文章編號(hào)1000-5269（2024）05-0064-06 DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.05.09

摘要：為改善軸心受壓仿木柱的力學(xué)性能，在其表面粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbonfiberreinforcedcompo-site，CFRP）予以增強(qiáng)?？紤]CFRP粘貼層數(shù)和方式的影響，在兩端簡(jiǎn)支狀態(tài)下對(duì)4組仿木柱試件進(jìn)行了單調(diào)軸心受壓試驗(yàn)，以了解其受力過程及破壞形態(tài)，得到了荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：粘貼CFRP布可以有效約束軸心受壓柱中仿木材料的橫向變形；與未增強(qiáng)的仿木柱相比，能有效地提高仿木柱的承載能力和延性，且改善的效果隨著CFRP布粘貼量的增加而更為有效；CFRP粘貼量越大，對(duì)仿木材料的約束效應(yīng)越強(qiáng)，仿木柱試件的峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變?cè)礁摺?/p>

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；仿木柱；CFRP布；破壞形態(tài)；軸壓性能 中圖分類號(hào)：TU526 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國的菱鎂礦資源儲(chǔ)量較大，約占全球總儲(chǔ)量的26%，且主要分布在遼寧、山東等地［1］，但菱鎂產(chǎn)業(yè)高度集中在原礦石開采及原料制備上，其中90%的鎂砂制品被用來制作耐火材料［2］，因此有必要拓展鎂質(zhì)材料在建材、化工及合金等下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。我國青藏高原富集光鹵石，提取鉀后的水氯鎂石資源較為豐富。對(duì)上述工業(yè)資源的有效利用是迫切的。2016年5月5日發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)建材工業(yè)穩(wěn)增長調(diào)結(jié)構(gòu)增效益的指導(dǎo)意見》中，明確提出要發(fā)展鎂質(zhì)膠凝材料，支持利用農(nóng)林剩余物、竹纖維開發(fā)生物質(zhì)建材，這為鎂質(zhì)建材的發(fā)展提供了重要機(jī)遇。氯氧鎂水泥（magnesiumoxychloridecement，MOC）是由活性氧化鎂、氯化鎂及水制成的三元體系氣硬性膠凝材料［3］，具有快硬高強(qiáng)、耐熱、耐火、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，但空氣濕度大時(shí)，容易吸潮返鹵、泛霜，許多學(xué)者都在開展其性能或改性研究工作［4-7］。利用鎂質(zhì)膠凝材料對(duì)植物纖維、木屑等的高粘結(jié)能力可制成仿木材料，且具有較好的力學(xué)性能指標(biāo)，將其用于建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)件尺寸大體與混凝土構(gòu)件尺寸相當(dāng)［8］，有望成為代木材料，這對(duì)傳統(tǒng)村落木結(jié)構(gòu)的保護(hù)和開發(fā)是有利的［9］。

本文所用的仿木材料通過壓制工藝成型，HE等［10］將秸稈、木屑作為填充料開展了成型壓力對(duì)材料力學(xué)性能及耐水性的影響研究，發(fā)現(xiàn)其耐水性并不能通過制作時(shí)的壓力來解決。YANG等［11-12］選定改性劑，基于材料的微觀結(jié)構(gòu)及水化性能分析，開展了材料改性機(jī)理的研究，建立了材料強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型及本構(gòu)關(guān)系。上述研究工作基本選定了本文所用仿木材料的改性劑及填充料。在此基礎(chǔ)上，將這種材料制作成結(jié)構(gòu)構(gòu)件，基于材性測(cè)試，何會(huì)［13］進(jìn)行了仿木梁的抗彎性能試驗(yàn)，李彥成［14］開展了仿木柱的受壓承載力研究，喻濤［15］進(jìn)行了仿木空心墻的受壓承載力試驗(yàn)。上述研究工作發(fā)現(xiàn)：仿木材料的力學(xué)性能類似于混凝土，雖然具有理想的抗壓性能，但抗拉強(qiáng)度較低，需要合理調(diào)控構(gòu)件的負(fù)荷范圍來保障結(jié)構(gòu)安全承載，或?qū)?gòu)件配筋來提高其承載力及延性。

氯氧鎂水泥中富集的氯離子對(duì)鋼筋具有潛在的腐蝕性，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbonfiberreinforcedcomposite，CFRP）布具備輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)，目前在工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用［16］，因此本文對(duì)仿木柱采用外貼CFRP布予以增強(qiáng)，通過軸心受壓試驗(yàn)來了解其受力性能，以期為材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)概況

1.1仿木材料及其制備

本文的仿木材料是由氯氧鎂水泥、木屑及改性劑組成的復(fù)合材料，市購全部原材料。其中，輕燒氧化鎂（MgO）產(chǎn)自遼寧海城，經(jīng)水合法［17］測(cè)得其活性含量為50.9%；六水氯化鎂（MgCl2·6H2O）產(chǎn)自青海格爾木，通過滴定實(shí)驗(yàn)法［18］測(cè)得其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%；水為自來水。木屑購至貴陽花溪海源木材加工廠，粒徑為5mm左右，實(shí)測(cè)含水率為11.68%。改性劑為檸檬酸、酒石酸和六偏磷酸鈉，均為工業(yè)級(jí)。

本文按一定比例將上述原料混合后壓制成型仿木材料，壓制裝置如圖1所示。壓制模具為課題組自行設(shè)計(jì)，由液壓千斤頂、反力架、壓制盒、側(cè)限梁、加載梁、自鎖梁及錨固件、側(cè)限支座等7個(gè)鋼組件組成，可制作外觀尺寸為120mm×250mm×2400mm的材料。

材料制備時(shí)，先將輕燒氧化鎂和木屑充分混合，再將溶有改性劑的鹵液倒入后充分?jǐn)嚢?，隨后在壓制模具中填料，持壓靜置72h后，拆模取出材料并在自然條件下養(yǎng)護(hù)28d，材料即成型。

1.2試件設(shè)計(jì)

利用上述材料，本文共制作了8個(gè)高度均為1.1m的仿木柱試件，其截面尺寸均為100mm×100mm。上述試件中，共2個(gè)試件不予增強(qiáng)，編號(hào)為FZ0。采用CFRP增強(qiáng)的試件各有2個(gè)，其中間隔纏繞1層CFRP的試件，編號(hào)為FZ1；間隔纏繞2層CFRP時(shí)，編號(hào)為FZ2；全部纏滿1層CFRP時(shí)，編號(hào)為FZ3。

CFRP纖維布的粘貼方式如圖2所示。粘貼時(shí)，試件截面四角處對(duì)纖維布做倒角處理，CFRP布沿纏繞方向的搭接長度為50mm。部分試驗(yàn)試件如圖3所示。

1.3材料性能

對(duì)本批制作的仿木材料，實(shí)測(cè)彈性模量為3600MPa、軸心抗拉強(qiáng)度為7.98MPa［19］，軸心抗壓強(qiáng)度為18.78MPa［15］。

本文采用的CFRP布和碳纖維浸漬膠產(chǎn)自固之道（蘇州）建筑科技有限公司，規(guī)格型號(hào)為300g/mm3Ⅰ級(jí)，寬度為100mm，厚度為0.167mm，力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

1.4試驗(yàn)加載及測(cè)量方案

試驗(yàn)在貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖4所示。

試件的頂、底端均安裝單向刀口鉸支座；試件頂部對(duì)角處安裝2個(gè)位移計(jì)測(cè)量豎向位移，中部B、D兩側(cè)面各布置1個(gè)位移計(jì)測(cè)量側(cè)向位移；試件中部側(cè)面粘貼2個(gè)豎向應(yīng)變片以測(cè)量縱向應(yīng)變。軸向壓力使用50t的液壓千斤頂來手動(dòng)施加，荷載通過輪輻式荷載傳感器測(cè)量。所有數(shù)據(jù)通過TST3826F-L靜態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)來采集，頻率為5Hz。

正式加載前，先進(jìn)行試壓來調(diào)整試件頂、底面的平整度。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為10kN，施加完成后持荷5min再施加下一級(jí)荷載，直至試件破壞。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1未增強(qiáng)試件FZ0

在加載初期，試件FZ0處于彈性受力狀態(tài)，試件頂端可以觀察到微小的軸向壓縮變形，盡管進(jìn)行了預(yù)壓來調(diào)整加載裝置，但仍能監(jiān)測(cè)到試件中部的微小側(cè)移。隨著荷載的增加，試件進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，能聽見試件發(fā)出響聲，而側(cè)移迅速增加。試件破壞時(shí)，中部受拉側(cè)的裂縫迅速貫通致使試件破壞。受拉側(cè)的裂縫如圖5（a）所示。試件破壞并非是軸心受壓引起。

2.1.2CFRP布增強(qiáng)試件

CFRP布增強(qiáng)仿木柱的前期試驗(yàn)現(xiàn)象與未增強(qiáng)仿木柱基本相同。但當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載80%左右時(shí)，ZM1UkiPiApExj/LUmo3x9g==試件FZ2的中部受壓側(cè)出現(xiàn)局部壓壞現(xiàn)象，試件表面起皮，如圖5（b）所示；而試件FZ3的CFRP布在仿木柱倒角處出現(xiàn)斷裂，如圖5（c）所示。

試驗(yàn)過程中，未見CFRP布的搭接破壞，表明50mm搭接長度的CFRP布滿足錨固要求；并且試驗(yàn)中未發(fā)生CFRP布與仿木柱的剝離破壞，表明試驗(yàn)所使用的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑與仿木材料是相容的。與未增強(qiáng)的仿木柱相比，加載過程中增強(qiáng)仿木柱出現(xiàn)裂縫的時(shí)間相對(duì)較晚，表明粘貼CFRP布可以有效地約束仿木柱的橫向變形，延緩裂縫的開展，改善構(gòu)件的延性。

2.2荷載-位移曲線

圖6和圖7分別給出了各組試件的荷載-側(cè)移撓度曲線和荷載-軸向位移曲線。由圖6和圖7可見：無論是對(duì)于未增強(qiáng)的仿木柱，還是采用CFRP布增強(qiáng)的仿木柱，在加載初期，試件的縱、橫向位移均近似與荷載呈線性關(guān)系；但側(cè)移隨荷載的增長較低，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載的80%左右時(shí)，位移與荷載呈非線性關(guān)系，且側(cè)移的增長速率加快，達(dá)到峰值荷載后，增強(qiáng)仿木柱的側(cè)移變化較為平緩。

2.3承載力

全部試件的承載力結(jié)果如表2所示。由表2可見：粘貼CFRP布能有效提高試件的承載力，其中，間隔粘貼1層、2層和全部貼滿1層CFRP布的仿木柱，其承載力比未增強(qiáng)的仿木柱分別提高了31.29%、64.69%和104.31%；間隔粘貼2層CFRP布的仿木柱，其承載力比間隔粘貼1層CFRP布的仿木柱承載力提高了25.44%，全部貼滿1層CFRP布的仿木柱承載力，又比間隔粘貼1層CFRP的試件承載力提高了55.61%。

本課題組對(duì)仿木材料所做的電鏡掃描結(jié)果表明［10］：木屑與氯氧鎂膠凝材料粘接后，客觀上存在微孔隙，在壓力作用下，這些微孔隙被壓縮且孔隙應(yīng)力集中產(chǎn)生內(nèi)部微裂縫導(dǎo)致材料產(chǎn)生橫向變形，粘貼CFRP布后會(huì)有效約束這種變形來提高試件的承載力，當(dāng)然，試件受壓承載力的提高幅度與CFRP的約束能力有關(guān)。

2.4延性分析

軸心受壓構(gòu)件按理不應(yīng)有側(cè)移，考慮長細(xì)比較大時(shí)，其破壞往往是由穩(wěn)定因素引起的，此處近似采用側(cè)移延性系數(shù)μΔ來評(píng)估CFRP布增強(qiáng)仿木柱的延性：

μΔ=ΔuΔy（1）

式中：Δu為荷載下降至85%極限承載力時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)移；Δy為屈服位移，采用等能量法［20］確定。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，按式（1）計(jì)算的試件延性系數(shù)如表3所示。

由表3可見：與未增強(qiáng)的仿木柱相比，采用CFRP布增強(qiáng)后的仿木柱，延性均有顯著提高。間隔粘貼1層、2層和全部貼滿1層CFRP布后，延性系數(shù)分別為1.35、1.41和1.66，比未增強(qiáng)仿木柱分別提高了6.30%、11.02%和30.71%。另外，間隔粘貼2層CFRP布的仿木柱，延性系數(shù)比間隔粘貼1層CFRP布的仿木柱提高了4.44%；全部貼滿1層CFRP布的仿木柱，其延性系數(shù)又比間隔粘貼1層CFRP布試件的延性提高了22.96%。

2.5荷載-應(yīng)變曲線

圖8給出了部分試件在軸心壓力下的中部截面的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，其中，壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)，拉應(yīng)變?yōu)檎?/p>

由圖8可見：無論是對(duì)于未增強(qiáng)的仿木柱，還是對(duì)采用CFRP布增強(qiáng)的仿木柱，在加載的初期，試件的中部截面均處于受壓狀態(tài)，應(yīng)變與荷載近似呈線性關(guān)系，表明試件處于彈性受力狀態(tài)；隨著荷載的增加，應(yīng)變和荷載呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且壓應(yīng)變逐漸減小并過渡為拉應(yīng)變。

CFRP布的粘貼量越高，對(duì)仿木柱的約束效應(yīng)越強(qiáng)，試件的極限壓應(yīng)變?cè)酱螅丛鰪?qiáng)的仿木柱，極限壓應(yīng)變?yōu)?485.693με，間隔粘貼1層與2層CFRP布的仿木柱，極限壓應(yīng)變分別為5888.87με和8876.233με，而全部貼滿1層CFRP布的仿木柱，極限壓應(yīng)變?yōu)?403.942με。與未增強(qiáng)的仿木柱相比，3種CFRP布粘貼方式下，增強(qiáng)仿木柱的極限壓應(yīng)變分別提高31.28%、97.88%和109.64%。

3結(jié)論

1）纏繞CFRP布可以使仿木材料在軸壓作用下處于三向受力狀態(tài)，進(jìn)而改善仿木柱的破壞形態(tài)，延緩裂縫的開展。

2）與未增強(qiáng)的仿木柱相比，間隔粘貼1層、2層和全部貼滿1層CFRP布的仿木柱，承載力分別提高31.29%、64.69%和104.31%；延性分別被提高6.30%、11.02%和30.71%。表明粘貼CFRP能有效地提高仿木柱的承載能力和延性，且其效果隨著CFRP布粘貼量的增加而更明顯。

3）與未增強(qiáng)的仿木柱相比，間隔粘貼1層、2層和全部貼滿1層CFRP布的仿木柱，極限壓應(yīng)變的增幅分別為31.28%、97.88%和109.64%，表明CFRP粘貼量越大，對(duì)仿木材料的約束效應(yīng)越強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract：

Toimprovethemechanicalpropertiesoffauxwoodcolumnunderaxialcompression，carbonfiberreinforcedpolymer（CFRP）isbondedtotheirsurfaceforreinforcement.a17fe4167e5bf563335576f487ba43aded30966d0849e0aa1bed1c3d1dc08a7dConsideringtheinfluenceofthenumberandmethodofCFRPbondinglayers，monotonicaxialcompressiontestswereconductedonfourgroupsoffauxwoodcolumnspecimenswithsimplysupportedendstounderstandtheirloadingprocessandfailuremodes.Load-displacementcurvesandload-straincurveswereobtained.TheresultsshowthatbondingCFRPclothcaneffectivelyconstrainthelateraldeformationofthefauxwoodmaterialintheaxiallycompressedcolumns.Comparedwithunreinforcedfauxwoodcolumn，itcaneffectivelyimprovethebearingcapacityandductilityofthefauxwoodcolumn，andtheimprovementeffectbecomesmoreeffectiveastheamountofCFRPclothbondedincreases.ThegreatertheamountofCFRPbonded，thestrongertheconfiningeffectonthefauxwoodmaterial，andthehigherthepeakstressandultimatestrainofthefauxwoodcolumnspecimens.

Keywords：

compositematerial;fauxwoodcolumn;CFRPcloth;failuremode;axialcompressivebehavior

收稿日期：2024-03-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52068008）；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研資助項(xiàng)目（貴大人基合字[2023]14號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：秦宇鑫（1996—），男，在讀碩士，研究方向：新型建筑結(jié)構(gòu)，E-mail：1061383919@qq.com.

*通訊作者：張華剛，E-mail：zhg0618@163.com.