浅谈FRP与木材粘结性能影响因素

发表时间:2019/8/29   来源:《知识-力量》2019年10月40期   作者:欧盈
[导读] FRP-木复合材料中FRP与木材间的界面粘结性能是决定其整体性能的重要因素,本文从材料性能、材料含水率、界面处理和粘结尺寸四个方面对影响FRP与木材间粘结性能的主要因素进行简单的介绍,并对FRP-木复合材料的研究提出相关建议,以期促进对后续FRP-木复合材料的发展与应用。
(西南科技大学,四川 绵阳 621000)
摘要:FRP-木复合材料中FRP与木材间的界面粘结性能是决定其整体性能的重要因素,本文从材料性能、材料含水率、界面处理和粘结尺寸四个方面对影响FRP与木材间粘结性能的主要因素进行简单的介绍,并对FRP-木复合材料的研究提出相关建议,以期促进对后续FRP-木复合材料的发展与应用。
关键词:FRP;FRP-木复合材料;粘结性能

 
           纤维增强复合材料(FRP)是一种高性能材料,具有轻质、高强、耐久性好、耐腐蚀性强等诸多优异性能,多应用于结构加固及复合材料中的增强材料。近年来,FRP与木材复合而成的FRP-木复合材料在建筑工程领域的应用上有较大发展。而FRP与木材之间的粘结性能是影响FRP-木复合材料整体受力性能的主要因素,是保证FRP与木材协同作用,充分发挥二者材料优势的关键。影响FRP与木材间粘结性能的因素很多,本文就材料性能、材料含水率、界面处理和粘结尺寸四方面进行简要的阐述。
          1 材料性能
          1.1 木材
          不同种类木材的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度以及弹性模量不同。而对于同种木材,在顺纹与横纹方向上表现出的力学性能也不同。通过杨勇新等[1]对顺纹、横纹的福杉和樟木与FRP布间粘结性能的试验研究可得出,在使用FRP类型、粘接长度、粘结层数等其余条件均相同的情况下,顺纹试件的极限粘结荷载大于横纹试件。在木材性能上,樟木力学性能优于福杉,而试验所得的樟木试件的极限粘结荷载大于福杉试件。由此可见,不同种类的木材,在与FRP的粘结力学性能上表现出一定程度的差异,选用木材的纹理情况也会影响FRP-木复合材料间的粘结强度。
          1.2 FRP
          常用的FRP有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。不同种类的FRP的弹性模量、拉伸强度不同,与木材复合体现出的粘结性能也不同。有研究表明[1],随着FRP抗拉弹性模量的增加,试件的拉剪粘结强度也相应提高,在粘结长度、粘结宽度、粘结层数等其余条件均相同的情况下,FRP抗拉弹性模量越大,对应试件的极限粘结荷载也越大。可见,弹性模量较高的CFRP在与木材的粘结上更具优势。
          1.3 粘结树脂
          粘结树脂是FRP与木材界面间进行粘结、传力的重要成分,其性能直接影响了FRP-木复合材料的整体工作性能。杨勇新等[1]对使用E2500S和LICA两种不同粘结剂的FRP布与木材的粘结性能进行了研究,结果表明,试件的极限粘结荷载因粘结树脂种类的不同而有所变化,这可能与粘结树脂本身的力学性能或被粘结材料的性质有关。
          2 材料含水率
          木材的含水率决定着木材细胞壁中微纤丝间的相对位移,会对木材的力学性能产生影响,从而影响木材与FRP间的粘结性能[2]。Barbero E等[3]对FRP布与木材界面间的粘结性能进行了研究,结果表明,潮湿试件的粘结强度低于干燥试件,其界面剪应力也远远低于干燥试件。可见,材料含水率对FRP与木材间粘结性能的影响不容忽视。
          3 界面处理
          界面处理即是对材料的表面处理,是FRP与木材复合过程中的重要工序之一,在一定程度上决定了FRP与木材之间的粘结强度,常用的处理措施包括对木材表面使用偶联剂处理及对FRP表面进行等离子体、砂光处理等[4]。熊陈福[5]进行了对BFRP/木材复合材料剥离性能的研究试验,结果表明,木材表面经HMR偶联剂处理后,BFRP/木材复合材料的胶合性能得到了很大程度的提升。张真真[6]对采用HMR和KH550两种不同的偶联剂进行表面处理后的杨木单板与GFRP形成的复合材料进行了湿胶合强度测试、浸渍剥离性能测试以及耐候性能测试,结果表明,在复合材料湿胶合强度的增强效应上,HMR的处理效果要优于KH550的处理效果。而GFRP/木质复合材料的浸渍剥离性能和耐候性能经过两种偶联剂处理后均有所改善,但HMR的处理效果仍优于KH550的处理效果。

可见,对材料进行适当的表面处理,可以改善FRP与木材间的粘结性能,而偶联剂的选用,也会对粘结性能的提升程度产生影响。
          4 粘结尺寸
          4.1 粘结长度与宽度
          FRP与木材之间存在一个有效粘结长度,当粘结长度超过有效粘结长度后,极限粘结荷载不再随着粘结长度的增加而继续增长。庄荣忠等[7,8]进行了关于BFRP、CFRP与木材间有效粘结长度的试验,结果均表明,试件的极限粘结强度随着荷载的增加,在达到一定粘结长度后,便趋于稳定,不再增长,这一粘结长度便是在该试验条件下,FRP布与木材间的有效粘结长度。除了粘结长度外,粘结宽度也会对FRP与木材间的粘结性能产生影响。杨勇新等[1]对40mm、60mm和80mm三种宽度的FRP布与木材间的粘结性能进行了研究,结果表明在选用木材、粘结长度、粘结层数以及选用树脂均相同的条件下,试件的极限粘结荷载和粘结强度随着粘结宽度的增加都有明显提高,并且呈现出明显的线性相关性。
          4.2 粘结层数
          FRP的粘结层数也是FRP与木材间粘结性能的影响因素之一。胡玲等[9]对一批含水率相同,不含木节或木节不在粘结面内的木材试件,分别粘贴不同层数的BFRP,进行粘结剥离试验,试验结果表明,随着BFRP粘贴层数的增加,BFRP与木材间的有效粘结长度呈增加趋势,极限粘结荷载也逐渐增长。
          5 总结与建议
          本文从四个方面简要介绍了FRP与木材间粘结性能的影响因素,但实际存在的影响因素还有很多,想要推动FRP-木复合材料的发展与应用,就还需要在这一问题的研究上进行更深入的探索。
          以下是根据本文所阐述的影响因素,对后续FRP-木复合材料的研究提出的相关建议:
          1、在FRP-木复合材料的研究中,应充分考虑木材、FRP以及粘结树脂各自性能对力学性能的影响。
          2、应根据试验环境、材料特性、性价比等因素综合选用木材与FRP类型,由使用环境、被粘结材料的材料特性以及粘结处表面状况等因素合理选用粘结树脂。
          3、充分考虑含水率这一条件,选取恰当的含水率,避免潮湿对FRP与木材界面间的粘结产生不利影响,从而影响复合材料的整体性能。
          4、合理选用偶联剂对被粘结材料进行适当的表面处理。
          5、设计合理的粘结长度、粘结宽度以及粘结层数,保证FRP与木材间的粘结性能。
参考文献
[1]杨勇新,庄荣忠,王全凤,等.纤维布与木材粘结性能的试验研究[C]//结构工程新进展国际论坛.2008.
[2]杨勇新,庄荣忠.FRP与木材的界面粘结性能研究现状[J].玻璃钢/复合材料,2008(06):53-56.
[3]Barbero E,Davalos J,and Munipalle U.Bond strength of FRP-Wood interface[J].Journal of reinforced plastics and composites,1994:835-853.
[4]范诒杰,申士杰,陈暑冰.纤维增强树脂复合材料/竹木胶合界面的处理工艺[J].东北林业大学学报,2017,45(02):71-74.
[5]熊陈福.玄武岩连续纤维增强塑料(BFRP)/木材复合材料的研究[D].北京林业大学,2006.
[6]张真真.玻璃纤维增强树脂/木质复合材料界面胶合性能[D].南京林业大学,2013.
[7]庄荣忠,杨勇新.BFRP与木材的有效粘结长度的试验[J].华侨大学学报(自然科学版),2010,31(01):74-77.
[8]庄荣忠,杨勇新,王全凤,等. CFRP与木材的有效粘结长度的试验研究[C]// 全国frp学术交流会. 2007.
[9]胡玲,杨勇新,汪健根,庄荣忠,陈绪军,邢建英.层数对玄武岩纤维布与木材有效粘结长度影响的试验研究[J].建筑结构,2010,40(02):67-69.
 
 
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