鄔 櫻 李愛(ài)群

(1. 北京建筑大學(xué)理學(xué)院, 北京 100044; 2. 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044; 3. 北京建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044)

纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料,質(zhì)輕而硬、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)單、機(jī)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(xué)灌漿等方法中對(duì)原有結(jié)構(gòu)的破壞與化學(xué)腐蝕污染。[1-2]優(yōu)良的力學(xué)性能使其在古建筑木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)加固、梁柱補(bǔ)強(qiáng)、梁板連接、殘損修復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景,可以在基本保持古建筑“原真性”的原則下顯著提升木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與耐久性,從而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

黏結(jié)是FRP增強(qiáng)最有效的方式。[3]界面問(wèn)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。[4]FRP-木材的黏結(jié)強(qiáng)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(zhǎng)、復(fù)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(xué)成分、樹種材性、強(qiáng)度特性差異性較大,具有天然的異質(zhì)排斥性,在黏結(jié)、結(jié)合過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)互相排斥的傾向與狀態(tài),還易受到木質(zhì)材料生長(zhǎng)缺陷、應(yīng)力及環(huán)境等因子的動(dòng)態(tài)影響,難以充分發(fā)揮FRP優(yōu)良的力學(xué)性能,對(duì)于木材的力學(xué)性能改善及木結(jié)構(gòu)的加固、修復(fù)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(jié)性能評(píng)估已成為研究新型復(fù)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(jié)加固修復(fù)理論。環(huán)境復(fù)合作用是FRP-木材界面黏結(jié)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(shí)FRP、木材和膠黏劑對(duì)黏結(jié)界面的應(yīng)力變化產(chǎn)生不同響應(yīng),導(dǎo)致界面性能降低,FRP-木材界面黏結(jié)性能耦合影響因素研究已成為木材加固、木結(jié)構(gòu)修繕保護(hù)領(lǐng)域的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。因此,結(jié)合木材生物性屬性、木結(jié)構(gòu)獨(dú)特結(jié)構(gòu)特性,對(duì)FRP-木材界面黏結(jié)性能耦合影響因素進(jìn)行綜述。旨在促進(jìn)木材加固工程、木結(jié)構(gòu)修繕項(xiàng)目的理論發(fā)展和科學(xué)實(shí)施。

1 材性變化

木材的生物性屬性決定了其黏結(jié)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(jié)性能的主要影響因素,不僅可以推進(jìn)FRP的高效利用進(jìn)程,還可以降低FRP對(duì)于內(nèi)外部影響因素的響應(yīng)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(dá)到與周圍溫度和相對(duì)濕度的平衡,從而導(dǎo)致木材的物理和機(jī)械性能發(fā)生變化。[5-6]木材的含水率對(duì)木材的物理力學(xué)性能和黏結(jié)樹脂都會(huì)有影響,從而也影響著FRP-木材的界面黏結(jié)性能。[7]

Valluzzi等的研究[8]表明:木材含水率顯著影響FRP-木材復(fù)合材料的性能,當(dāng)木材含水率從10%增加到30%和40%時(shí),拉拔強(qiáng)度分別下降31%和44%。

1.2 材 種

黏結(jié)強(qiáng)度受到木材本身強(qiáng)度的限制,通常隨著木材密度的增加,黏結(jié)強(qiáng)度也會(huì)增加。[9]楊小軍通過(guò)對(duì)碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP)與落葉松、杉木的單面剪切試驗(yàn)[10]發(fā)現(xiàn):復(fù)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(yàn)[11]發(fā)現(xiàn):粘貼CFRP的樟木試件的拉剪黏結(jié)強(qiáng)度比福杉試件的大,這與樟木的各項(xiàng)木材物理力學(xué)性能順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗拉彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)福杉優(yōu)越有著密切的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外FRP-木材界面黏結(jié)性能研究的材種及FRP類型進(jìn)行較為全面的梳理和匯總,得到FRP-木材界面黏結(jié)性能材種匯總,如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外FRP與不同種材木材界面黏結(jié)性能Table 1 Bonding properties between FRPs and different species of wood at home and abroad

2 預(yù)處理

2.1 木材防腐劑

在室外環(huán)境中使用時(shí),通常會(huì)用防腐劑對(duì)木材進(jìn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究,使用防腐劑會(huì)對(duì)FRP與木材的黏結(jié)性能造成負(fù)面影響。

木材中防腐劑的存在會(huì)改變木材中的水分含量,改變膠黏劑的pH值,抑制縮合反應(yīng),阻止表面膠黏劑潤(rùn)濕,從而影響?zhàn)ず犀F(xiàn)象。[31]同時(shí),防腐劑處理對(duì)材料縱向彈性模量、縱向拉伸性能和層間剪切性能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的作用,降低材料的層間剪切強(qiáng)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(jié)剪切強(qiáng)度的重要因素。[12,33-35]Kilmer等分別對(duì)4種闊葉木進(jìn)行黏結(jié)性能研究[36],發(fā)現(xiàn):黏結(jié)劑不適用于雜酚油處理過(guò)的硬木,原因是雜酚油會(huì)抑制膠膜的吸濕,從而減緩或阻礙黏結(jié)劑固化,導(dǎo)致黏結(jié)性能不佳。Vick等發(fā)現(xiàn)[37]:鉻酸銅砷酸鹽防腐劑處理過(guò)的木材細(xì)胞腔表面覆蓋著鉻、銅和砷混合物的沉積物,阻斷了黏結(jié)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(duì)黏結(jié)固化速度也會(huì)造成影響。通過(guò)分別采用鉻酸銅砷酸鹽和五氯苯酚兩種防腐劑對(duì)苯酚-間苯二酚-甲醛黏結(jié)劑固化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)防腐劑會(huì)減緩苯酚-間苯二酚-甲醛黏結(jié)劑的固化速度,同時(shí)需要更高的固化溫度。[12]

2.2 木材表面打磨

除上述關(guān)于木材防腐劑對(duì)FRP與木材黏結(jié)性能影響研究外,還有學(xué)者針對(duì)木材表面粗糙程度影響進(jìn)行分析。Lyons等發(fā)現(xiàn)[39]:表面打磨粗糙,提高了FRP-木間黏結(jié)強(qiáng)度。

3 FRP形制

FRP易剪裁、設(shè)計(jì)性強(qiáng),[40]可以制成不同的形制以滿足木結(jié)構(gòu)實(shí)際加固工程的需要。常用的FRP加固木結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究,FRP形制是影響FRP-木材界面黏結(jié)性能的重要影響因素。

圖1 常用的FRP加固木結(jié)構(gòu)形式[41]Fig.1 Forms of FRP reinforced timber structures[41]

3.1 FRP黏結(jié)形制

影響FRP-木材界面黏結(jié)性能的FRP黏結(jié)形制主要包括黏結(jié)長(zhǎng)度、黏結(jié)寬度、黏結(jié)層數(shù)、黏結(jié)厚度等參數(shù)。

在FRP黏結(jié)長(zhǎng)度對(duì)FRP-木材界面黏結(jié)性能的影響方面,學(xué)者們的研究結(jié)論基本一致。FRP黏結(jié)長(zhǎng)度是影響剝離承載力的重要因素,在黏結(jié)長(zhǎng)度小于有效黏結(jié)長(zhǎng)度時(shí),剝離承載力隨黏結(jié)長(zhǎng)度增加而提高;當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)有效黏結(jié)長(zhǎng)度時(shí),FRP與木材間的極限黏結(jié)承載能力增幅較小或不再增加,但長(zhǎng)度的增加可延緩黏結(jié)面的破壞過(guò)程。[10,15-16,19-21]

楊小軍基于斷裂力學(xué)分析的半經(jīng)驗(yàn)半理論模型[42],并考慮了木材長(zhǎng)方體型順紋抗壓強(qiáng)度,得到CFRP與落葉松木材的有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算式如式(1a)[10],和CFRP與杉木木材的有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算式如式(1b):

(1a)

(1b)

式中:Le為CFRP有效黏結(jié)長(zhǎng)度,mm;Ec為碳纖維布彈性模量,MPa;tc為碳纖維布厚度,mm;pw為木材的順紋抗壓強(qiáng)度,MPa。

Vahedian A等基于拉拔試驗(yàn),結(jié)合回歸分析考慮了黏結(jié)寬度、木材寬度等因素的影響,給出了CFRP-木材有效黏結(jié)長(zhǎng)度的計(jì)算式[17]:

Le=αβfut0.25ln(Eftf)L>Le

(2a)

Le=LL≤Le

(2b)

式中:Ef為FRP彈性模量,MPa;tf為FRP厚度,mm;fut為木材極限抗拉強(qiáng)度,MPa;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)獲得的有效黏結(jié)長(zhǎng)度[22],與式(2)理論值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)誤差值均小于10%。

對(duì)現(xiàn)有關(guān)于FRP-木材有效黏結(jié)長(zhǎng)度數(shù)值和計(jì)算式的研究成果進(jìn)行匯總整理,形成不同樹種與FRP有效黏結(jié)長(zhǎng)度區(qū)間,如表2所示,以備黏結(jié)性能試驗(yàn)和修繕加固技術(shù)使用參考。

表2 不同樹種與FRP有效黏結(jié)長(zhǎng)度區(qū)間(根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]、[15-17]、[19-22]整理)Table 2 Effective bonding length ranges of different tree species and FRPs(According to literatures [10-11],[15-17] and[19-22])

除此之外,學(xué)者們還研究了FRP黏結(jié)寬度、黏結(jié)層數(shù)、黏結(jié)厚度對(duì)FRP-木材界面黏結(jié)性能的影響。楊勇新等利用黏結(jié)剝離試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)[11],結(jié)果顯示:隨著BFRP黏結(jié)寬度的增加,極限黏結(jié)荷載和黏結(jié)強(qiáng)度都明顯提高;黏結(jié)長(zhǎng)度一樣,極限黏結(jié)荷載隨著層數(shù)的增加而線性增長(zhǎng),黏結(jié)層數(shù)越多,脆性越大。Vahedian等認(rèn)為,隨著黏結(jié)寬度和木材抗拉強(qiáng)度的增加,黏結(jié)強(qiáng)度顯著增加。[17]李向民等進(jìn)行了碳纖維布與木材黏結(jié)界面的單剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試件極限承載力隨碳纖維布黏結(jié)寬度和厚度的增大而增大。[14]

FRP黏結(jié)形制研究主要集中于FRP片材,關(guān)于FRP筋材研究較少,無(wú)法得出FRP筋材黏結(jié)形制的統(tǒng)一結(jié)論。朱世駿等通過(guò)GFRP植筋膠合木試件黏結(jié)性能試驗(yàn)[43]發(fā)現(xiàn):平均黏結(jié)剪應(yīng)力隨錨固長(zhǎng)度增大會(huì)減小,GFRP筋有效黏結(jié)錨固長(zhǎng)度約為錨固長(zhǎng)度1/2。

3.2 FRP材料形制

目前,研究使用的纖維增強(qiáng)復(fù)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(jié)性能與FRP材料形制密切相關(guān)。當(dāng)FRP的剛度更大時(shí),界面黏結(jié)應(yīng)力就變得更加均勻,有效錨固長(zhǎng)度也會(huì)增大,加載端附近黏結(jié)應(yīng)力集中也將減弱,[10]且具有較強(qiáng)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(qiáng)度。[24]

楊勇新等進(jìn)行了32個(gè)試件的黏結(jié)性能試驗(yàn)[11],試驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著FRP布抗拉彈性模量的增加,拉剪黏結(jié)強(qiáng)度也明顯提高,黏結(jié)長(zhǎng)度相同,FRP布彈模越大的試件,其極限黏結(jié)荷載也越大。Toumpanaki等的試驗(yàn)結(jié)果[18]表明:在單調(diào)荷載下CFRP筋黏結(jié)性能比GFRP筋高,GFRP筋在正常使用極限狀態(tài)下黏結(jié)剛度更高。

基于文獻(xiàn)[11,18]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):CFRP的界面黏結(jié)強(qiáng)度要高于BFRP和GFRP。但由于相關(guān)研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)較少,無(wú)法歸納出規(guī)律性的結(jié)論,還需進(jìn)一步深入開(kāi)展不同F(xiàn)RP材料形制黏結(jié)性能變化規(guī)律研究,如圖2所示。

圖2 不同F(xiàn)RP與木材黏結(jié)強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.2 Relations between different FRPs and bonding strengths of wood

CFRP對(duì)于木材力學(xué)性能的改善在古建筑加固工程中進(jìn)行了應(yīng)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(duì)木檁條、木梁、木擱柵等進(jìn)行了承載力加固,在全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位南京甘熙故居的木結(jié)構(gòu)加固修繕中采用了CFRP對(duì)木柱墩接部位進(jìn)行了整體性的加固,不僅滿足結(jié)構(gòu)承載的安全要求,同時(shí)對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的外觀影響和干預(yù)較小,滿足不改變歷史風(fēng)貌的相關(guān)要求。[44]

然而,CFRP作為一種人工纖維復(fù)合材料也存在著不足之處。例如,CFRP拉伸強(qiáng)度與模量遠(yuǎn)高于木材,且斷裂伸長(zhǎng)率低,與被加固或修復(fù)的木結(jié)構(gòu)承載變形不協(xié)調(diào),易導(dǎo)致界面提前失效。[21]

近些年來(lái),亞麻纖維復(fù)合材料逐漸興起。從材料性能來(lái)看,亞麻纖維復(fù)合材料以天然植物材料亞麻纖維作為其增強(qiáng)基體,與木材同屬于生物質(zhì)材料,[45]可生物降解、比強(qiáng)度和彈性模量高、[46]成本低、密度小,[47]在聚合物復(fù)合材料中往往表現(xiàn)出更好的增強(qiáng)效果,[48]是對(duì)新型復(fù)合材料在木材加固領(lǐng)域應(yīng)用的重要補(bǔ)充,研究亞麻纖維復(fù)合材料與木材的黏結(jié)性能對(duì)于提高古建筑木結(jié)構(gòu)保護(hù)修繕效果具有重要意義。但亞麻等天然纖維的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)非線性特征,經(jīng)向和緯向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線也存在明顯差別的特點(diǎn),[21,49]同時(shí)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(jié)性能還需進(jìn)一步深入研究。

4 膠黏劑特性

木材的膠接問(wèn)題較為復(fù)雜,膠黏劑與基材間界面黏結(jié)力的作用機(jī)制為明晰膠黏劑對(duì)FRP-木材界面黏結(jié)性能的影響提供了重要的理論支撐。目前,國(guó)內(nèi)外已基于膠接現(xiàn)象建立起多種界面黏結(jié)理論,主要包括吸附理論[51]、化學(xué)鍵理論[52]、擴(kuò)散理論[53]、弱界面層理論[54]、摩擦理論[55]、機(jī)械互鎖理論[56]等?；瘜W(xué)鍵理論是應(yīng)用最廣泛的一種理論[54]?；瘜W(xué)結(jié)合力來(lái)自木質(zhì)材料和膠黏劑產(chǎn)生界面效應(yīng)的生成物,主要包括離子鍵和共價(jià)鍵,其結(jié)合強(qiáng)度主要取決于結(jié)合數(shù)量、結(jié)合基團(tuán),以及促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的活化成分。[57]擴(kuò)散理論認(rèn)為2個(gè)同種或異種聚合物大分子之間相互擴(kuò)散形成交織網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡區(qū)而發(fā)生膠接。[58-61]機(jī)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(jìn)木材表面不規(guī)則的粗糙部分,進(jìn)而形成膠接強(qiáng)度。[62]由于膠黏劑和基體的種類和性質(zhì)、膠合工藝等存在差異,用于解釋界面黏結(jié)力形成的機(jī)理也不同,一般采用多種黏結(jié)理論進(jìn)行解釋。[57]

此外,木材和FRP具有不同的特性,如強(qiáng)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(jié)、傳遞界面剪應(yīng)力和正應(yīng)力的重要載體;膠黏劑的工作性能好壞直接決定了復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(qiáng)和收縮性低等特點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用。[64]

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[65-66]的研究表明環(huán)氧樹脂類黏結(jié)劑能很好地保證木材與FRP界面的黏結(jié)強(qiáng)度[7]。但Miao等的研究結(jié)果[67]表明環(huán)氧樹脂用于FRP與木材的黏結(jié)強(qiáng)度不高。這可能是由于試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置了不同的環(huán)境條件所引起的。環(huán)氧樹脂在應(yīng)用過(guò)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(xué)介質(zhì)、電場(chǎng)等因素,通過(guò)內(nèi)因使材料發(fā)生老化降解,導(dǎo)致環(huán)氧樹脂性能劣化,[68-69]進(jìn)而影響FRP-木材黏結(jié)性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)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(fù)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(jié),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(cè)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(lái),研究基于生物質(zhì)原料的環(huán)保型膠黏劑成為新的趨勢(shì)?？捎脕?lái)作為木材膠粘劑的生物質(zhì)材料有淀粉、單寧、木質(zhì)素、植物蛋白和動(dòng)物蛋白等。[71]生物質(zhì)基木材膠黏劑兼具環(huán)保和性能優(yōu)點(diǎn),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(zhì)膠黏劑的性能,一般需要采用物理、化學(xué)或生物方法對(duì)生物質(zhì)膠黏劑進(jìn)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(chǔ)上,利用復(fù)合改性方法或新型改性材料提高生物質(zhì)膠黏劑的黏結(jié)強(qiáng)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(xué)試劑相結(jié)合[77-78]、去甲基化-羥乙基化復(fù)合改性[79]、超聲波作用下接枝共聚法改性[80]、納米SiO2材料[81]等。但現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)膠黏劑的性能試驗(yàn)大多針對(duì)木材間的膠接,生物質(zhì)膠黏劑對(duì)于FRP-木材的黏結(jié)性能還需進(jìn)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(jié)還須要考慮膠黏劑與木材防腐劑的兼容性問(wèn)題。防腐劑中的化學(xué)成分阻止了膠黏劑與木材的有效結(jié)合,從而降低了膠接強(qiáng)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(jié),硼化防腐劑導(dǎo)致黏結(jié)不良。[33]Sellers等基于銅鉻砷處理后的木材黏結(jié)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)間苯二酚-甲醛黏合劑和實(shí)驗(yàn)室改性間苯二酚膠黏劑混合物的試驗(yàn)結(jié)果可滿足美國(guó)木材建筑協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。[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(shè)計(jì)了一種階梯楔形的黏結(jié)形式,[18]如圖3所示。研究結(jié)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(jié)形式[18]Fig.3 Bonding forms

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(guò)渡層,硅烷偶聯(lián)劑KH550、偶聯(lián)劑羥甲基間苯二酚對(duì)竹材、FRP進(jìn)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(shí)間、砂光目數(shù)、壓力等參數(shù)。

5 外部環(huán)境

濕熱環(huán)境是對(duì)復(fù)合材料影響最為顯著的因素,[89]同時(shí),環(huán)境溫度和濕度的變化均會(huì)影響木結(jié)構(gòu)的變形,[90]相比于現(xiàn)代建筑,木結(jié)構(gòu)建筑易受環(huán)境影響。[91]因此,有必要研究外部環(huán)境對(duì)于FRP-木材黏結(jié)性能的影響。

5.1 濕 度

濕度對(duì)于FRP-木材界面黏結(jié)性能的影響較為復(fù)雜。濕度改變不僅引起木材含水率變化,也會(huì)使其產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,發(fā)生翹曲和開(kāi)裂。[92]同時(shí),木材、FRP和膠黏劑對(duì)相對(duì)濕度的不同響應(yīng)可能會(huì)使界面產(chǎn)生較大應(yīng)力,最終導(dǎo)致界面失效。[23,26,93]

Ao等通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法證實(shí)了水分子對(duì)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/m2,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/m2。Balmori等進(jìn)行了不同干濕條件下GFRP與西班牙楊木的剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)和干燥環(huán)境相比,在40 ℃、90%相對(duì)濕度環(huán)境下加速老化后,剪切強(qiáng)度的變化在5.16%～13.18%之間,拉拔強(qiáng)度的變化在0.55%～34.47%。[9]

5.2 溫 度

FRP-木材界面黏結(jié)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(dǎo)致界面應(yīng)力集中;同時(shí),木材物理性能和順紋抗壓強(qiáng)度均隨著溫度升高而非線性降低,當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí),木材力學(xué)性能的變化主要是由含水率的變化引起的,當(dāng)溫度在120～200 ℃時(shí),半纖維素、纖維素和木質(zhì)素發(fā)生降解,導(dǎo)致木材力學(xué)性能顯著下降;此外,樹脂材料在復(fù)合材料中做基體使用,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到或超過(guò)FRP樹脂基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí),樹脂基體剛度和強(qiáng)度降低,FRP機(jī)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(jié)性能也不盡相同。岳孔等分別研究了高溫對(duì)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(jié)果表明:隨著溫度的升高,兩種膠黏劑的界面抗剪強(qiáng)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(shí),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(qiáng)度分別為常溫的60.61%和60.92%;280 ℃時(shí),木材-間苯二酚-酚醛樹脂界面抗剪強(qiáng)度降至0.774 MPa,木材-三聚氰胺-脲醛樹脂界面抗剪強(qiáng)度降至0 MPa。Valluzzi等發(fā)現(xiàn):100 ℃時(shí)FFRP與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與20 ℃時(shí)相比下降到70%,FFRP與乙烯基膠組成的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度下降到40%;當(dāng)溫度為140 ℃時(shí)FFRP與乙烯基膠組成的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度下降到溫度為20 ℃時(shí)的20%。[8]Richter等發(fā)現(xiàn)使用環(huán)氧樹脂膠黏劑在溫度超過(guò)60 ℃時(shí)表現(xiàn)出黏結(jié)強(qiáng)度下降,而使用聚氨酯膠黏劑在70 ℃以上才有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度。[100]

FRP材料形制也會(huì)影響FRP與木材在高溫環(huán)境下的黏結(jié)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(gòu)件黏結(jié)強(qiáng)度降低了10%,而AFRP加固木構(gòu)件黏結(jié)強(qiáng)度沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)度降低。[93]

5.3 特殊環(huán)境

Shekarchi等進(jìn)行了海水環(huán)境下GFRP筋與木材的拉拔試驗(yàn)[28],試驗(yàn)結(jié)果表明,在模擬海水環(huán)境中浸泡90 d后平均黏結(jié)強(qiáng)度下降了39%,主要破壞模式發(fā)生在膠黏劑-木材界面。文獻(xiàn)[101-102]分別介紹了對(duì)暴露于酸性、堿性、淡水、海水環(huán)境中不同F(xiàn)RP與木材黏結(jié)性能的研究,發(fā)現(xiàn):酸性環(huán)境對(duì)CFRP-木材黏結(jié)性能影響最大,強(qiáng)度降低57%,海水和淡水環(huán)境對(duì)CFRP-木材黏結(jié)性能影響最小,AFRP和GFRP與木材黏結(jié)性能降低40%,堿性環(huán)境對(duì)GFRP-木材黏結(jié)性能影響最大;此外,雙向CFRP和AFRP比單向CFRP和AFRP黏結(jié)強(qiáng)度高,雙向AFRP在堿性環(huán)境(pH=12.5)黏結(jié)強(qiáng)度退化嚴(yán)重。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)較為全面地整理和分析,得到以下結(jié)論:

1)木材材性是FRP-木材黏結(jié)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(jié)性能發(fā)生改變。通常情況下,過(guò)高的含水率會(huì)導(dǎo)致FRP木材黏結(jié)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(jié)性能都不盡相同,目前還無(wú)法得出系統(tǒng)性研究結(jié)論。

2)預(yù)處理(木材防腐劑)和膠黏劑(不相容情況下)對(duì)FRP-木材界面黏結(jié)性能造成負(fù)面影響。預(yù)處理會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)固化速度減緩、黏結(jié)強(qiáng)度降低等性能退化現(xiàn)象出現(xiàn)。此外,關(guān)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(jié)長(zhǎng)度、黏結(jié)寬度及剛度是提高FRP-木材界面黏結(jié)性能的主要方式。其中,FRP黏結(jié)長(zhǎng)度與黏結(jié)寬度是關(guān)于FRP黏結(jié)形制對(duì)界面黏結(jié)性能影響的重要因素。在有效黏結(jié)長(zhǎng)度對(duì)于FRP-木材黏結(jié)性能的影響趨勢(shì)上已形成了基本共識(shí),對(duì)于有效黏結(jié)長(zhǎng)度的概念及其具體數(shù)值目前還沒(méi)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(huì)造成FRP-木材界面黏結(jié)性能降低。關(guān)于FRP、木材、膠黏劑三者耦合作用下的FRP-木材界面黏結(jié)性能退化機(jī)理尚未明晰;特殊環(huán)境(酸性、堿性、淡水、海水)對(duì)于不同形制FRP-木材界面黏結(jié)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(jié)性能退化規(guī)律還未得出統(tǒng)一結(jié)論。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估FRP與木材的界面黏結(jié)性能,結(jié)合前述研究提出以下建議:

1)與木材同質(zhì)、同性的高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)掘?qū)⒊蔀槲磥?lái)研究工作的新趨勢(shì)。從目前來(lái)看,亞麻纖維復(fù)合材料與木材性能相近、界面協(xié)調(diào)性高,兩者相黏結(jié)具有良好的應(yīng)用前景,但關(guān)于亞麻纖維復(fù)合材料與基材界面黏結(jié)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(fù)合材料-木材黏結(jié)性能穩(wěn)定性評(píng)估工作亟需進(jìn)一步完善。

2)由于國(guó)內(nèi)、外樹種生長(zhǎng)環(huán)境不同而引起的材性“南橘北枳”現(xiàn)象。已有試驗(yàn)結(jié)論主要源于生長(zhǎng)于西班牙、美國(guó)等西方歐美國(guó)家的當(dāng)?shù)貥浞N木材,但作用于樹木生長(zhǎng)的生物與非生物因素差異性較大。因此,有必要開(kāi)展關(guān)于國(guó)內(nèi)樹種木材材性與FRP黏結(jié)性能的本土化研究,特別是古建筑木結(jié)構(gòu)常用樹種材性的適應(yīng)性研究。

3)應(yīng)從完善不同F(xiàn)RP材料種類(BFRP、AFRP等)黏結(jié)性能著手,研究不同F(xiàn)RP材料形制加固木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。目前關(guān)于FRP黏結(jié)性能影響研究大多集中在CFRP,有必要開(kāi)展不同F(xiàn)RP材料形制對(duì)于黏結(jié)性能影響程度的評(píng)價(jià)研究,建立不同F(xiàn)RP材料形制的黏結(jié)性能數(shù)據(jù)庫(kù),為古建筑木結(jié)構(gòu)修復(fù)加固工程的FRP種類選擇提供參考依據(jù)。

4)與古建筑木結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境相吻合的FRP-木材界面黏結(jié)性能外部環(huán)境作用機(jī)制研究將成為未來(lái)古建筑木結(jié)構(gòu)FRP加固領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。目前影響FRP-木材界面黏結(jié)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(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境參數(shù)影響變化下的黏結(jié)性能退化機(jī)制的系統(tǒng)性研究。

5)確立起基于不同錨固長(zhǎng)度、膠黏劑與膠合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的FRP與木材黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系,拓展FRP高質(zhì)、高效應(yīng)用場(chǎng)景將是未來(lái)研究的重要方向。FRP與木材黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜,為準(zhǔn)確反映FRP與木材界面的受力性能,從峰值黏結(jié)應(yīng)力、峰值滑移量等關(guān)鍵參數(shù)值探究FRP與木材的黏結(jié)滑移機(jī)理工作亟待深入。