粘貼TiO2接枝改性亞麻纖維對(duì)膠合木柱軸壓性能的影響1)

左宏亮 賈茗睿 梅力丹

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)，是由基體材料與纖維材料按一定比例經(jīng)成型工藝復(fù)合形成。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，常見的種類有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)等[1]，由于FRP具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良的力學(xué)特性，故被大量應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中。膠合木作為木結(jié)構(gòu)建筑中常用的工程木質(zhì)品，具有不受尺寸截面限制、強(qiáng)度高、耐久性良好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。木柱作為結(jié)構(gòu)體系中主要豎向受力構(gòu)件，在木結(jié)構(gòu)中擔(dān)任重要的作用[4]，但木柱在軸心受壓狀況下易出現(xiàn)脆性破壞。因此，已有研究[5-7]分別采用了CFRP、BFRP、AFRP對(duì)木柱進(jìn)行加固試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用FRP加固木柱可改善其力學(xué)性能。

常見種類的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，雖然滿足建筑工業(yè)化發(fā)展的要求，但其生產(chǎn)與回收過程均將引起資源短缺與環(huán)境污染等問題出現(xiàn)。亞麻作為天然纖維材料，不但具有拉伸性能強(qiáng)、成本低、密度小等多種優(yōu)點(diǎn)[8]，而且其生物可降解性是解決塑料污染的有效途徑之一。為此，本研究以樟子松鋸材為基材制作膠合木柱；采用TiO2接枝改性亞麻纖維布為增強(qiáng)材料，以螺旋間隔、螺旋連續(xù)、環(huán)向間隔、環(huán)向連續(xù)粘貼形式制作增強(qiáng)膠合木柱；應(yīng)用位移計(jì)測(cè)量試件在軸壓狀態(tài)下的整體位移，設(shè)置應(yīng)變片測(cè)量試件加載過程中的變形量；在2 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸壓性能試驗(yàn)，測(cè)試并計(jì)算破壞形態(tài)、極限承載力、延性系數(shù)及荷載-位移、荷載-應(yīng)變曲線，分析不同粘貼層數(shù)和粘貼形式的TiO2接枝改性亞麻纖維對(duì)膠合木柱軸心受壓性能的影響。旨在為解決膠合木柱在軸壓狀態(tài)下出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試件制作

試驗(yàn)材料選用樟子松鋸材，材性試驗(yàn)測(cè)得其順紋抗壓強(qiáng)度為34.33 MPa、彈性模量為9934.46 MPa。選用哈爾濱興華織布廠生產(chǎn)的101號(hào)亞麻纖維坯布，參考文獻(xiàn)[9]制作增強(qiáng)膠合木柱需要的TiO2接枝改性亞麻纖維布，結(jié)構(gòu)用膠采用哈爾濱至誠(chéng)加固材料有限公司生產(chǎn)的ZC-T型碳纖維膠，其3層改性亞麻纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為201.51 MPa、彈性模量為6 166.11 MPa；6層改性亞麻纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為306.05 MPa、彈性模量為6 711.03 MPa。

試件橫截面尺寸為100 mm×100 mm、柱長(zhǎng)700 mm，倒角半徑為5 mm，共制作27根膠合木柱，每組3根，分為9組(見表1)。

表1 膠合木柱試件分組

1.2 測(cè)點(diǎn)布置與加載方案

試驗(yàn)在2 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，將2個(gè)量程100 mm的位移計(jì)分別布置于試件兩側(cè)，用于測(cè)量試件在軸壓狀態(tài)下的整體位移(圖1)。將應(yīng)變片分別布置在木柱和TiO2接枝改性亞麻纖維布表面的柱端及柱高中點(diǎn)處，用于測(cè)量試件加載過程中的變形量。TiO2接枝改性亞麻纖維布，粘貼形式及應(yīng)變片布置示意圖圖2。

1為磁力表座；2為試件；3為位移計(jì)；4為細(xì)繩；5為萬能試驗(yàn)機(jī)。

圖中除角度以外的數(shù)據(jù)單位為mm。

為減少試驗(yàn)誤差，在試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載值(F0)取破壞荷載估計(jì)值的1/50[10]；正式加載采用連續(xù)均勻加載方式，以1.5 kN/s的加載速率直至試件破壞；當(dāng)荷載下降至極限荷載的85%時(shí)，停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

未采取增強(qiáng)措施的普通膠合木柱，接近極限荷載時(shí)出現(xiàn)連續(xù)聲響，木材纖維被壓壞，柱體表面出現(xiàn)褶皺與裂縫，并迅速達(dá)到極限荷載。本次試驗(yàn)普通膠合木柱破壞形態(tài)可分為兩種模式，分別為沿木節(jié)開裂、端部局壓破壞(圖3)。

圖3 普通膠合木柱破壞形態(tài)

采取增強(qiáng)措施的膠合木柱，在加載前期出現(xiàn)木材擠壓聲和膠體開裂的細(xì)碎聲音；隨著施加荷載增大，聲音出現(xiàn)頻率較密集，臨近極限荷載時(shí)纖維布表面出現(xiàn)開裂、起鼓和褶皺等現(xiàn)象，隨后試件發(fā)生破壞。增強(qiáng)柱的破壞形態(tài)分為三種模式，依次為沿纖維布邊界壓潰破壞、纖維布斷裂破壞、纖維布表面出現(xiàn)褶皺(圖4)。

圖4 增強(qiáng)柱破壞形態(tài)

經(jīng)分析可知，木材沿纖維布邊界壓潰破壞的發(fā)生，主要是由于TiO2接枝改性亞麻纖維布與環(huán)氧樹脂相結(jié)合，硬化后的改性亞麻纖維復(fù)合材料相當(dāng)于具有一定厚度的傳力板，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致木材沿纖維布邊界處壓潰，最終試件柱發(fā)生破壞。纖維布斷裂的破壞現(xiàn)象，第一種情況，是由于纖維布包裹處或纖維布間隔處木柱存在自身缺陷，隨著荷載的不斷增加，木材發(fā)生劈裂以及起鼓，使纖維布發(fā)生斷裂破壞；第二種情況，是纖維布在膠合木柱棱角周圍發(fā)生斷裂，這是由于方柱存在角部作用效應(yīng)，在棱角處受力集中，使纖維布產(chǎn)生斷裂。纖維布表面出現(xiàn)褶皺的主要原因，是由于采用連續(xù)粘貼形式的纖維布使用量較大，有效限制木柱裂縫的開展、延遲木材自身缺陷的發(fā)生，在荷載加載達(dá)到極限荷載后，纖維布內(nèi)木材發(fā)生局部壓潰，但纖維布遠(yuǎn)沒達(dá)到抗拉強(qiáng)度，最終使纖維布表面出現(xiàn)褶皺。

2.2 膠合木柱荷載-位移曲線

由于本次試驗(yàn)柱的數(shù)量較多，因此在各試驗(yàn)分組中選取一根較為典型的柱，以位移值為橫坐標(biāo)、荷載值為縱坐標(biāo)，制得荷載-位移曲線(圖5)。

由圖5可見，膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下主要經(jīng)歷3個(gè)階段：第一階段為彈性階段，即在彈性屈服前，荷載與位移呈線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì)；第二階段為彈塑性階段，即屈服荷載與極限荷載之間，荷載與位移發(fā)展緩慢；第三階段為軟化階段，即在極限荷載之后，荷載開始下降，位移呈持續(xù)增長(zhǎng)階段。增強(qiáng)柱在彈性階段的斜率均大于普通膠合木柱，即粘貼TiO2接枝改性亞麻纖維布，在不同程度上可有效提高膠合木柱的剛度。當(dāng)試件柱達(dá)到極限荷載后開始進(jìn)入軟化階段時(shí)，普通膠合木柱下降段較短且下降趨勢(shì)較陡，說明普通柱的破壞較為突然；而增強(qiáng)柱下降段較長(zhǎng)且較為平緩，荷載-位移曲線包絡(luò)面積增大，即粘貼改性亞麻纖維布可提高膠合木柱抗變形能力。

圖5 膠合木柱荷載-位移曲線

2.2.1 膠合木柱極限承載力

由表2可見：與普通膠合木柱相比，螺旋間隔組、螺旋連續(xù)組、環(huán)向間隔組和環(huán)向連續(xù)組分別粘貼3、6層TiO2接枝改性亞麻纖維布，其平均極限承載力提高幅度介于4.64%～18.26%之間。4種不同粘貼形式的試件柱，粘貼3層的試件柱平均極限承載力LJ-1組提高4.64%、LL-1組提高12.27%、HJ-1組提高6.61%、HL-1組提高13.31%，粘貼6層的試件柱平均極限承載力LJ-2組提高9.70%、LL-2組提高14.66%、HJ-2組提高11.97%、HL-2組提高18.26%；粘貼6層比3層的木柱平均極限承載力，LJ組提高5.06%、LL組提高2.39%、HJ組提高5.36%、HL組提高4.95%。

通過對(duì)比數(shù)據(jù)可知，在粘貼層數(shù)相同時(shí)，連續(xù)粘貼對(duì)承載力的提高幅度大于間隔粘貼形式，而環(huán)向粘貼對(duì)膠合木柱的增強(qiáng)效果優(yōu)于螺旋粘貼形式；在粘貼形式相同時(shí)，平均極限承載力隨著改性亞麻纖維布粘貼層數(shù)的增加而提高。

2.2.2 膠合木柱延性系數(shù)

本研究取極限荷載的85%作為屈服荷載，其相對(duì)應(yīng)的位移為屈服位移；取卸載到極限荷載的85%作為破壞荷載，其對(duì)應(yīng)的位移為破壞位移[11]；計(jì)算得到各組試件柱的延性系數(shù)(見表2)。

由表2可見：與普通膠合木柱相比，采取增強(qiáng)措施試件柱組的平均延性系數(shù)均有明顯提高，提高幅度介于10.22%～68.17%之間。4種不同粘貼形式的試件柱，粘貼3層的試件柱，平均延性系數(shù)LJ-1組提高45.52%、LL-1組提高12.82%、HJ-1組提高68.17%、HL-1組提高11.18%；粘貼6層的試件柱，平均延性系數(shù)LJ-2組提高10.22%、LL-2組提高60.46%、HJ-2組提高57.35%、HL-2組提高21.03%。對(duì)于間隔粘貼形式，粘貼3層改性亞麻纖維布比6層的木柱平均延性系數(shù)有所提高，LJ組提高35.30%、HJ組提高10.82%；對(duì)于連續(xù)粘貼形式，粘貼3層改性亞麻纖維布比6層的木柱平均延性系數(shù)有所提高，LL組提高47.64%、HL組提高9.85%。由數(shù)據(jù)可知，間隔粘貼組的延性系數(shù)隨粘貼層數(shù)的增加而減小，而連續(xù)粘貼組的延性系數(shù)隨粘貼層數(shù)的增加而增大，即延性的提高幅度并不隨著粘貼層數(shù)的增加而成比例增長(zhǎng)。

表2 膠合木柱軸壓性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 膠合木柱荷載-應(yīng)變曲線

在每組中選取1根具有代表性的試驗(yàn)柱，將軸心受壓狀態(tài)下的柱端及柱中應(yīng)變數(shù)值變化情況，分別繪制出柱端和柱中的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線。

2.3.1 柱端荷載-應(yīng)變曲線

柱端的荷載-應(yīng)變曲線主要分為2個(gè)階段，第一階段為近乎線性的彈性階段、第二階段為應(yīng)變漲幅增大的彈塑性階段(圖6)。由圖6可見：增強(qiáng)柱在彈性階段由于施加外荷載較小，柱與纖維布未能充分結(jié)合，故柱面應(yīng)變始終大于纖維布的應(yīng)變值。在彈塑性階段前期，柱應(yīng)變依然大于纖維布應(yīng)變，但兩者差距不斷減少，纖維布開始對(duì)柱起到了有效約束作用；彈塑性階段后期，柱與纖維布的應(yīng)變曲線逐漸呈重合趨勢(shì)，表明兩者形成有效的協(xié)同作用，即改性亞麻纖維布發(fā)揮其拉伸性能，對(duì)膠合木柱產(chǎn)生橫向約束應(yīng)力，柱端呈三向受壓狀態(tài)，提高木柱抗壓強(qiáng)度，從而改善了其受壓性能，有效避免了脆性破壞的發(fā)生。其中，環(huán)向連續(xù)粘貼組，柱端的纖維布與柱的極限應(yīng)變值最大，HL-1組的纖維布與柱橫向極限應(yīng)變值分別為2 104×10-6、2 297×10-6，HL-2組的纖維布與柱橫向極限應(yīng)變值分別為2 158×10-6、2 311×10-6。

2.3.2 柱中荷載-應(yīng)變曲線

柱中的荷載-應(yīng)變曲線(圖7)：普通膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下，荷載與柱中豎向、橫向的應(yīng)變關(guān)系基本呈線性趨勢(shì)，彈塑性階段表現(xiàn)不明顯，這與其脆性破壞現(xiàn)象相吻合；增強(qiáng)柱的豎向、橫向應(yīng)變曲線，則均表現(xiàn)為彈性階段與彈塑性階段，且塑性變形較明顯。

由圖7可見：由于增強(qiáng)柱的中部區(qū)域在彈性階段時(shí)橫向變形較小，僅帶動(dòng)纖維布表面產(chǎn)生較小變形，但未發(fā)揮其約束效果，故纖維布與木柱的橫向應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)較一致，且在相同荷載下柱中纖維布的橫向應(yīng)變均小于柱的橫向應(yīng)變；在彈塑性階段，纖維布應(yīng)變開始漲幅較大，因纖維布與柱協(xié)同工作，故使纖維布與柱的應(yīng)變曲線呈重合趨勢(shì)。其中，環(huán)向連續(xù)粘貼組，柱中的豎向、纖維布與柱橫向極限應(yīng)變均最大，HL-1組極限應(yīng)變值依次為-4 795×10-6、2 238×10-6、2 696×10-6，HL-2組極限應(yīng)變值依次為-4 966×10-6、2 843×10-6、2 734×10-6。

對(duì)比圖6與圖7可見：柱端和柱中的纖維布與柱表面的橫向應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)較為一致，均表現(xiàn)為纖維布與柱的應(yīng)變值不斷增長(zhǎng)，且應(yīng)變曲線呈現(xiàn)重合趨勢(shì)。與柱端橫向極限應(yīng)變值相比，柱中的纖維布與柱橫向極限應(yīng)變值較大，進(jìn)一步說明增強(qiáng)柱的柱中為主要受力區(qū)域。此外，增強(qiáng)柱的豎向極限應(yīng)變值與極限承載力的變化規(guī)律相符，即豎向極限應(yīng)變值隨極限承載力的提高而增大。

圖6 柱端荷載-應(yīng)變曲線

圖中縱坐標(biāo)軸左半部分是受壓區(qū)、右半部分是受拉區(qū)。

3 結(jié)論

TiO2接枝改性亞麻纖維增強(qiáng)膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下存在3種破壞形態(tài)，分別為沿纖維布邊界壓潰破壞、纖維布斷裂破壞、纖維布表面出現(xiàn)褶皺。與普通膠合木柱表現(xiàn)出的沿木節(jié)開裂、端部局壓的脆性破壞形式相比，增強(qiáng)柱的破壞形態(tài)可有效抑制脆性破壞的發(fā)生。

TiO2接枝改性亞麻纖維增強(qiáng)膠合木柱，可提高極限承載力與剛度。在粘貼層數(shù)相同時(shí)，連續(xù)粘貼對(duì)于承載力的提高幅度大于間隔粘貼形式，而環(huán)向粘貼形式對(duì)于膠合木柱的增強(qiáng)效果優(yōu)于螺旋粘貼形式；在粘貼形式相同時(shí)，平均極限承載力隨著改性亞麻纖維布粘貼層數(shù)的增加而提高。

采取增強(qiáng)措施試件柱組的平均延性系數(shù)均有明顯提高，提高幅度介于10.22%～68.17%之間，有效約束膠合木柱并提高其抗變形能力。其中，間隔粘貼組的延性系數(shù)隨層數(shù)的增加而減小，而連續(xù)粘貼組的延性系數(shù)隨粘貼層數(shù)的增加而增大。

柱端和柱中的纖維布與柱表面的橫向應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)較為一致，均表現(xiàn)為纖維布與柱的應(yīng)變值不斷增長(zhǎng)，且應(yīng)變曲線呈現(xiàn)重合趨勢(shì)，增強(qiáng)柱的豎向極限應(yīng)變值隨極限承載力的提高而增大。