BFRP與新疆楊木界面粘結(jié)滑移力學性能分析

周 玲，劉 清，馬生強，韓 霞

（新疆大學 a.建筑工程學院，b.新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830047）

木材的構(gòu)造十分復(fù)雜，不同的樹種具有不同的力學性能；同一樹種，不同部位和不同生長環(huán)境其力學性能亦不相同[1-2]。木材不同于其他任何固體材料，如金屬、混凝土等。它是典型的各向異性材料[3-6]。楊樹是世界上分布最廣，適應(yīng)性最強的樹種，據(jù)統(tǒng)計，世界最大的白楊林集中在我國的新疆塔里木河流域，那里的天然林面積超過32 萬hm2，占全國楊樹林面積的90%以上[7-8]。與其他類型的樹木相比，新疆楊樹屬于楊柳科重要的短輪伐樹木，其生理特性具有速生，耐鹽堿，耐嚴寒和易繁殖的能力[9-10]。上述優(yōu)點使得新疆楊木在鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)的傳統(tǒng)住宅建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。但是，楊木作為各向異性材料本身存在木節(jié)、裂紋等缺陷且其強度低[11]，因此須對新疆楊木構(gòu)件進行加固處理。纖維增強復(fù)合材料(Fiber reinforced polymer，簡稱FRP)具有強度高、重量輕、耐侵蝕、耐銹蝕和易于施工等優(yōu)點，是一種適于木結(jié)構(gòu)加固的復(fù)合型材料[12-15]。與常見的碳纖維相比，玄武巖纖維與其性能相近，但價格僅為碳纖維的十分之一。更重要的是，新疆擁有得天獨厚的玄武巖資源。

隨著FRP 加固結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，一些相關(guān)問題也隨之暴露出來。其中，最受學者們關(guān)注的問題便是兩者之間的粘結(jié)界面問題。大量研究表明，對于FRP 加固的木結(jié)構(gòu)，在荷載作用下FRP復(fù)合材料會與木構(gòu)件產(chǎn)生過大、過早的滑移甚至剝離[16-19]。導致較大滑移剝離的原因之一是木基材中的大裂紋被加速并誘發(fā)而沿界面繼續(xù)發(fā)展[20]?；苿冸x直接影響結(jié)構(gòu)的完整性和延展性[21]，從而使得FRP 對復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載力貢獻率降低。FRP 布從木材基材上的滑移剝離作用類似于RC 構(gòu)件，由于木材各向異性的本構(gòu)特性，這與混凝土的非線性本構(gòu)特性又有很大不同[22-25]。迄今為止，對于外貼FRP 布加固的木材，與RC構(gòu)件相比，對過早滑移剝離現(xiàn)象的研究較少[26-29]。盡管對FRP-木材界面的研究已有一定的文獻記載。但是，F(xiàn)RP 與周圍木纖維之間的粘結(jié)仍然需要進一步研究。

因此，選取新疆楊樹為研究對象，對BFRP-楊樹進行了拉拔試驗和分析，以了解BFRP-楊樹結(jié)合界面的力學性能。本研究旨在觀察加固試件的破壞模式，粘結(jié)剪切應(yīng)力分布和滑移值。通過相關(guān)的BFRP-楊木界面力學性能分析，研究結(jié)果將為在古建筑，鄉(xiāng)村建筑和城鎮(zhèn)建筑中楊木柱和梁的修復(fù)和加固提供技術(shù)參考和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

玄武巖纖維增強聚合物（BFRP）購自新疆拓新玄武巖纖維制品有限公司。該BFRP 布具有3 200 MPa的高拉伸強度，105 GPa的彈性模量，2.71%的伸長率和厚度 0.132 mm。采用購自武漢長江加固有限公司生產(chǎn)的質(zhì)量比為3∶1 的結(jié)構(gòu)膠（YZJCD）。YZJ-CD 的彈性模量為2 885.1 GPa，拉伸強度為53.9 MPa，軸向壓縮強度為101.7 MPa，伸長率為3.0%。此外BFRP 和增強粘合劑的性能均已通過中國化學建材測試中心的測試和授權(quán)。BFRP 和結(jié)構(gòu)膠粘劑的主要性能參數(shù)見表1。

表1 材料力學屬性Table 1 Material mechanical properties

本研究中使用種植于新疆吐魯番的白楊木。為了消除與木節(jié)、裂縫等有關(guān)粘結(jié)質(zhì)量的不均勻性，試驗中使用的木材全部來自同一批次的木材。試驗前，先將標準楊樹樣品分別進行含水率測試[30]、壓縮試驗和拉伸試驗[31-33]，目的是測量其基本物理和力學性能。試驗結(jié)果表明，白楊的平均含水率為10.0%，順紋抗拉強度為114.4 MPa，抗壓強度為36.5 MPa（表2）。

表2 楊木主要力學性能Table 2 Main mechanical characteristics of poplar

1.2 構(gòu)件細部和試驗裝置

目前國內(nèi)外大部分學者都采用單剪試驗對FRP－木材界面的粘結(jié)性能進行分析研究。為了使得本試驗研究能夠與現(xiàn)有國內(nèi)外學者的試驗研究進行分析對比，采用單剪試驗裝置。楊木試件的尺寸為340 mm×100 mm×40 mm；BFRP 片材的寬度為40 mm，粘結(jié)長度分別為60、80、100、120、140、160 mm。為防止靠近加載端的BFRP布產(chǎn)生應(yīng)力集中而拉斷，在加載端預(yù)留20 mm長的非粘結(jié)區(qū)。此外為了保證試驗機的夾頭能夠有效、牢靠地夾住BFRP 布，在BFRP 布的加載端端部另外再貼矩形加強片。應(yīng)變片沿纖維布中線在粘貼區(qū)內(nèi)不等間距布置。試件詳細信息見圖1。

圖1 試件的詳細信息Fig.1 Details of the specimen

表3 應(yīng)變片粘貼位置?Table 3 Pasting position of strain gauge

1.3 加載儀器及方案

試驗在新疆大學建筑工程學院結(jié)構(gòu)實驗中心的萬能試驗機上進行（圖2）。根據(jù)ISO 6238 和ASTM D905—03 標準[34]，負載以1 mm/min 的速度施加。加載之前，先固定楊木試件，然后用設(shè)備現(xiàn)有的夾具固定BFRP。在測試中，為了確保在測試中收集的數(shù)據(jù)的準確性，首先執(zhí)行預(yù)加載，然后進行靜力加載。整個過程使用靜態(tài)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)（DH3818）自動收集并記錄應(yīng)變儀數(shù)據(jù)。

圖2 試件加載示意Fig.2 Schematic diagram of specimen loading

2 結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)滑移理論的推導

如圖3，任取一微段，當BFRP 單軸受拉時，根據(jù)力的平衡條件 ∑F=0：

圖3 界面粘結(jié)靜載試驗微段受力Fig.3 Interfacial bonding static load test micro section force diagram

整個界面平衡可知：

假定相鄰應(yīng)變片之間的距離為xΔ，則上式可以轉(zhuǎn)化為：

局部滑移量：

再由數(shù)學差分可得：

在等式（1～10）中，εi和εj分別是在位置i和j處的兩個應(yīng)變片的應(yīng)變值；Δx是這兩個應(yīng)變儀之間的距離；Ef和tf分別是BFRP 的彈性模量和厚度；是相對滑移值；τ是界面的剪切應(yīng)力；bt和bf分別是木材和BFRP 的寬度；σt和σf分別是木材和BFRP 的軸向應(yīng)力；F和A分別是結(jié)合界面的粘結(jié)力和粘結(jié)面積。

2.2 破壞特性

試驗表明6 組粘結(jié)長度試件之間的破壞模式無顯著差異，主要有兩種破壞模式：BFRP 被拉斷和BFRP 因相對木纖維產(chǎn)生較大滑移而剝離（表4）。前者BFRP 布斷裂發(fā)生過一次是在夾片處，是由于加載時會在BFRP 處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而導致BFRP 布被撕裂，該破壞較突然。后者是界面的較為理想的破壞形態(tài)，表明BFRP 與楊木的界面粘結(jié)良好（圖4）。其破壞主要經(jīng)歷下幾個過程：1）在整個試驗的初始加載階段，界面的粘結(jié)主要由楊木與粘結(jié)劑之間的化學膠結(jié)力提供，此時界面的粘結(jié)剛度較大，BFRP 與楊木間的相對滑移主要是界面層的剪切變形；2）隨著荷載的增加，界面的剪應(yīng)力達到克服膠結(jié)力應(yīng)力時，局部滑移增大，此時滑移剛度迅速下降，且粘結(jié)應(yīng)力的增加速度減??；3）荷載繼續(xù)增加直至極限承載力，楊木與BFRP 布之間的粘結(jié)滑移發(fā)展，粘結(jié)力減小，接觸面損壞，界面產(chǎn)生裂紋，并且當施加的荷載達到最大軸拉荷載時，測試系統(tǒng)記錄到承載力突然衰減，BFRP 與木材的表面產(chǎn)生了較大的滑移，界面形成空洞，界面剪切脫粘，剝離發(fā)生，并伴隨有“砰”的聲音產(chǎn)生，BFRP 布被扯下，且試塊表層的木纖維被BFRP 連帶撕扯下來。值得注意的是，界面剝離破壞發(fā)生在楊木試快的表層，且試塊表層的木纖維被BFRP 連帶撕扯下來。同時可以觀察到木材的表面因有部分凸出的木纖維屑而凹凸不平。這是因為楊木的抗拉強度始終小于結(jié)構(gòu)膠體的抗拉強度，因此破壞處將粘下一層木纖維屑。這表明BFRP 與楊木的界面粘接良好。

圖4 試件的最終破壞形態(tài)Fig.4 Final failure state of the specimen

表4 不同粘結(jié)長度試件破壞模式Table 4 Ultimate load under different bond lengths and adhesive thickness

2.3 粘結(jié)面應(yīng)變分布特點

在不同載荷水平作用下，界面沿粘結(jié)長度方向的平均應(yīng)變分布如圖5所示。其中圖上距離為0 的點的應(yīng)變代表著未粘結(jié)區(qū)域的BFRP 的應(yīng)變。從圖5可以看出，在較低的載荷水平下，BFRP 的應(yīng)變主要在受力端附近發(fā)展，且應(yīng)變與加載端距離近似成比例增長，此時復(fù)合材料處于線彈性階段。此后隨著荷載的增加，直到施加的載荷P 達到極限載荷Pu為止，應(yīng)變發(fā)展沿粘結(jié)長度從受力端逐漸向自由端轉(zhuǎn)移，且應(yīng)變呈下降的趨勢。有趣的是粘結(jié)長度為60、80、100、120、140、160 mm 時，極限荷載分別為4.3、6.7、7.1、7.3、6.9、7.0 kN。這表明極限粘結(jié)荷載不會隨著粘結(jié)長度的增加而持續(xù)提高,在較長粘結(jié)長度的情況下，只有部分粘結(jié)長度會參與力的傳遞?？紤]到木材離散性的因素，L=100 mm 時與L=120 mm 時的極限荷載相差不大。當粘結(jié)長度增加到140 mm 時，極限荷載極限粘結(jié)強度沒有增長，它比L=120 mm時有明顯的降低，減少約5.5%。

圖5 各級荷載下試件應(yīng)變沿粘結(jié)長度的分布Fig.5 Strain distribution of the specimen along the bond length under various loads

2.4 粘結(jié)應(yīng)力發(fā)展及分布規(guī)律

圖6描述了通過等式（7）計算的局部粘結(jié)剪應(yīng)力沿粘結(jié)長度方向分布的過程。從圖中可以觀察到：各條曲線的走勢十分相似，均分為兩個階段：上升段和下降段。上升段包括彈性階段、彈性—塑性階段；下降段包括彈性—塑性—大滑移剝離階段。1）在較低的載荷水平下，只有靠近加載端處存在粘結(jié)剪應(yīng)力，且粘結(jié)應(yīng)力與加載端距離近似成比例增長，表明此時界面處于彈性階段；2）此后隨拉力荷載的增加，靠近加載端的界面粘結(jié)剪應(yīng)力隨載荷水平的增加而逐漸增加，而遠離加載端區(qū)域的剪應(yīng)力則沿著有效粘結(jié)區(qū)的擴張而傳遞，同時最大粘結(jié)應(yīng)力逐漸向自由端移動，這表明粘結(jié)界面處發(fā)生了應(yīng)力重分布。且BFRP 的應(yīng)力分布從加荷端沿著粘結(jié)長度呈現(xiàn)非線性下降的趨勢，表明界面粘結(jié)剪應(yīng)力是從加載近端沿著BFRP 有效粘結(jié)長度方向向加載遠端傳遞，此時界面處于彈塑性階段；3）當荷載達到極限值時，峰值粘結(jié)剪應(yīng)力由BFRP 布的受拉端向自由端逐步移動，且剪應(yīng)力隨有效區(qū)域的增加而減小，這表明界面進入了軟化滑移—剝離階段。隨后剪應(yīng)力不斷降低至0，此時BFRP 因產(chǎn)生較大滑移而從木塊上剝離。其中，當粘結(jié)長度為60、80、100、120、140、160 mm 試件的界面的平均峰值剪應(yīng)力τmax分別為1.45、1.78、2.61、2.74、2.75、3.04 N/mm2。表明，當玄武巖纖維布的寬度和厚度相同時，在一定范圍內(nèi)，BFRP 的粘結(jié)長度越長，玄武巖纖維布與楊木間的極限粘結(jié)應(yīng)力越大。但值得注意的是當粘結(jié)長度增加到140 mm 時,與其他粘結(jié)長度玄武巖纖維布相比，界面間粘結(jié)承載力的發(fā)展很小。這表明BFRP 布只在一定范圍內(nèi)對界面的粘結(jié)承載力產(chǎn)生影響，當其粘結(jié)長度超過一定界限值后，界面粘結(jié)承載力將不再隨BFRP 布的粘結(jié)長度的增加而繼續(xù)加大。也就是說，對于較長的粘結(jié)長度，只有部分粘結(jié)長度會參與BFRP 和木材之間的力傳遞。

圖6 各級荷載下試件的粘結(jié)剪應(yīng)力沿粘結(jié)長度的分布曲線Fig.6 Distribution curve of the bond shear stress along the bond length of the test piece under various loads

3 粘結(jié)應(yīng)力-滑移

圖7顯示了粘結(jié)長度分別為60、80、100、120、140、160 mm 試件按公式（7）～（8）計算得到各級荷載作用下粘結(jié)界面的局部粘結(jié)剪應(yīng)力和局部滑移，將兩者對應(yīng)結(jié)合起來就可得到局部粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線。圖中曲線趨勢可以分為兩個階段：上升段和下降段。上升段的斜率很大，很快就達到最大值。當粘結(jié)應(yīng)力達到極限粘結(jié)應(yīng)力的70%～80%時,曲線斜率隨著粘結(jié)應(yīng)力的增加持續(xù)下降，最終在粘結(jié)應(yīng)力達到最大值時降為零。通常FRP 復(fù)合材料和基材之間的局部脫粘行為的粘結(jié)滑移模型一般有剪滯型、單線型、曲線型、雙線型和矩形型。通過比較，發(fā)現(xiàn)修正的雙線型滑移模型更符合試驗中BFRP 與新疆楊木界面粘結(jié)滑移的模型。根據(jù)統(tǒng)計學分析可知，τ=f(s)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系式中，粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移曲線基本上為拋物線形狀，由上升段和下降段組成。其中上升段可以用二次拋物線表達，下降段近似可以用Logistic 表達，即，

圖7 試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.7 Bond stress-slip curve of specimen

式中：su為峰值粘結(jié)剪應(yīng)力對應(yīng)的滑移值，s為FRP 的滑移值，τ為粘結(jié)剪應(yīng)力。

4 結(jié)論與討論

楊樹是新疆的一大特色，在中國新疆木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展中具有相當重要的意義。本文通過拉拔試驗研究BFRP 與楊木界面的力學性能，主要得出以下結(jié)論：

BFRP-楊木的粘結(jié)界面主要有2 種破壞模式：BFRP 被拉斷和BFRP 因相對木纖維產(chǎn)生較大滑移而剝離。界面剝離破壞發(fā)生在楊木試塊的表層,并伴隨有“砰”的聲音產(chǎn)生。同時可以觀察到試塊表層的木纖維被BFRP 連帶撕扯下來。

BFRP 與楊木粘結(jié)界面的應(yīng)變分布從荷載端到自由端呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。在較低的荷載水平下，BFRP 的應(yīng)變主要在受力端附近發(fā)展，隨著荷載的增加，應(yīng)變發(fā)展沿粘結(jié)長度從受力端逐漸向自由端轉(zhuǎn)移。在粘結(jié)長度超過120 mm 的情況下，遠離加載端的應(yīng)變發(fā)展非常小。

BFRP 的粘結(jié)長度對界面的粘結(jié)剪應(yīng)力具有一定影響。當玄武巖纖維布的寬度和厚度相同時，在一定范圍內(nèi)，BFRP 的粘結(jié)長度越長，玄武巖纖維布與楊木間的極限粘結(jié)承載力越大。但值得注意的是當粘結(jié)長度增加到120 mm 時，界面粘結(jié)承載力將不再隨BFRP 布的粘結(jié)長度的增加而繼續(xù)加大。對于較長的粘結(jié)長度，只有部分粘結(jié)長度會參與BFRP 桿和木材之間的力傳遞?；谠囼灲Y(jié)果，BFRP 布與新疆楊木的有效粘結(jié)長度為120 mm。

通過統(tǒng)計學分析可知，在τ=f(s)粘結(jié)-滑移關(guān)系式中，粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移曲線基本上為拋物線形狀，由上升段和下降段組成。其中上升段可以用二次拋物線表達，下降段近似可以用Logistic 表達。

試驗中楊木試塊均選自無木節(jié)、裂縫等良好材料，今后將進一步試驗分析帶有木節(jié)部位的木材與BFRP 的有效粘結(jié)長度的關(guān)系，同時研究木材橫向?qū)τ行д辰Y(jié)長度的影響。