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欽州金固建筑科技有限責任加固公司：
纖維增強復合材料(FRP)是由纖維材料與基體 材料(樹脂) 按一定的比例混合后形成的高性能纖 維增強復合材料,質輕而硬、耐腐蝕、施工簡單、機械 性能優(yōu)越,已在建筑行業(yè)廣泛使用多年,能夠避免傳 統(tǒng)加固法如加釘、嵌縫加箍、粘貼金屬板、化學灌漿 等方法中對原有結構的破壞與化學腐蝕污染。欽州加固改造工程公司 優(yōu)良的力學性能使其在古建筑木結構節(jié)點加固、梁 柱補強、梁板連接、殘損修復等領域具有廣闊的應用場景,可以在基本保持古建筑“原真性” 的原則下顯 著提升木結構的力學性能與耐久性,從而成為當前 研究的熱點。
黏結是 FRP 增強最有效的方式。 [3] 界面問題至關重要但又非常復雜,決定著復合材料結構的性能和壽命。 [4] FRP -木材的黏結強度及耐久性受制于木材與 FRP 界面的耦合作用。然而木材是歷經(jīng)冗長、復雜的生物途徑而形成的天然高分子材料,通常情況下,FRP 與木材化學成分、樹種材性、強度特性差異性較大,具有天然的異質排斥性,在黏結、結合過程中會出現(xiàn)互相排斥的傾向與狀態(tài),還易受到木質材料生長缺陷、應力及環(huán)境等因子的動態(tài)影響,難以充分發(fā)揮 FRP 優(yōu)良的力學性能,對于木材的力學性能改善及木結構的加固、修復產(chǎn)生不利甚至是破壞性影響。
在此背景下,FRP 與木材的黏結性能評估已成為研究新型復合材料界面性能的重要組成,但目前尚未真正形成一套較為完備的木材-FRP 黏結加固修復理論。環(huán)境復合作用是 FRP-木材界面黏結性能耦合影響因素的核心因子,影響 FRP、木材、膠黏劑三者間的協(xié)同作用,同時 FRP、木材和膠黏劑對黏結界面的應力變化產(chǎn)生不同響應,導致界面性能降低,FRP-木材界面黏結性能耦合影響因素研究已成為木材加固、木結構修繕保護領域的關鍵性節(jié)點問題。因此,結合木材生物性屬性、木結構獨特結構特性,對 FRP-木材界面黏結性能耦合影響因素進行綜述。旨在促進木材加固工程、木結構修繕項目的理論發(fā)展和科學實施。
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材性變化
木材的生物性屬性決定了其黏結性能較之混凝土、砌體等材料更為繁雜。厘清 FRP-木材界面黏結性能的主要影響因素,不僅可以推進 FRP 的高效利用進程,還可以降低 FRP 對于內外部影響因素的響應度。
1.1 含水率
木材是一種吸濕性材料,其含水率不斷變化,以達到與周圍溫度和相對濕度的平衡,從而導致木材的物理和機械性能發(fā)生變化。 [5-6] 木材的含水率對木材的物理力學性能和黏結樹脂都會有影響,從而也影響著 FRP-木材的界面黏結性能。 [7]
Valluzzi 等的研究 [8] 表明:木材含水率顯著影響 FRP-木材復合材料的性能,當木材含水率從 10%增加到 30% 和 40% 時, 拉拔強度分別下降 31% 和44%。
1.2 材 種
黏結強度受到木材本身強度的限制,通常隨著木材密度的增加,黏結強度也會增加。 [9] 楊小軍通過對碳纖維增強材料(CFRP) 與落葉松、杉木的單面剪切試驗 [10] 發(fā)現(xiàn):復合材界面膠合性能在兩樹種間存在明顯差異,落葉松材性較好,其膠合性能優(yōu)于杉木。楊勇新等基于單剪試驗 [11] 發(fā)現(xiàn):粘貼 CFRP的樟木試件的拉剪黏結強度比福杉試件的大,這與樟木的各項木材物理力學性能順紋抗拉強度、順紋抗拉彈性模量、順紋抗壓強度、抗剪強度指標相對福杉優(yōu)越有著密切的關系。
通過對國內外 FRP-木材界面黏結性能研究的材種及 FRP 類型進行較為全面的梳理和匯總,得到 FRP-木材界面黏結性能材種匯總,如表 1 所示。
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預處理
2.1 木材防腐劑
在室外環(huán)境中使用時,通常會用防腐劑對木材進行處理,以防止真菌、蟲害和其他環(huán)境因素的影響。 [12,29-30] 基于國內外學者的研究,使用防腐劑會對 FRP 與木材的黏結性能造成負面影響。
木材中防腐劑的存在會改變木材中的水分含量,改變膠黏劑的 pH 值,抑制縮合反應,阻止表面膠黏劑潤濕,從而影響?zhàn)ず犀F(xiàn)象。 [31] 同時,防腐劑處理對材料縱向彈性模量、縱向拉伸性能和層間剪切性能會產(chǎn)生復雜的作用,降低材料的層間剪切強度。 [13,32] 因此,防腐劑類型、防腐劑保留量以及與表面的相互作用是影響?zhàn)そY剪切強度的重要因素。 [12,33-35] Kilmer 等分別對 4 種闊葉木進行黏結性能研究 [36] ,發(fā)現(xiàn):黏結劑不適用于雜酚油處理過的硬木,原因是雜酚油會抑制膠膜的吸濕,從而減緩或阻礙黏結劑固化,導致黏結性能不佳。Vick 等發(fā)現(xiàn) [37] :鉻酸銅砷酸鹽防腐劑處理過的木材細胞腔表面覆蓋著鉻、銅和砷混合物的沉積物,阻斷了黏結劑與木材之間的分子引力作用。
此外, Janowiak 等發(fā)現(xiàn) [38] :使用防腐劑對黏結固化速度也會造成影響。通過分別采用鉻酸銅砷酸鹽和五氯苯酚兩種防腐劑對苯酚-間苯二酚-甲醛黏結劑固化進行研究,發(fā)現(xiàn)防腐劑會減緩苯酚-間苯二酚-甲醛黏結劑的固化速度,同時需要更高的固化溫度。 [12]
2.2 木材表面打磨
除上述關于木材防腐劑對 FRP 與木材黏結性能影響研究外,還有學者針對木材表面粗糙程度影響進行分析。Lyons 等發(fā)現(xiàn) [39] :表面打磨粗糙,提高了 FRP-木間黏結強度。
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FRP 形制
FRP 易剪裁、設計性強, [40] 可以制成不同的形制以滿足木結構實際加固工程的需要。常用的 FRP 加固木結構形式如圖 1 所示。綜合國內外學者的研究,FRP 形制是影響 FRP-木材界面黏結性能的重要影響因素。
圖 1 常用的 FRP 加固木結構形式 [41]
Fig.1 Forms of FRP reinforced timber structures [41]
3.1 FRP 黏結形制
影響 FRP-木材界面黏結性能的 FRP 黏結形制主要包括黏結長度、黏結寬度、黏結層數(shù)、黏結厚度等參數(shù)。在 FRP 黏結長度對 FRP-木材界面黏結性能的影響方面,學者們的研究結論基本一致。FRP 黏結長度是影響剝離承載力的重要因素,在黏結長度小于有效黏結長度時,剝離承載力隨黏結長度增加而提高;當黏結長度超過有效黏結長度時,FRP 與木材間的極限黏結承載能力增幅較小或不再增加,但長度的增加可延緩黏結面的破壞過程。 [10,15-16,19-21] 楊小軍基于斷裂力學分析的半經(jīng)驗半理論模型 [42] ,并考慮了木材長方體型順紋抗壓強度,得到CFRP 與落葉松木材的有效黏結長度計算式如式(1a) [10] ,和 CFRP 與杉木木材的有效黏結長度計算式如式(1b) :
式中: L e 為 CFRP 有效黏結長度,mm; E c 為碳纖維布彈性模量,MPa; t c 為碳纖維布厚度,mm; p w 為木材的順紋抗壓強度,MPa。
Vahedian A 等基于拉拔試驗,結合回歸分析考慮了黏結寬度、木材寬度等因素的影響, 給出了CFRP-木材有效黏結長度的計算式 [17] :
式中: E f 為 FRP 彈性模量, MPa; t f 為 FRP 厚度,mm; f ut 為木材極限抗拉強度,MPa;根據(jù)試驗結果得到常數(shù) α =4.5π; β 為 FRP 與木材寬度比影響系數(shù)。
Lei 等基于試驗獲得的有效黏結長度 [22] ,與式(2)理論值進行比較,發(fā)現(xiàn)誤差值均小于 10%。
對現(xiàn)有關于 FRP-木材有效黏結長度數(shù)值和計算式的研究成果進行匯總整理,形成不同樹種與 FRP 有效黏結長度區(qū)間,如表 2 所示,以備黏結性能試驗和修繕加固技術使用參考。
除此之外,學者們還研究了 FRP 黏結寬度、黏結層數(shù)、黏結厚度對 FRP-木材界面黏結性能的影響。楊勇新等利用黏結剝離試驗裝置進行試驗 [11] , 結果顯示:隨著 BFRP 黏結寬度的增加,極限黏結荷 載和黏結強度都明顯提高;黏結長度一樣,極限黏結 荷載隨著層數(shù)的增加而線性增長,黏結層數(shù)越多,脆 性越大。Vahedian 等認為,隨著黏結寬度和木材抗 拉強度的增加,黏結強度顯著增加。 [17] 李向民等進 行了碳纖維布與木材黏結界面的單剪試驗,發(fā)現(xiàn)試 件極限承載力隨碳纖維布黏結寬度和厚度的增大而 增大。 [14]
FRP 黏結形制研究主要集中于 FRP 片材,關于 FRP 筋材研究較少,無法得出 FRP 筋材黏結形制的 統(tǒng)一結論。朱世駿等通過 GFRP 植筋膠合木試件黏 結性能試驗 [43] 發(fā)現(xiàn):平均黏結剪應力隨錨固長度增 大會減小,GFRP 筋有效黏結錨固長度約為錨固長 度 1/2。
3.2 FRP 材料形制
目前,研究使用的纖維增強復合材料主要有碳纖維 CFRP、玻璃纖維 GFRP、芳綸纖維 AFRP 和玄武巖 BFRP 等。 [1] FRP-木材界面黏結性能與 FRP材料形制密切相關。當 FRP 的剛度更大時,界面黏結應力就變得更加均勻,有效錨固長度也會增大,加載端附近黏結應力集中也將減弱, [10] 且具有較強變形能力的 FRP 將增加界面滑移,從而增加界面斷裂能,提高界面強度。 [24]
楊勇新等進行了 32 個試件的黏結性能試驗 [11] ,試驗結果顯示:隨著 FRP 布抗拉彈性模量的增加,拉剪黏結強度也明顯提高, 黏結長度相同,FRP 布彈模越大的試件,其極限黏結荷載也越大。Toumpanaki 等的試驗結果 [18] 表明:在單調荷載下 CFRP 筋黏結性能比 GFRP 筋高,GFRP 筋在正常使用極限狀態(tài)下黏結剛度更高。
基于文獻[11,18]的研究結果發(fā)現(xiàn):CFRP 的界究黏結強度要高于 BFRP 和 GFRP。但由于相關研進的文獻數(shù)據(jù)較少,無法歸納出規(guī)律性的結論,還需規(guī)一步深入開展不同 FRP 材料形制黏結性能變化律研究,如圖 2 所示。
圖 2 不同 FRP 與木材黏結強度變化關系
Fig.2 Relations between different FRPs and bonding strengths of wood
CFRP 對于木材力學性能的改善在古建筑加固工程中進行了應用。在世界文化遺產(chǎn)留園曲溪樓的加固修繕中采用了 CFRP 對木檁條、木梁、木擱柵等進行了承載力加固,在全國重點文物保護單位南京甘熙故居的木結構加固修繕中采用了 CFRP 對木柱墩接部位進行了整體性的加固,不僅滿足結構承載的安全要求,同時對木結構建筑的外觀影響和干預較小,滿足不改變歷史風貌的相關要求。 [44]
然而,CFRP 作為一種人工纖維復合材料也存在著不足之處。例如,CFRP 拉伸強度與模量遠高于木材,且斷裂伸長率低,與被加固或修復的木結構承載變形不協(xié)調,易導致界面提前失效。 [21]
近些年來,亞麻纖維復合材料逐漸興起。從材料性能來看,亞麻纖維復合材料以天然植物材料亞麻纖維作為其增強基體,與木材同屬于生物質材料, [45] 可生物降解、比強度和彈性模量高、 [46] 成本低、密度小, [47 ] 在聚合物復合材料中往往表現(xiàn)出更好的增強效果, [48] 是對新型復合材料在木材加固領域應用的重要補充,研究亞麻纖維復合材料與木材的黏結性能對于提高古建筑木結構保護修繕效果具有重要意義。但亞麻等天然纖維的應力應變關系曲線呈現(xiàn)非線性特征,經(jīng)向和緯向應力應變關系曲線也存在明顯差別的特點, [21,49] 同時天然纖維與大部分樹脂基體的相容性差, [50] 其與木材的黏結性能還需進一步深入研究。
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膠黏劑特性
木材的膠接問題較為復雜,膠黏劑與基材間界 面黏結力的作用機制為明晰膠黏劑對 FRP-木材界 面黏結性能的影響提供了重要的理論支撐。目前, 國內外已基于膠接現(xiàn)象建立起多種界面黏結理論, 主要包括吸附理論 [51] 、化學鍵理論 [52] 、擴散理 論 [53] 、弱界面層理論 [54] 、摩擦理論 [55] 、機械互鎖理 論 [56] 等?；瘜W鍵理論是應用最廣泛的一種理 論 [54] 。化學結合力來自木質材料和膠黏劑產(chǎn)生界 面效應的生成物,主要包括離子鍵和共價鍵,其結合 強度主要取決于結合數(shù)量、結合基團,以及促進化學 反應的活化成分。 [57] 擴散理論認為 2 個同種或異種 聚合物大分子之間相互擴散形成交織網(wǎng)絡過渡區(qū)而 發(fā)生膠接。 [58-61] 機械互鎖理論是基于膠黏劑嵌入基 底表面的原理,膠黏劑被鎖進木材表面不規(guī)則的粗 糙部分,進而形成膠接強度。 [62] 由于膠黏劑和基體 的種類和性質、膠合工藝等存在差異,用于解釋界面 黏結力形成的機理也不同,一般采用多種黏結理論 進行解釋。 [57]
此外,木材和 FRP 具有不同的特性,如強度、彈 性模量、表面特性。 [9] 膠黏劑是 FRP 與木材在接觸 界面和搭接處形成有效黏結、傳遞界面剪應力和正 應力的重要載體;膠黏劑的工作性能好壞直接決定 了復合結構的工作性能。 [7] 因此,適宜膠黏劑的選 取是十分重要的。
4.1 膠黏劑類型
用于木結構的膠黏劑大體上可以分為五類:酚類、聚氨酯類、三聚氰胺類、環(huán)氧類和生物質類。 [63] 環(huán)氧樹脂形式多樣化而且固化方便,具有黏附力很強和收縮性低等特點,被廣泛的應用。 [64]
國內外學者針對環(huán)氧樹脂進行了大量研究。文獻[65-66]的研究表明環(huán)氧樹脂類黏結劑能很好地保證木材與 FRP 界面的黏結強度 [7] 。但 Miao 等的研究結果 [67] 表明環(huán)氧樹脂用于 FRP 與木材的黏結強度不高。這可能是由于試驗過程中設置了不同的環(huán)境條件所引起的。環(huán)氧樹脂在應用過程中易發(fā)生老化,所處的環(huán)境條件比如光、熱、氧、水分、高能輻射、化學介質、電場等因素,通過內因使材料發(fā)生老化降解, 導致環(huán)氧樹脂性能劣化, [68- 69] 進而影響 FRP-木材黏結性能。
國內外學者還研究了其他類型的膠黏劑。Raftery 等發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的木材復合膠黏劑苯酚-間苯二酚-甲醛可以在 FRP 與木材之間形成有效黏結,采用 1.86%配筋率使剛度提高了 18%,極限承載力提高了 31%。 [25] Bianche 等分別測定了聚醋酸乙烯酯、硅酸鈉、間苯二酚-甲醛、生物基聚氨酯、改性硅酸鹽 5 種膠黏劑與木材界面的接觸角,發(fā)現(xiàn)生物基聚氨酯膠黏劑的接觸角最小,聚醋酸乙烯酯膠黏劑的接觸角最大。 [70]
近些年來,研究基于生物質原料的環(huán)保型膠黏劑成為新的趨勢?？捎脕碜鳛槟静哪z粘劑的生物質材料有淀粉、單寧、木質素、植物蛋白和動物蛋白等。 [71] 生物質基木材膠黏劑兼具環(huán)保和性能優(yōu)點,但其綜合性能特別是耐水性能與合成樹脂膠粘劑還 有一定的差距。 [72] 為了提高生物質膠黏劑的性能,一般需要采用物理、化學或生物方法對生物質膠黏劑進行改性。目前,主要改性方法包括堿改性 [73] 、尿素改性 [74] 、交聯(lián)改性 [75] 、酶改性 [76] 等。在此基礎上,利用復合改性方法或新型改性材料提高生物質膠黏劑的黏結強度、耐水性、防霉性取得了較好的效果。如,利用熱與酸、堿等化學試劑相結合 [77-78] 、去甲基化-羥乙基化復合改性 [79] 、超聲波作用下接枝共聚法改性 [80] 、納米 SiO 2 材料 [81] 等。但現(xiàn)有關于生物質膠黏劑的性能試驗大多針對木材間的膠接,生物質膠黏劑對于 FRP-木材的黏結性能還需進一步深入研究,以滿足不同用途木材加固修繕要求。
4.2 膠黏劑兼容性
FRP-木材黏結還須要考慮膠黏劑與木材防腐劑的兼容性問題。防腐劑中的化學成分阻止了膠黏劑與木材的有效結合,從而降低了膠接強度 [82] 。
Vick 等研究了 13 種水溶性防腐劑與酚醛膠黏劑作用于楊木的相容性,發(fā)現(xiàn)二癸基二甲基氯化銨、二癸基二甲基氯化銨和銅、二癸基二甲基氯化銨和氨基甲酸酯、氟化鈉、二氟化氫銨不影響?zhàn)そY,硼化防腐劑導致黏結不良。 [33] Sellers 等基于銅鉻砷處理后的木材黏結試驗,發(fā)現(xiàn)間苯二酚-甲醛黏合劑和實驗室改性間苯二酚膠黏劑混合物的試驗結果可滿足美國木材建筑協(xié)會標準。 [83] Winandy 等提出苯酚-間苯二酚膠黏劑與五氯苯酚相容,與銅鉻砷不相容。 [84]
4.3 膠黏形制
Toumpanaki 等設計了一種階梯楔形的黏結形式, [18] 如圖 3 所示。研究結果表明:該形式可以在較低的施膠量下產(chǎn)生更高的載荷能力,軸向抽出力隨膠層厚度增加而增加。
圖 3 黏結形式 [18]
Fig. 3 Bonding form
此外,研究 [85-88] 表明:改善木材與 FRP 膠接工藝可以提高 FRP-木材界面膠合性能。膠合優(yōu)化工藝主要包括:1)徑向橫拼竹板材作為木材和 FRP 過渡層,硅烷偶聯(lián)劑 KH550、偶聯(lián)劑羥甲基間苯二酚對竹材、FRP 進行處理;2) FRP 不做處理,竹材和木材表面涂布羥甲基間苯二酚;3) 優(yōu)化加壓時間、砂光目數(shù)、壓力等參數(shù)。
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外部環(huán)境
濕熱環(huán)境是對復合材料影響最為顯著的因素, [89] 同時,環(huán)境溫度和濕度的變化均會影響木結構的變形, [90] 相比于現(xiàn)代建筑,木結構建筑易受環(huán)境影響。 [91] 因此,有必要研究外部環(huán)境對于 FRP-木材黏結性能的影響。
5.1 濕 度
濕度對于 FRP-木材界面黏結性能的影響較為復雜。濕度改變不僅引起木材含水率變化,也會使其產(chǎn)生內應力, 發(fā)生翹曲和開裂。 [92] 同時, 木材、FRP 和膠黏劑對相對濕度的不同響應可能會使界面產(chǎn)生較大應力,最終導致界面失效。 [23,26,93]
Ao 等通過分子動力學模擬方法證實了水分子對環(huán)氧樹脂-木材界面具有弱化作用。 [23] 在干燥環(huán)境下,纖維素和環(huán)氧鏈的吸附與脫離之間的自由能差為 41.14 kcal/mol,吸附能為 29.89 mJ/m 2 ,在潮濕環(huán)境下,纖維素和環(huán)氧鏈的吸附與脫離之間的自由能界限為 11.40 kcal/mol,吸附能為 8.14 mJ/m 2 。Balmori 等進行了不同干濕條件下 GFRP 與西班牙楊木的剪切試驗和拉拔試驗,發(fā)現(xiàn)和干燥環(huán)境相比,在 40 ℃ 、90%相對濕度環(huán)境下加速老化后,剪切強度的變化在 5.16%~13.18%之間,拉拔強度的變化在 0.55%~34.47%。 [9]
5.2 溫 度
FRP-木材界面黏結性能受到溫度影響而不斷退化。FRP 和木材的熱膨脹系數(shù)差異較大,導致界面應力集中;同時,木材物理性能和順紋抗壓強度均隨著溫度升高而非線性降低,當溫度低于 100 ℃ 時,木材力學性能的變化主要是由含水率的變化引起的,當溫度在 120~200 ℃ 時,半纖維素、纖維素和木質素發(fā)生降解,導致木材力學性能顯著下降;此外,樹脂材料在復合材料中做基體使用,當環(huán)境溫度達到或超過 FRP 樹脂基體玻璃化轉變溫度(Tg)時,樹脂基體剛度和強度降低, FRP 機械性能下降。 [27,94-98] 如圖 4 所示。
圖 4 不同溫度下 FRP 彈性模量退化及失效模式[27]
Fig.4 Elastic modulus degradations and failure modes of
FRPs at different temperatures
不同膠黏劑在不同高溫環(huán)境下的界面黏結性能也不盡相同。岳孔等分別研究了高溫對于木材-間苯二酚-酚醛樹脂膠黏劑、木材-三聚氰胺-脲醛樹脂膠黏劑界面性能的影響。 [99] 結果表明:隨著溫度的升高,兩種膠黏劑的界面抗剪強度均明顯降低,木材-間苯二酚-酚醛樹脂界面較木材-三聚氰胺-脲醛樹脂具有更好的耐高溫性能。150 ℃ 時,木材-間苯二酚-酚醛樹脂和木材-三聚氰胺-脲醛樹脂的界面抗剪強度分別為常溫的 60.61% 和 60.92%;280 ℃ 時,木材-間苯二酚-酚醛樹脂界面抗剪強度降至 0.774 MPa,木材-三聚氰胺-脲醛樹脂界面抗剪強度降至 0 MPa。Valluzzi 等發(fā)現(xiàn):100 ℃ 時 FFRP 與環(huán)氧樹脂組成的復合材料拉伸強度與 20 ℃ 時相比下降到 70%,FFRP 與乙烯基膠組成的復合材料拉伸強度下降到 40%;當溫度為 140 ℃ 時 FFRP 與乙烯基膠組成的復合材料拉伸強度下降到溫度為20 ℃ 時的 20%。 [8] Richter 等發(fā)現(xiàn)使用環(huán)氧樹脂膠黏劑在溫度超過 60 ℃ 時表現(xiàn)出黏結強度下降,而使用聚氨酯膠黏劑在 70 ℃ 以上才有足夠的黏結強度。 [100]
FRP 材料形制也會影響 FRP 與木材在高溫環(huán)境下的黏結性能。研究 [101] 表明,在 60 ℃ 環(huán)境中暴露 720 h 后,GFRP 和 CFRP 加固木構件黏結強度降低了 10%,而 AFRP 加固木構件黏結強度沒有表現(xiàn)出強度降低。 [93]
5.3 特殊環(huán)境
Shekarchi 等進行了海水環(huán)境下 GFRP 筋與木材的拉拔試驗 [28] ,試驗結果表明,在模擬海水環(huán)境中浸泡 90 d 后平均黏結強度下降了 39%,主要破壞模式發(fā)生在膠黏劑-木材界面。文獻[101-102] 分別介紹了對暴露于酸性、堿性、淡水、海水環(huán)境中不同 FRP 與木材黏結性能的研究,發(fā)現(xiàn):酸性環(huán)境對 CFRP-木材黏結性能影響最大,強度降低 57%,海水和淡水環(huán)境對 CFRP-木材黏結性能影響最小,AFRP 和 GFRP 與木材黏結性能降低 40%,堿性環(huán)境對 GFRP 木材黏結性能影響最大;此外,雙向 CFRP和 AFRP 比單向 CFRP 和 AFRP 黏結強度高,雙向 AFRP 在堿性環(huán)境(pH=12.5)黏結強度退化嚴重。
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結束語
通過較為全面地整理和分析,得到以下結論:
1) 木材材性是 FRP-木材黏結性能的重要影響因素。特別是木材的含水率,受到溫濕度、防腐劑等多種因素的影響而發(fā)生規(guī)律性變化,致使其黏結性能發(fā)生改變。通常情況下, 過高的含水率會導致 FRP 木材黏結性能降低。此外,不同樹種的木材或同一樹種不同位置制成的木材與 FRP 黏結性能都不盡相同,目前還無法得出系統(tǒng)性研究結論。
2) 預處理(木材防腐劑)和膠黏劑(不相容情況下)對 FRP-木材界面黏結性能造成負面影響。預處理會導致黏結固化速度減緩、黏結強度降低等性能退化現(xiàn)象出現(xiàn)。此外,關于環(huán)氧樹脂是否適合作為 FRP-木材界面的膠黏劑依然存在著分歧。并且部分膠黏劑與木材防腐劑不相容。
3) 增大 FRP 形制的黏結長度、黏結寬度及剛度是提高 FRP-木材界面黏結性能的主要方式。其中,FRP 黏結長度與黏結寬度是關于 FRP 黏結形制對界面黏結性能影響的重要因素。在有效黏結長度對于 FRP-木材黏結性能的影響趨勢上已形成了基本共識,對于有效黏結長度的概念及其具體數(shù)值目前還沒有統(tǒng)一的研究定論。
4) 濕熱環(huán)境、酸堿溶液和海水等外部特定環(huán)境作用下,均會造成 FRP-木材界面黏結性能降低。關于 FRP、木材、膠黏劑三者耦合作用下的 FRP-木材界面黏結性能退化機理尚未明晰;特殊環(huán)境( 酸性、堿性、淡水、海水)對于不同形制 FRP-木材界面黏結性能影響及定量分析的研究數(shù)據(jù)量較小,使得該環(huán)境下的 FRP-木材界面黏結性能退化規(guī)律還未得出統(tǒng)一結論。
為進一步準確評估 FRP 與木材的界面黏結性能,結合前述研究提出以下建議:
1) 與木材同質、同性的高性能纖維增強復合材料的發(fā)掘將成為未來研究工作的新趨勢。從目前來看,亞麻纖維復合材料與木材性能相近、界面協(xié)調性高,兩者相黏結具有良好的應用前景,但關于亞麻纖維復合材料與基材界面黏結性能的研究仍處于初步探索階段,濕度環(huán)境變化下亞麻纖維復合材料-木材黏結性能穩(wěn)定性評估工作亟需進一步完善。
2) 由于國內、外樹種生長環(huán)境不同而引起的材性“南橘北枳” 現(xiàn)象。已有試驗結論主要源于生長于西班牙、美國等西方歐美國家的當?shù)貥浞N木材,但作用于樹木生長的生物與非生物因素差異性較大。因此,有必要開展關于國內樹種木材材性與 FRP 黏結性能的本土化研究,特別是古建筑木結構常用樹種材性的適應性研究。
3) 應從完善不同 FRP 材料種類(BFRP、AFRP等)黏結性能著手,研究不同 FRP 材料形制加固木結構設計理論。目前關于 FRP 黏結性能影響研究大多集中在 CFRP,有必要開展不同 FRP 材料形制對于黏結性能影響程度的評價研究,建立不同 FRP 材料形制的黏結性能數(shù)據(jù)庫,為古建筑木結構修復加固工程的 FRP 種類選擇提供參考依據(jù)。
4) 與古建筑木結構實際服役環(huán)境相吻合的 FRP-木材界面黏結性能外部環(huán)境作用機制研究將成為未來古建筑木結構 FRP 加固領域的重要研究內容之一。目前影響 FRP-木材界面黏結性能的外部環(huán)境因素研究主要包括溫濕度、酸堿溶液、海水等,缺乏針對古建筑木結構實際服役環(huán)境參數(shù)影響變化下的黏結性能退化機制的系統(tǒng)性研究。
5) 確立起基于不同錨固長度、膠黏劑與膠合技術標準的 FRP 與木材黏結-滑移本構關系, 拓展 FRP 高質、高效應用場景將是未來研究的重要方向。FRP 與木材黏結-滑移本構關系較為復雜,為準確反映 FRP 與木材界面的受力性能,從峰值黏結應力、峰值滑移量等關鍵參數(shù)值探究 FRP 與木材的黏結滑移機理工作亟待深入。責任編輯：http://www.hzymjy.com/