改性亞麻纖維增強(qiáng)膠合木梁受彎性能試驗(yàn)1)

左宏亮 王照穩(wěn) 李熠詩

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木結(jié)構(gòu)建筑能夠給人們提供安全、健康的生活空間，是優(yōu)質(zhì)的人居生態(tài)產(chǎn)品[1]。亞麻纖維與木材同屬于生物質(zhì)材料，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域能夠極大程度地減少碳排放，緩解全球的溫室效應(yīng)。膠合木是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中常用的工程木，多用于重型木結(jié)構(gòu)。膠合木能夠?qū)崿F(xiàn)高精度裝配，促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展；提高木材的利用率、達(dá)到劣材優(yōu)用的目的，從而緩解我國(guó)木材資源緊缺的狀態(tài)[2-5]。但普通膠合木梁，受彎時(shí)容易在梁底木節(jié)等缺陷處發(fā)生脆性破壞，并伴隨較大的木材劈裂，不僅破壞突然且有一定的危險(xiǎn)性，材料也難以充分發(fā)揮強(qiáng)度[6-7]。因此，需要一定措施改變膠合木梁的破壞形態(tài)，增強(qiáng)其抗彎性能。常見的增強(qiáng)方式分為配筋、粘貼纖維復(fù)合材、粘貼鋼板等[8]。本研究采用粘貼經(jīng)過納米TiO2接枝改性后的亞麻纖維復(fù)合材方式增強(qiáng)膠合木梁，構(gòu)建一種新型環(huán)保膠合木構(gòu)件；通過受彎試驗(yàn)分析在不同增強(qiáng)方式下梁的破壞形態(tài)、極限荷載、荷載-撓度曲線、截面應(yīng)變等性能，然后給出合理的粘貼增強(qiáng)方式建議。

1 材料與方法

膠合木梁采用云杉-松樹-冷杉板材(SPF木板)制作；試件分為8組(見表1)，每組3根，尺寸均為2 850 mm×50 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)；跨度取2 700 mm，兩端外伸75 mm；層板厚度均為25 mm，由6層板膠合而成；木材順紋方向，即膠合木梁的長(zhǎng)度方向；有箍膠合木梁的U型箍寬度為100 mm、凈距為100 mm、層數(shù)為6層，沿全跨粘貼。其中：LA0組，是沒有增強(qiáng)的普通膠合木梁；LA、LB組，均不設(shè)置U型箍；LA1、LA2組，分別為底部粘貼3層、6層改性亞麻纖維復(fù)合材料(FFRP)的膠合木梁；LB0、LB1、LB2組，底部FFRP長(zhǎng)度分別為1 500、1 400、1 300 mm；LC1、LC2組，分別在底部粘貼3層、6層FFRP的基礎(chǔ)上增設(shè)U型箍。采用LA0、LA2、LB0、LB1、LB2組，分析FFRP長(zhǎng)度對(duì)梁受彎性能的影響(界面粘貼性能)；采用LA0、LA1、LA2組，分析無箍膠合木梁底部粘貼FFRP層數(shù)對(duì)梁受彎性能的影響；采用LA1組與LC1組對(duì)比、LA2組與LC2組對(duì)比，分析U型箍對(duì)底部粘貼FFRP的膠合木梁的增強(qiáng)效果。

各組試件構(gòu)造見圖1～圖3。

表1 試驗(yàn)分組及試件參數(shù)

圖1 LA組試件構(gòu)造(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖2 LB組試件構(gòu)造(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖3 LC組試件構(gòu)造(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

數(shù)據(jù)采集使用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。粘貼膠合木上的應(yīng)變片規(guī)格為100 mm×3 mm，位移計(jì)分別設(shè)置在膠合木試驗(yàn)梁的支座、三分點(diǎn)、跨中(見圖4)。

試驗(yàn)采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載的方式進(jìn)行加載(見圖5)，首先預(yù)估普通膠合木梁的極限荷載，采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行加載，直至試件破壞；利用千斤頂對(duì)試件施加豎向荷載。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠合木梁的破壞形態(tài)與極限荷載

膠合木梁的破壞形態(tài)，主要為底層板脆性受拉破壞、底層板延性受拉破壞2種。①底層板脆性受拉破壞：普通膠合木梁、只在底部粘貼FFRP的膠合木梁，主要表現(xiàn)為脆性受拉破壞(見圖6)。這種破壞形態(tài)，在加載過程中沒有明顯的裂縫與聲響，主要在梁底層板木節(jié)處發(fā)生斷裂，破壞比較突然。②底層板延性受拉破壞：底部粘貼FFRP的有箍膠合木梁，主要表現(xiàn)為延性受拉破壞(見圖7)。破壞前，通常在底部受拉區(qū)三分點(diǎn)或跨中梁側(cè)出現(xiàn)橫向裂縫，并貫穿至梁底，梁底FFRP斷裂，試驗(yàn)梁產(chǎn)生較大撓度，但試驗(yàn)梁仍未破壞。通常在純彎段的U型箍旁或梁底的受拉區(qū)缺陷處發(fā)生受拉破壞，破壞征兆十分明顯，為延性受拉破壞。

圖4 各組試件應(yīng)變片布置(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖5 試驗(yàn)加載方式(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖6 膠合木梁的底層板脆性受拉破壞

圖7 膠合木梁的底層板延性受拉破壞

由表2可見：當(dāng)FFRP長(zhǎng)度不小于1 400 mm時(shí)，梁的承載力與FFRP長(zhǎng)度關(guān)系不大；但當(dāng)FFRP長(zhǎng)度小于1 400 mm時(shí)，梁的承載力所受影響較為明顯。對(duì)于無箍膠合木梁，底部粘貼FFRP后，梁的承載力提高36.49%～43.24%；但FFRP的粘貼層數(shù)不宜過多，粘貼層數(shù)過多反而會(huì)導(dǎo)致提高幅度有所下降；這是由于當(dāng)粘貼層數(shù)較多時(shí)，F(xiàn)FRP形成的片材厚度較大，由于未設(shè)置U型箍，所以底部FFRP不易與梁協(xié)調(diào)，影響構(gòu)件的整體性。當(dāng)?shù)撞空迟N3層FFRP時(shí)，有箍和無箍膠合木梁的抗彎承載力相差不大，但有箍梁的延性得到明顯提高。增設(shè)U型箍后，底部粘貼3層、6層FFRP的膠合木梁，抗彎承載力比普通膠合木梁分別提高了44.59%、56.76%，破壞形態(tài)由脆性破壞改變?yōu)檠有云茐?。U型箍對(duì)底部粘貼6層FFRP的膠合木梁增強(qiáng)效果更加明顯。這是由于底部粘貼3層的層數(shù)較少，膠合木梁底部的缺陷對(duì)承載力產(chǎn)生的不利影響比較明顯；而底部粘貼6層FFRP并設(shè)置U型箍時(shí)，U型箍使梁底木材與FFRP在加載過程中協(xié)調(diào)性能較好，6層FFRP充分發(fā)揮了強(qiáng)度，提高了整體性；又因?yàn)閷訑?shù)較多，削弱了木節(jié)對(duì)梁的不利影響，承載力得到明顯提高；因此U型箍對(duì)底部粘貼6層FFRP的膠合木梁增強(qiáng)效果更加明顯。

表2 膠合木梁的極限荷載

2.2 膠合木梁的荷載-撓度曲線

以跨中撓度作為橫軸，以荷載作為縱軸，選擇各組典型試驗(yàn)梁，繪制荷載-撓度曲線(見圖8～圖10)。由圖8～圖10可見：膠合木梁底部粘貼FFRP后，抗彎剛度明顯提高，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合方程，LA1組梁、LA2組梁的抗彎剛度，比LA0組梁的抗彎剛度分別提升了36.07%、21.87%，但FFRP的長(zhǎng)度對(duì)膠合木梁的抗彎剛度影響不大。增設(shè)U型箍后，底部粘貼3層FFRP的膠合木梁剛度變化不明顯，而底部粘貼6層FFRP的膠合木梁剛度提高較大。

圖8 粘貼不同長(zhǎng)度FFRP時(shí)膠合木梁的荷載-撓度曲線

圖9 粘貼不同層數(shù)FFRP時(shí)膠合木梁的荷載-撓度曲線

圖10 增設(shè)U型箍時(shí)膠合木梁的荷載-撓度曲線

2.3 膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線

為了更具體且直觀地反映在加載過程中試驗(yàn)梁的受力變形情況，繪制了膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線；規(guī)定荷載為零時(shí)相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榱悖菏芾瓍^(qū)應(yīng)變?yōu)檎?，受壓區(qū)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。

2.3.1粘貼不同長(zhǎng)度FFRP膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線

以測(cè)得的木材和FFRP的應(yīng)變作為橫軸，以荷載為縱軸繪出粘貼不同長(zhǎng)度FFRP時(shí)膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線(見圖11)。由圖11可見：在LB0、LB1組梁荷載-應(yīng)變曲線中，底層板與FFRP的應(yīng)變發(fā)展趨向基本一致，說明木材與FFRP有較好的協(xié)調(diào)性能。但LB2組在荷載為20 kN時(shí)，底板木材應(yīng)變出現(xiàn)突變，而底板FFRP仍呈線性遞增。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，LB2組梁，此時(shí)一側(cè)三分點(diǎn)處出現(xiàn)木材開裂的輕響，并伴有持續(xù)的木材與FFRP間膠層斷裂的聲音。說明此時(shí)膠合木梁底層板出現(xiàn)裂縫，但FFRP并未斷裂，木材在裂縫處與FFRP間出現(xiàn)滑動(dòng)而剝離。因此判斷，當(dāng)?shù)撞縁FRP的粘貼長(zhǎng)度小于1 400 mm時(shí)，膠合木梁由于在加載過程中梁底出現(xiàn)裂縫，使木纖維與FFRP間失去可靠粘結(jié)，發(fā)生剝離破壞，從而削弱了承載力與剛度的增強(qiáng)效果。

圖11 粘貼不同長(zhǎng)度FFRP膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線

2.3.2粘貼不同層數(shù)FFRP膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線

由圖12可見：LA1、LA2組破壞時(shí)，頂層板木材壓應(yīng)變分別為3.872×10-3、3.124×10-3，最大壓應(yīng)變明顯大于LA0組的1.927×10-3，說明底部粘貼FFRP使試驗(yàn)梁頂部受壓區(qū)強(qiáng)度發(fā)揮的更加充分。當(dāng)荷載相同時(shí)，LA2組的拉應(yīng)變小于LA1組，且都小于LA0組，說明FFRP減小了木材受拉區(qū)的應(yīng)變。

圖12 LA組荷載-應(yīng)變曲線

2.3.3 增設(shè)U型箍對(duì)膠合木梁荷載-應(yīng)變曲線的影響

取LA組梁與LC組梁的頂層板與底層板木材的應(yīng)變作為橫軸分別進(jìn)行比較(見圖13)。由圖13可見：在底部只粘貼FFRP時(shí)，試驗(yàn)梁的受壓區(qū)、受拉區(qū)均只有彈性變形，U型箍的增加使梁的受壓區(qū)出現(xiàn)塑性變形。LC1組與LC2組受壓區(qū)最大壓應(yīng)變，明顯大于LA1組與LA2組的值。可見，膠合木梁設(shè)置U型箍后，受壓區(qū)強(qiáng)度發(fā)揮的更加充分，破壞征兆更加明顯；U型箍的設(shè)置，也使梁底木材更加充分地發(fā)揮了強(qiáng)度。

圖13 增設(shè)U型箍前后荷載-應(yīng)變對(duì)比曲線

3 結(jié)論

對(duì)于底部粘貼6層FFRP的膠合木梁，當(dāng)FFRP的長(zhǎng)度不小于1 400 mm時(shí)，改變膠合木梁底部FFRP的粘貼長(zhǎng)度，梁的抗彎承載力與剛度變化不大。當(dāng)FFRP長(zhǎng)度小于1 400 mm時(shí)，梁的增強(qiáng)效果不夠明顯。因此，在不發(fā)生剝離破壞的前提下，F(xiàn)FRP的長(zhǎng)度對(duì)無箍膠合木梁影響不大。

底部粘貼FFRP對(duì)膠合木梁受彎性能具有增強(qiáng)效果。對(duì)無箍膠合木梁，底部粘貼FFRP能夠提高膠合木梁的抗彎承載力與剛度，但底部粘貼的層數(shù)不宜過多，粘貼層數(shù)過多反而會(huì)導(dǎo)致提高幅度有所下降；對(duì)有箍膠合木梁，其抗彎承載力與抗彎剛度，隨著底部粘貼FFRP層數(shù)的增加均有所增大。

當(dāng)?shù)撞空迟N3層FFRP時(shí)，有箍和無箍膠合木梁的抗彎承載力與抗彎剛度相差不大，但有箍梁的延性得到明顯提高；當(dāng)?shù)撞空迟N6層FFRP時(shí)，有箍梁的抗彎承載力和抗彎剛度比無箍梁均有明顯提高。

U型箍可以改變膠合木梁的破壞形態(tài)，無箍膠合木梁的破壞形態(tài)同普通梁一樣為脆性破壞，而有箍梁的破壞形態(tài)為延性破壞；U型箍能夠避免木材層板間開裂與橫向撕裂，增強(qiáng)FFRP與梁底部木材的協(xié)調(diào)性能，從而提高膠合木梁的抗彎性能。