劉昆玨 魏家旭 劉 問 胡雨村
(1. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650000;2. 北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)與木材復(fù)合可以提升木材構(gòu)件的承載力和剛度[1]。FRP具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐久性好[2-3]等特點,近年來,在利用FRP加強(qiáng)和穩(wěn)固木材方面取得了諸多研究成果[4-6],F(xiàn)ransesco等[7]采用實驗和數(shù)值模擬的方法探討了用碳纖維復(fù)合材料與膠合木梁節(jié)點連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺栓鋼板連接的可能性。Lu[8]通過實驗得出,用FRP加固膠合木能有效提高其抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度。Angelo[9]在受損木梁修復(fù)實驗中發(fā)現(xiàn),碳纖維復(fù)合材料可以彌合已有的木材裂縫,提高木梁的力學(xué)性能。然而,由于木材和FRP在蠕變系數(shù)、彈性模量等材料屬性方面存在明顯差異[10-11],及構(gòu)件加工不規(guī)范和材料本身尺寸效應(yīng),使得缺陷大多發(fā)生在粘結(jié)界面,同時在不同的濕度和溫度環(huán)境因素以及荷載因素的干擾下,界面裂縫極容易發(fā)生在FRP-木材粘結(jié)界面[12-13],并于不同接觸面間產(chǎn)生張拉破壞或剪切破壞。界面提前失效致使復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能未被充分利用,不利于實際工程的應(yīng)用推廣[14-16]。因此,界面問題至關(guān)重要但又非常復(fù)雜,決定著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能和壽命[17]。
針對FRP-木材粘結(jié)界面張開型(Ⅰ型)破壞,Ao等[18]研究了FRP-木材粘結(jié)界面性能與濕度變化的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)FRP-木材界面的強(qiáng)度決定了整個系統(tǒng)的機(jī)械性能。楊小軍等[19]通過雙懸臂梁試驗研究CFRP-木材界面Ⅰ型斷裂發(fā)現(xiàn),界面兩側(cè)材料的差異性可以改善界面裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。對于FRP-木材滑開型(Ⅱ型)及復(fù)合型(Ⅰ/Ⅱ復(fù)合型)破壞,使用錐形端部缺口彎曲試樣可以有效測量出斷裂韌性并檢測潛在的分層和裂紋擴(kuò)展。Crews等[20]通過FRP-木材粘結(jié)界面雙剪試驗發(fā)現(xiàn),界面剪切強(qiáng)度小于木材或膠黏層的強(qiáng)度,破壞產(chǎn)生于粘結(jié)界面。
界面斷裂性能對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有著重要影響,但是目前斷裂界面性能的相關(guān)實驗研究尚未形成規(guī)律性的結(jié)論用以預(yù)測斷裂縫在界面發(fā)展的趨勢,界面裂縫對FRP-木材復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能影響尚未明確。本文選取縫高比為0.3和0.4的兩組試樣,分別進(jìn)行Ⅰ型斷裂試驗即三點彎曲試驗和Ⅱ型斷裂即四點彎曲剪切試驗,根據(jù)所得到的荷載撓度曲線,分析其界面破壞形式,并計算斷裂韌度,歸納總結(jié)了界面斷裂規(guī)律。
膠黏劑為瑞士普邦單組分聚氨酯膠;木材為北美花旗松(Pseudotsuga menziesii),層板木尺寸為600 mm × 240 mm × 40 mm,含水率和密度分別為11.1%和0.63 g/cm3。
如圖1所示,將聚氨酯膠涂在2塊木板的40 mm ×600 mm截面上,再將加工完成的FRP板置于2塊木板涂膠面中間,對準(zhǔn)后通過彈簧將壓力均勻地施加于粘結(jié)界面。涂膠量不小于150 g/m2,彈簧壓縮壓力不小于1.25 MPa[21],將構(gòu)件表面溢出的膠剔除,構(gòu)件最終尺寸為40 mm (L)× 100 mm (R)× 480 mm(T)。本文研究木材在L方向與FRP粘結(jié)界面的斷裂性能,使用青島展翔機(jī)械廠生產(chǎn)的推臺鋸在一側(cè)涂膠面上切割預(yù)制切口,切口高度分別為72 mm和96 mm,因此,預(yù)制切口的縫高比相應(yīng)為0.3和0.4[22]。
圖1 構(gòu)件加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of component processing
試驗采用濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)的量程為100 kN的WDW-100E微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試,采用1.5 mm/min的位移控制加載速度,直至試件完全破壞。
I型斷裂試驗:如圖1所示,采用三點彎曲加載形式,加載路線與預(yù)制切口方向重合;在試驗中,支撐距離S一般設(shè)置為4倍W[23],即400 mm。
II型斷裂試驗:采用在預(yù)制縫兩側(cè)施加反對稱荷載的純剪加載方式,通過加載鋼梁的近加載點和遠(yuǎn)加載點,將力間接施加在構(gòu)件上;同時,近端支座與近加載點、遠(yuǎn)端支座與遠(yuǎn)加載點以預(yù)制切口為中心對稱布置,使得預(yù)制切口截面上彎矩為0,但剪應(yīng)力不為0,且均勻分布[24]。
圖2 斷裂試驗裝置圖Fig.2 Fracture experimental setup
FRP-木材粘結(jié)界面斷裂面擴(kuò)展通常有2 種方式分別使構(gòu)件產(chǎn)生不同的破壞形式,即沿FRP板與膠層接觸面的剝離破壞和沿膠層與木材接觸面的粘黏破壞,如圖3 所示。此外,由于最大斷裂能釋放率的方向決定著裂縫擴(kuò)展的方向,而木材本身是屬于各向異性的非均質(zhì)材料,F(xiàn)RP-木材粘結(jié)界面也會呈現(xiàn)類似各向異性和非均質(zhì)性的特點。這導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展面不會單純地只發(fā)生在粘黏破壞面內(nèi)或剝離破壞面內(nèi)。多數(shù)情況下,2 種界面破壞形式隨著裂縫的發(fā)展穿插交替進(jìn)行。本文對FRP-木材斷裂界面進(jìn)行如下定義:當(dāng)斷裂面為FRP板與膠層接觸面時,稱之為B類斷裂面;當(dāng)斷裂面為膠層與木材接觸面時,稱之為Z類斷裂面。
圖3 FRP-木材界面Fig.3 FRP-wood interface
Ⅰ型斷裂試驗的荷載撓度曲線如圖4 所示。根據(jù)圖中曲線特點,可將FRP-木材粘結(jié)界面Ⅰ型斷裂大致分為脆性斷裂和準(zhǔn)脆性斷裂2 種類型。準(zhǔn)脆性斷裂和脆性斷裂的不同之處在于,準(zhǔn)脆性斷裂存在斷裂軟化階段,即達(dá)到最大荷載后,荷載不會立刻消失,而是較為緩慢地減小到零;脆性斷裂則不存在上述的峰后軟化段,根據(jù)峰前上升段的特點,其可以分為存在非線性段和不存在非線性段2 種類型。
圖4 I型斷裂荷載-撓度曲線Fig.4 Curve of type I fracture load and deflection
Ⅰ型斷裂界面的破壞類型大致可分為4 種:B型破壞、Z型破壞、Z-B型破壞和B-Z型破壞。
當(dāng)主斷裂面為B類斷裂面時,由于此類界面的剝離性能非常均勻,在試驗中一旦缺陷擴(kuò)展,斷裂面立刻形成,因此主斷裂面較為光滑,此種破壞稱為B型破壞;其荷載撓度曲線在到達(dá)極限荷載前不存在非線性段,荷載達(dá)到峰值后會立即消失,因此試件斷裂破壞類型為脆性斷裂,如圖5a所示。
當(dāng)主斷裂面為Z類斷裂面時,由于膠層會滲透到木材層,斷裂面會粘結(jié)部分木材,因此界面發(fā)生粘黏破壞,即為Z型破壞;所對應(yīng)荷載撓度曲線在斷裂前存在非線性段,斷裂之后存在軟化段,如圖5c所示。
當(dāng)先發(fā)生Z型破壞后漸變?yōu)锽型破壞時,Z類斷裂面由于為粘黏破壞,因此存在木材纖維橋連現(xiàn)象,后隨著裂縫擴(kuò)展,漸變?yōu)锽類斷裂面,此時斷裂破壞界面光滑平整,為明顯的剝離破壞,此種破壞類型稱為Z-B型破壞;對應(yīng)的荷載撓度曲線在到達(dá)極值荷載前存在非線性段,達(dá)到峰值后荷載快速下降為0,因此斷裂類型為脆性斷裂,如圖5b所示。
圖5 I型斷裂界面的4 種破壞類型Fig.5 Four failure types of mode I fracture interface
當(dāng)先發(fā)生B型破壞后漸變?yōu)閆型破壞時,B類斷裂面部分先發(fā)生剝離破壞,之后裂縫擴(kuò)展到Z斷裂面發(fā)生粘黏破壞,此種破壞類型為B-Z型破壞;荷載撓度曲線存在明顯的峰后軟化段,構(gòu)件斷裂類型為準(zhǔn)脆性斷裂,如圖5d所示。
由圖6可知,進(jìn)行四點純剪試驗構(gòu)件的荷載撓度曲線不存在斷裂軟化階段,因此Ⅱ型斷裂均屬于脆性斷裂。在彈性階段時,構(gòu)件內(nèi)部還未出現(xiàn)損傷和微裂縫,荷載與撓度呈線性關(guān)系;隨著荷載繼續(xù)增加,構(gòu)件撓度增大,在裂縫尖端附近產(chǎn)生了不可恢復(fù)的損傷和微裂縫,此時荷載與撓度成非線性關(guān)系。到達(dá)峰值荷載后,荷載撓度曲線有兩類不同的發(fā)展趨勢:大部分構(gòu)件會立即斷裂,荷載立刻消失;另一部分構(gòu)件會存在一個荷載下降段。這是由于主斷裂面產(chǎn)生的位置不同引起的。因此構(gòu)件界面的Ⅱ型斷裂可分為兩類,即存在荷載下降段的脆性破壞和不存在荷載下降段的脆性破壞。
圖6 II型荷載-撓度曲線Fig.6 Curve of type II fracture load and deflection
Ⅱ型斷裂破壞界面大致可以分為B型和Z型斷裂破壞面2 種。
如圖7a所示,有著明顯荷載下降段的脆性破壞試件,其斷裂破壞界面為Z型。從破壞機(jī)理看,當(dāng)剛開始產(chǎn)生損傷和微裂縫時,木材斷裂滑移阻力是由木材順紋方向的纖維橋連力構(gòu)成。但由于Z類斷裂面膠層對木材層的滲入,隨著斷裂過程區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展,滑移阻力由木材順紋纖維剪切力轉(zhuǎn)化為纖維拉力。因此,達(dá)到峰值荷載后,荷載撓度曲線才存在下降段,但降幅不大,斷裂后的界面可觀察到纖維橋連現(xiàn)象。
圖7 II型斷裂界面的2 種破壞類型Fig.7 Two failure types of mode II fracture interface
另外,不存在荷載下降段的脆性破壞構(gòu)件的主斷裂面為B類斷裂面,如圖7b。由于FRP板和膠層粘結(jié)強(qiáng)度較小,因此產(chǎn)生的斷裂面會貫穿FRP板的表面,當(dāng)達(dá)到峰值荷載后,界面發(fā)生脆斷,破壞界面可能會有部分剝離木材殘留,但整體界面比較光滑。
起裂點是構(gòu)件材料內(nèi)部損傷形成的起點,表現(xiàn)為斷裂過程區(qū)的形成;試件斷裂點是微裂縫擴(kuò)展貫通,構(gòu)件斷裂破壞的點。由于木材是類似于混凝土的準(zhǔn)脆性材料,因此一般認(rèn)為起裂荷載對應(yīng)線彈性極限點,而斷裂荷載一般對應(yīng)的是最大荷載[25]。在荷載撓度曲線中,起裂點為線性階段與非線性階段的連接點,峰值荷載處則為斷裂點。三點彎曲斷裂試驗中運用公式(1)計算斷裂韌度KI(MPa·m0.5)。
由于B型斷裂和B-Z型斷裂的荷載撓度曲線在斷裂前基本不存在非線性段部分,因此0.3-1、0.3-2、0.3-3與0.4-1、0.4-2的起裂荷載與斷裂荷載相同,如表1所示,計算的起裂韌度等于斷裂韌度。而Z型和Z-B型斷裂破壞,斷裂前存在非線性段部分,斷裂荷載一般要大于起裂荷載。通過計算得出,縫高比為0.3和0.4的2組試件,F(xiàn)RP-木材粘結(jié)界面Ⅰ型斷裂的平均起裂韌度分別為0.438 MPa·m0.5和0.316 MPa·m0.5,平均失穩(wěn)斷裂韌度分別為0.448 MPa·m0.5和0.326 MPa·m0.5;起裂韌度略微小于或等于斷裂韌度,比值達(dá)到96%以上。
表1 I型斷裂韌度Tab.1 Type I fracture toughness
預(yù)制裂縫剪力Q(kN)按下式計算:
式中:s1為支座距離,取200 mm;s2為近點支座與施加荷載所在直線的距離,取10 mm。
則根據(jù)公式(4)計算FRP-木材粘結(jié)界面II型的起裂韌度Kini(MPa·m0.5)和斷裂韌度Kmax(MPa·m0.5)[26]。
當(dāng)主斷裂面為B型斷裂面時,荷載達(dá)到峰值時會立即發(fā)生剪切斷裂,起裂荷載和斷裂荷載相同,如表2中試件0.3-6,0.3-8。當(dāng)主斷裂面為Z型斷裂面時,由于木材層存在膠體的滲入,發(fā)生剪切斷裂時會發(fā)生纖維橋連現(xiàn)象,使得荷載撓度曲線在達(dá)到峰值荷載前存在非線性段,此時起裂荷載小于斷裂荷載。由表2可知,試件初始縫高比為0.3和0.4時,其Ⅱ型斷裂的平均起裂韌度分別為0.159 MPa·m0.5和0.209 MPa·m0.5,平均失穩(wěn)斷裂韌度分別為0.166 MPa·m0.5和0.213 MPa·m0.5;起裂韌度至少為斷裂韌度的95%以上,這表明起裂韌度與斷裂韌度十分接近。
表2 Ⅱ型斷裂韌度Tab.2 Type Ⅱ fracture toughness
通過對縫高比為0.3和0.4兩組構(gòu)件進(jìn)行FRP-木材粘結(jié)界面的三點彎曲斷裂試驗和四點剪切斷裂試驗,歸納Ⅰ型斷裂和Ⅱ型斷裂界面破壞規(guī)律,計算其斷裂韌度,得出以下結(jié)論:
1)FRP-木材粘結(jié)界面Ⅰ型斷裂有4種類型,即:主斷裂面發(fā)生在FRP板和膠層接觸面時的B型破壞;主斷裂面為膠層和木材接觸面時的Z型破壞;斷裂面先發(fā)生在FRP-膠層接觸面,然后再擴(kuò)展到膠層-木材接觸面時的 B-Z型破壞;斷裂面先發(fā)生在膠層-木材接觸面然后延伸到FRP-膠層接觸面時的Z-B型破壞。
2)FRP-木材粘結(jié)界面II型斷裂有B型和Z型斷裂破壞面2種類型。當(dāng)發(fā)生Z類斷裂面時,隨著滑移阻力由界面剪切力轉(zhuǎn)化為纖維拉力,構(gòu)件的荷載撓度曲線會有幅度不大的下降階段,斷裂面存在木材纖維的橋連和斷裂。當(dāng)發(fā)生B類斷裂面時,界面發(fā)生脆斷,達(dá)到峰值荷載后立即發(fā)生斷裂,荷載撓度曲線不存在下降段,F(xiàn)RP板被斷裂面的斷裂韌帶貫穿。
3)起裂斷裂韌度是材料本身的性質(zhì),F(xiàn)RP-木材粘結(jié)界面的起裂韌度與斷裂韌度十分接近,比值達(dá)到了95%以上,因此當(dāng)評價FRP-木材粘結(jié)界面斷裂性能時,可以運用起裂韌度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。