改性亞麻纖維增強膠合木梁受彎性能試驗1)

左宏亮 王照穩 李熠詩

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

木結構建筑能夠給人們提供安全、健康的生活空間，是優質的人居生態產品[1]。亞麻纖維與木材同屬于生物質材料，應用于土木工程領域能夠極大程度地減少碳排放，緩解全球的溫室效應。膠合木是現代木結構建筑中常用的工程木，多用于重型木結構。膠合木能夠實現高精度裝配，促進裝配式建筑的發展；提高木材的利用率、達到劣材優用的目的，從而緩解我國木材資源緊缺的狀態[2-5]。但普通膠合木梁，受彎時容易在梁底木節等缺陷處發生脆性破壞，并伴隨較大的木材劈裂，不僅破壞突然且有一定的危險性，材料也難以充分發揮強度[6-7]。因此，需要一定措施改變膠合木梁的破壞形態，增強其抗彎性能。常見的增強方式分為配筋、粘貼纖維復合材、粘貼鋼板等[8]。本研究采用粘貼經過納米TiO2接枝改性后的亞麻纖維復合材方式增強膠合木梁，構建一種新型環保膠合木構件；通過受彎試驗分析在不同增強方式下梁的破壞形態、極限荷載、荷載-撓度曲線、截面應變等性能，然后給出合理的粘貼增強方式建議。

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×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、層數為6層，沿全跨粘貼。其中：LA0組，是沒有增強的普通膠合木梁；LA、LB組，均不設置U型箍；LA1、LA2組，分別為底部粘貼3層、6層改性亞麻纖維復合材料(FFRP)的膠合木梁；LB0、LB1、LB2組，底部FFRP長度分別為1 500、1 400、1 300 mm；LC1、LC2組，分別在底部粘貼3層、6層FFRP的基礎上增設U型箍。采用LA0、LA2、LB0、LB1、LB2組，分析FFRP長度對梁受彎性能的影響(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層數對梁受彎性能的影響；采用LA1組與LC1組對比、LA2組與LC2組對比，分析U型箍對底部粘貼FFRP的膠合木梁的增強效果。

各組試件構造見圖1～圖3。

表1 試驗分組及試件參數

圖1 LA組試件構造(圖中數據單位為mm)

圖2 LB組試件構造(圖中數據單位為mm)

圖3 LC組試件構造(圖中數據單位為mm)

數據采集使用DH3816N靜態應變測試系統。粘貼膠合木上的應變片規格為100 mm×3 mm，位移計分別設置在膠合木試驗梁的支座、三分點、跨中(見圖4)。

試驗采用三分點對稱加載的方式進行加載(見圖5)，首先預估普通膠合木梁的極限荷載，采用逐級加載的方式進行加載，直至試件破壞；利用千斤頂對試件施加豎向荷載。

2 結果與分析

2.1 膠合木梁的破壞形態與極限荷載

膠合木梁的破壞形態，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，主要表現為脆性受拉破壞(見圖6)。這種破壞形態，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處發生斷裂，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，主要表現為延性受拉破壞(見圖7)。破壞前，通常在底部受拉區三分點或跨中梁側出現橫向裂縫，并貫穿至梁底，梁底FFRP斷裂，試驗梁產生較大撓度，但試驗梁仍未破壞。通常在純彎段的U型箍旁或梁底的受拉區缺陷處發生受拉破壞，破壞征兆十分明顯，為延性受拉破壞。

圖4 各組試件應變片布置(圖中數據單位為mm)

圖5 試驗加載方式(圖中數據單位為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FFRP長度不小于1 400 mm時，梁的承載力與FFRP長度關系不大；但當FFRP長度小于1 400 mm時，梁的承載力所受影響較為明顯。對于無箍膠合木梁，底部粘貼FFRP后，梁的承載力提高36.49%～43.24%；但FFRP的粘貼層數不宜過多，粘貼層數過多反而會導致提高幅度有所下降；這是由于當粘貼層數較多時，FFRP形成的片材厚度較大，由于未設置U型箍，所以底部FFRP不易與梁協調，影響構件的整體性。當底部粘貼3層FFRP時，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%，破壞形態由脆性破壞改變為延性破壞。U型箍對底部粘貼6層FFRP的膠合木梁增強效果更加明顯。這是由于底部粘貼3層的層數較少，膠合木梁底部的缺陷對承載力產生的不利影響比較明顯；而底部粘貼6層FFRP并設置U型箍時，U型箍使梁底木材與FFRP在加載過程中協調性能較好，6層FFRP充分發揮了強度，提高了整體性；又因為層數較多，削弱了木節對梁的不利影響，承載力得到明顯提高；因此U型箍對底部粘貼6層FFRP的膠合木梁增強效果更加明顯。

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，根據數據擬合方程，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的長度對膠合木梁的抗彎剛度影響不大。增設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 粘貼不同長度FFRP時膠合木梁的荷載-撓度曲線

圖9 粘貼不同層數FFRP時膠合木梁的荷載-撓度曲線

圖10 增設U型箍時膠合木梁的荷載-撓度曲線

2.3 膠合木梁的荷載-應變曲線

為了更具體且直觀地反映在加載過程中試驗梁的受力變形情況，繪制了膠合木梁的荷載-應變曲線；規定荷載為零時相應的應變為零，梁受拉區應變為正值，受壓區應變為負值。

2.3.1粘貼不同長度FFRP膠合木梁的荷載-應變曲線

以測得的木材和FFRP的應變作為橫軸，以荷載為縱軸繪出粘貼不同長度FFRP時膠合木梁的荷載-應變曲線(見圖11)。由圖11可見：在LB0、LB1組梁荷載-應變曲線中，底層板與FFRP的應變發展趨向基本一致，說明木材與FFRP有較好的協調性能。但LB2組在荷載為20 kN時，底板木材應變出現突變，而底板FFRP仍呈線性遞增。根據試驗現象，LB2組梁，此時一側三分點處出現木材開裂的輕響，并伴有持續的木材與FFRP間膠層斷裂的聲音。說明此時膠合木梁底層板出現裂縫，但FFRP并未斷裂，木材在裂縫處與FFRP間出現滑動而剝離。因此判斷，當底部FFRP的粘貼長度小于1 400 mm時，膠合木梁由于在加載過程中梁底出現裂縫，使木纖維與FFRP間失去可靠粘結，發生剝離破壞，從而削弱了承載力與剛度的增強效果。

圖11 粘貼不同長度FFRP膠合木梁的荷載-應變曲線

2.3.2粘貼不同層數FFRP膠合木梁的荷載-應變曲線

由圖12可見：LA1、LA2組破壞時，頂層板木材壓應變分別為3.872×10-3、3.124×10-3，最大壓應變明顯大于LA0組的1.927×10-3，說明底部粘貼FFRP使試驗梁頂部受壓區強度發揮的更加充分。當荷載相同時，LA2組的拉應變小于LA1組，且都小于LA0組，說明FFRP減小了木材受拉區的應變。

圖12 LA組荷載-應變曲線

2.3.3 增設U型箍對膠合木梁荷載-應變曲線的影響

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

圖13 增設U型箍前后荷載-應變對比曲線

3 結論

對于底部粘貼6層FFRP的膠合木梁，當FFRP的長度不小于1 400 mm時，改變膠合木梁底部FFRP的粘貼長度，梁的抗彎承載力與剛度變化不大。當FFRP長度小于1 400 mm時，梁的增強效果不夠明顯。因此，在不發生剝離破壞的前提下，FFRP的長度對無箍膠合木梁影響不大。

底部粘貼FFRP對膠合木梁受彎性能具有增強效果。對無箍膠合木梁，底部粘貼FFRP能夠提高膠合木梁的抗彎承載力與剛度，但底部粘貼的層數不宜過多，粘貼層數過多反而會導致提高幅度有所下降；對有箍膠合木梁，其抗彎承載力與抗彎剛度，隨著底部粘貼FFRP層數的增加均有所增大。

當底部粘貼3層FFRP時，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；當底部粘貼6層FFRP時，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，無箍膠合木梁的破壞形態同普通梁一樣為脆性破壞，而有箍梁的破壞形態為延性破壞；U型箍能夠避免木材層板間開裂與橫向撕裂，增強FFRP與梁底部木材的協調性能，從而提高膠合木梁的抗彎性能。