能，但其順序鋪設(shè)方式使得木絲鋪層的層間性能被大幅度地削弱了，層間剪切破壞過早出現(xiàn)，因而性能提升并不明顯。

圖7 定向木絲水泥板的荷載-位移曲線

3 增強型木絲水泥板的彎曲性能

3.1 網(wǎng)格布直接增強

采用3種方法對網(wǎng)格布增強型木絲水泥板（木絲層間剪切、下面層網(wǎng)格布及木絲拉斷等破壞模式）進行測試，不同增強方式的破壞形態(tài)差別較大，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板的破壞形態(tài)

從圖8（a）可以看出，D組試件由于網(wǎng)格布主要布置于短梁的中部，在抗彎加載過程未起到有效作用。因此其破壞形式與普通木絲水泥板類似，破壞荷載略有降低，因而不建議采用該種方式進行增強。圖8（b）中S組試件（1/3厚度處鋪設(shè)）在加載初期的現(xiàn)象與D組試件類似，由于網(wǎng)格布靠近中部，下層的木絲首先開始拉裂。隨著變形的增大，網(wǎng)格布開始起到抗拉作用，最后在增強位置與木絲之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖8（c）中M組試件（上下面層增強）與前述各組試件相比，在加載初期破壞形態(tài)稍有不同。由于面層有水泥及纖維網(wǎng)格布增強，隨著撓度的增加，網(wǎng)格布粘結(jié)處開始生斷裂。并且，隨著荷載的進一步增大，木絲也開始斷裂，并出現(xiàn)層間剝離的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致試件完全喪失承載能力。

網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板的性能見表4。網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板荷載-位移曲線如圖9所示。

表4 網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板的彎曲性能

從表4可知，3種網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板的極限荷載與其布置方式有著直接關(guān)系，與前文所述的破壞形態(tài)分析基本一致。與普通木絲水泥板相比，D組反而略有降低，S組略有提高，而M組則提高幅度較大，達到30%。

圖9 網(wǎng)格布直接增強木絲水泥板的荷載-位移曲線

從圖9可以看出，D組試件的荷載位移曲線也與普通木絲水泥板類似，極限破壞荷載分布的離散性較高，S組試件與M組試件的彎曲性能相對較穩(wěn)定，曲線形狀類似。

與S組試件相比，M組試件整體位移減小了約5%，兩組試件的曲線斜率基本相同。從最終破壞形態(tài)看，基本未發(fā)現(xiàn)纖維完全斷裂的情況。因而可以判斷，試件中的纖維布作為增強材料，并未完全發(fā)揮作用。

3.2 浸膠網(wǎng)格布增強

為了確保玻璃纖維網(wǎng)格布能夠充分發(fā)揮其性能，分別制作了網(wǎng)格布浸膠增強普通木絲水泥板和定向木絲水泥板各3個試件。

3.2.1 浸膠網(wǎng)格布增強普通木絲水泥板

試驗破壞形態(tài)如圖10所示，荷載-位移曲線如圖11所示。

從圖10可以看出，3個試件的破壞形態(tài)基本相同，均為上面層受壓破壞，并伴有少量分層。

從圖11可以看出，浸膠后，試件的荷載增長迅速，而位移則相對增長較慢，表明纖維布的增強作用得到了充分發(fā)揮。

圖10 浸膠網(wǎng)格布增強木絲水泥板的破壞形態(tài)

圖11 浸膠網(wǎng)格布增強普通木絲水泥板的荷載-位移曲線

3.2.2 浸膠網(wǎng)格布增強定向板

浸膠網(wǎng)格布增強定向木絲板的破壞形態(tài)如圖12所示，其荷載-位移曲線如圖13所示。浸膠網(wǎng)格布定向與非定向增強木絲水泥板的性能對比見表5。

圖12 浸膠網(wǎng)格布增強定向木絲水泥板的破壞形態(tài)

從圖12可以看出，浸膠網(wǎng)格布增強定向木絲板的破壞形態(tài)基本都為下部木絲輕微斷裂。但與其它試件不同的是，直到試件完全喪失承載能力，定向板的破壞都不太明顯，與其在極限時的形態(tài)基本相同。待試驗終止后仔細檢查發(fā)現(xiàn)，木絲及網(wǎng)格布間存在拉斷現(xiàn)象。由此可以看出，浸膠網(wǎng)格布增強定向木絲水泥板的主要破壞形態(tài)為增強層與木絲之間的近界面破壞。

圖13 浸膠網(wǎng)格布增強定向木絲水泥板的荷載-位移曲線

表5 浸膠網(wǎng)格布增強定向與非定向木絲水泥板的彎曲性能對比

從表5可以看出，網(wǎng)格布浸膠后，增強定向木絲水泥板的極限荷載較普通木絲板提高了約29%，極限位移增大了約26%。

4 結(jié)論

（1）定向木絲板由于木絲的定向性會導(dǎo)致鋪層間出現(xiàn)剪切破壞，整體抗彎性能未能提升，不建議采用該種增強方式。

（2）直接采用玻纖網(wǎng)格布鋪設(shè)于木絲板表面時，可以起到一定的增強效果，但由于網(wǎng)格布的初始剛度低，增強作用存在滯后問題，導(dǎo)致其對抗彎性能的提升效果有限。

（3）通過將玻纖網(wǎng)格布預(yù)浸膠的方式，可以明顯地提高玻纖增加普通木絲水泥板和定向木絲水泥板的彎曲性能，是一種方便、有效的增強方法。