摘 要
纤维增强复合材料(FRP)对于木材力学性能改善及木结构加固、修复的优良性能使其成为新型复合材料研究的热点。FRP-木材黏结加固受 FRP 材料、木材基体与胶黏剂等多重因素协同作用影响,其界面的黏结状况问题尤为关键,决定着复合材料结构的性能和寿命。因此,结合木材生物性属性和木结构独特结构特性,从材性变化、预处理、FRP 形制、胶黏剂特性、外部环境五方面系统梳理、总结了国内外 FRP-木材界面黏结性能的最新研究成果,旨在厘清 FRP-木材界面黏结性能的耦合影响因素。同时分析了现有 FRP-木材黏结加固研究存在的不足,并对未来研究工作的新趋势、新发展与新方向进行了展望,为今后拓展 FRP 高质、高效的应用特别是古建筑木结构的保护提供重要参考。
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引言
纤维增强复合材料(FRP)是由纤维材料与基体 材料(树脂) 按一定的比例混合后形成的高性能纤 维增强复合材料,质轻而硬、耐腐蚀、施工简单、机械 性能优越,已在建筑行业广泛使用多年,能够避免传 统加固法如加钉、嵌缝加箍、粘贴金属板、化学灌浆 等方法中对原有结构的破坏与化学腐蚀污染。 [1-2] 优良的力学性能使其在古建筑木结构节点加固、梁 柱补强、梁板连接、残损修复等领域具有广阔的应用场景,可以在基本保持古建筑“原真性” 的原则下显 著提升木结构的力学性能与耐久性,从而成为当前 研究的热点。
黏结是 FRP 增强最有效的方式。 [3] 界面问题至关重要但又非常复杂,决定着复合材料结构的性能和寿命。 [4] FRP -木材的黏结强度及耐久性受制于木材与 FRP 界面的耦合作用。然而木材是历经冗长、复杂的生物途径而形成的天然高分子材料,通常情况下,FRP 与木材化学成分、树种材性、强度特性差异性较大,具有天然的异质排斥性,在黏结、结合过程中会出现互相排斥的倾向与状态,还易受到木质材料生长缺陷、应力及环境等因子的动态影响,难以充分发挥 FRP 优良的力学性能,对于木材的力学性能改善及木结构的加固、修复产生不利甚至是破坏性影响。
在此背景下,FRP 与木材的黏结性能评估已成为研究新型复合材料界面性能的重要组成,但目前尚未真正形成一套较为完备的木材-FRP 黏结加固修复理论。环境复合作用是 FRP-木材界面黏结性能耦合影响因素的核心因子,影响 FRP、木材、胶黏剂三者间的协同作用,同时 FRP、木材和胶黏剂对黏结界面的应力变化产生不同响应,导致界面性能降低,FRP-木材界面黏结性能耦合影响因素研究已成为木材加固、木结构修缮保护领域的关键性节点问题。因此,结合木材生物性属性、木结构独特结构特性,对 FRP-木材界面黏结性能耦合影响因素进行综述。旨在促进木材加固工程、木结构修缮项目的理论发展和科学实施。
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材性变化
木材的生物性属性决定了其黏结性能较之混凝土、砌体等材料更为繁杂。厘清 FRP-木材界面黏结性能的主要影响因素,不仅可以推进 FRP 的高效利用进程,还可以降低 FRP 对于内外部影响因素的响应度。
1.1 含水率
木材是一种吸湿性材料,其含水率不断变化,以达到与周围温度和相对湿度的平衡,从而导致木材的物理和机械性能发生变化。 [5-6] 木材的含水率对木材的物理力学性能和黏结树脂都会有影响,从而也影响着 FRP-木材的界面黏结性能。 [7]
Valluzzi 等的研究 [8] 表明:木材含水率显著影响 FRP-木材复合材料的性能,当木材含水率从 10%增加到 30% 和 40% 时, 拉拔强度分别下降 31% 和44%。
1.2 材 种
黏结强度受到木材本身强度的限制,通常随着木材密度的增加,黏结强度也会增加。 [9] 杨小军通过对碳纤维增强材料(CFRP) 与落叶松、杉木的单面剪切试验 [10] 发现:复合材界面胶合性能在两树种间存在明显差异,落叶松材性较好,其胶合性能优于杉木。杨勇新等基于单剪试验 [11] 发现:粘贴 CFRP的樟木试件的拉剪黏结强度比福杉试件的大,这与樟木的各项木材物理力学性能顺纹抗拉强度、顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗压强度、抗剪强度指标相对福杉优越有着密切的关系。
通过对国内外 FRP-木材界面黏结性能研究的材种及 FRP 类型进行较为全面的梳理和汇总,得到 FRP-木材界面黏结性能材种汇总,如表 1 所示。
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预处理
2.1 木材防腐剂
在室外环境中使用时,通常会用防腐剂对木材进行处理,以防止真菌、虫害和其他环境因素的影响。 [12,29-30] 基于国内外学者的研究,使用防腐剂会对 FRP 与木材的黏结性能造成负面影响。
木材中防腐剂的存在会改变木材中的水分含量,改变胶黏剂的 pH 值,抑制缩合反应,阻止表面胶黏剂润湿,从而影响黏合现象。 [31] 同时,防腐剂处理对材料纵向弹性模量、纵向拉伸性能和层间剪切性能会产生复杂的作用,降低材料的层间剪切强度。 [13,32] 因此,防腐剂类型、防腐剂保留量以及与表面的相互作用是影响黏结剪切强度的重要因素。 [12,33-35] Kilmer 等分别对 4 种阔叶木进行黏结性能研究 [36] ,发现:黏结剂不适用于杂酚油处理过的硬木,原因是杂酚油会抑制胶膜的吸湿,从而减缓或阻碍黏结剂固化,导致黏结性能不佳。Vick 等发现 [37] :铬酸铜砷酸盐防腐剂处理过的木材细胞腔表面覆盖着铬、铜和砷混合物的沉积物,阻断了黏结剂与木材之间的分子引力作用。
此外, Janowiak 等发现 [38] :使用防腐剂对黏结固化速度也会造成影响。通过分别采用铬酸铜砷酸盐和五氯苯酚两种防腐剂对苯酚-间苯二酚-甲醛黏结剂固化进行研究,发现防腐剂会减缓苯酚-间苯二酚-甲醛黏结剂的固化速度,同时需要更高的固化温度。 [12]
2.2 木材表面打磨
除上述关于木材防腐剂对 FRP 与木材黏结性能影响研究外,还有学者针对木材表面粗糙程度影响进行分析。Lyons 等发现 [39] :表面打磨粗糙,提高了 FRP-木间黏结强度。
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FRP 形制
FRP 易剪裁、设计性强, [40] 可以制成不同的形制以满足木结构实际加固工程的需要。常用的 FRP 加固木结构形式如图 1 所示。综合国内外学者的研究,FRP 形制是影响 FRP-木材界面黏结性能的重要影响因素。
图 1 常用的 FRP 加固木结构形式 [41]
Fig.1 Forms of FRP reinforced timber structures [41]
3.1 FRP 黏结形制
在 FRP 黏结长度对 FRP-木材界面黏结性能的影响方面,学者们的研究结论基本一致。FRP 黏结长度是影响剥离承载力的重要因素,在黏结长度小于有效黏结长度时,剥离承载力随黏结长度增加而提高;当黏结长度超过有效黏结长度时,FRP 与木材间的极限黏结承载能力增幅较小或不再增加,但长度的增加可延缓黏结面的破坏过程。 [10,15-16,19-21] 杨小军基于断裂力学分析的半经验半理论模型 [42] ,并考虑了木材长方体型顺纹抗压强度,得到CFRP 与落叶松木材的有效黏结长度计算式如式(1a) [10] ,和 CFRP 与杉木木材的有效黏结长度计算式如式(1b) :
式中: L e 为 CFRP 有效黏结长度,mm; E c 为碳纤维布弹性模量,MPa; t c 为碳纤维布厚度,mm; p w 为木材的顺纹抗压强度,MPa。
Vahedian A 等基于拉拔试验,结合回归分析考虑了黏结宽度、木材宽度等因素的影响, 给出了CFRP-木材有效黏结长度的计算式 [17] :
式中: E f 为 FRP 弹性模量, MPa; t f 为 FRP 厚度,mm; f ut 为木材极限抗拉强度,MPa;根据试验结果得到常数 α =4.5π; β 为 FRP 与木材宽度比影响系数。
Lei 等基于试验获得的有效黏结长度 [22] ,与式(2)理论值进行比较,发现误差值均小于 10%。
对现有关于 FRP-木材有效黏结长度数值和计算式的研究成果进行汇总整理,形成不同树种与 FRP 有效黏结长度区间,如表 2 所示,以备黏结性能试验和修缮加固技术使用参考。
除此之外,学者们还研究了 FRP 黏结宽度、黏结层数、黏结厚度对 FRP-木材界面黏结性能的影响。杨勇新等利用黏结剥离试验装置进行试验 [11] , 结果显示:随着 BFRP 黏结宽度的增加,极限黏结荷 载和黏结强度都明显提高;黏结长度一样,极限黏结 荷载随着层数的增加而线性增长,黏结层数越多,脆 性越大。Vahedian 等认为,随着黏结宽度和木材抗 拉强度的增加,黏结强度显著增加。 [17] 李向民等进 行了碳纤维布与木材黏结界面的单剪试验,发现试 件极限承载力随碳纤维布黏结宽度和厚度的增大而 增大。 [14]
FRP 黏结形制研究主要集中于 FRP 片材,关于 FRP 筋材研究较少,无法得出 FRP 筋材黏结形制的 统一结论。朱世骏等通过 GFRP 植筋胶合木试件黏 结性能试验 [43] 发现:平均黏结剪应力随锚固长度增 大会减小,GFRP 筋有效黏结锚固长度约为锚固长 度 1/2。
3.2 FRP 材料形制
目前,研究使用的纤维增强复合材料主要有碳纤维 CFRP、玻璃纤维 GFRP、芳纶纤维 AFRP 和玄武岩 BFRP 等。 [1] FRP-木材界面黏结性能与 FRP材料形制密切相关。当 FRP 的刚度更大时,界面黏结应力就变得更加均匀,有效锚固长度也会增大,加载端附近黏结应力集中也将减弱, [10] 且具有较强变形能力的 FRP 将增加界面滑移,从而增加界面断裂能,提高界面强度。 [24]
杨勇新等进行了 32 个试件的黏结性能试验 [11] ,试验结果显示:随着 FRP 布抗拉弹性模量的增加,拉剪黏结强度也明显提高, 黏结长度相同,FRP 布弹模越大的试件,其极限黏结荷载也越大。Toumpanaki 等的试验结果 [18] 表明:在单调荷载下 CFRP 筋黏结性能比 GFRP 筋高,GFRP 筋在正常使用极限状态下黏结刚度更高。
基于文献[11,18]的研究结果发现:CFRP 的界究黏结强度要高于 BFRP 和 GFRP。但由于相关研进的文献数据较少,无法归纳出规律性的结论,还需规一步深入开展不同 FRP 材料形制黏结性能变化律研究,如图 2 所示。
图 2 不同 FRP 与木材黏结强度变化关系
Fig.2 Relations between different FRPs and bonding strengths of wood
CFRP 对于木材力学性能的改善在古建筑加固工程中进行了应用。在世界文化遗产留园曲溪楼的加固修缮中采用了 CFRP 对木檩条、木梁、木搁栅等进行了承载力加固,在全国重点文物保护单位南京甘熙故居的木结构加固修缮中采用了 CFRP 对木柱墩接部位进行了整体性的加固,不仅满足结构承载的安全要求,同时对木结构建筑的外观影响和干预较小,满足不改变历史风貌的相关要求。 [44]
然而,CFRP 作为一种人工纤维复合材料也存在着不足之处。例如,CFRP 拉伸强度与模量远高于木材,且断裂伸长率低,与被加固或修复的木结构承载变形不协调,易导致界面提前失效。 [21]
近些年来,亚麻纤维复合材料逐渐兴起。从材料性能来看,亚麻纤维复合材料以天然植物材料亚麻纤维作为其增强基体,与木材同属于生物质材料, [45] 可生物降解、比强度和弹性模量高、 [46] 成本低、密度小, [47 ] 在聚合物复合材料中往往表现出更好的增强效果, [48] 是对新型复合材料在木材加固领域应用的重要补充,研究亚麻纤维复合材料与木材的黏结性能对于提高古建筑木结构保护修缮效果具有重要意义。但亚麻等天然纤维的应力应变关系曲线呈现非线性特征,经向和纬向应力应变关系曲线也存在明显差别的特点, [21,49] 同时天然纤维与大部分树脂基体的相容性差, [50] 其与木材的黏结性能还需进一步深入研究。
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胶黏剂特性
木材的胶接问题较为复杂,胶黏剂与基材间界 面黏结力的作用机制为明晰胶黏剂对 FRP-木材界 面黏结性能的影响提供了重要的理论支撑。目前, 国内外已基于胶接现象建立起多种界面黏结理论, 主要包括吸附理论 [51] 、化学键理论 [52] 、扩散理 论 [53] 、弱界面层理论 [54] 、摩擦理论 [55] 、机械互锁理 论 [56] 等。化学键理论是应用最广泛的一种理 论 [54] 。化学结合力来自木质材料和胶黏剂产生界 面效应的生成物,主要包括离子键和共价键,其结合 强度主要取决于结合数量、结合基团,以及促进化学 反应的活化成分。 [57] 扩散理论认为 2 个同种或异种 聚合物大分子之间相互扩散形成交织网络过渡区而 发生胶接。 [58-61] 机械互锁理论是基于胶黏剂嵌入基 底表面的原理,胶黏剂被锁进木材表面不规则的粗 糙部分,进而形成胶接强度。 [62] 由于胶黏剂和基体 的种类和性质、胶合工艺等存在差异,用于解释界面 黏结力形成的机理也不同,一般采用多种黏结理论 进行解释。 [57]
此外,木材和 FRP 具有不同的特性,如强度、弹 性模量、表面特性。 [9] 胶黏剂是 FRP 与木材在接触 界面和搭接处形成有效黏结、传递界面剪应力和正 应力的重要载体;胶黏剂的工作性能好坏直接决定 了复合结构的工作性能。 [7] 因此,适宜胶黏剂的选 取是十分重要的。
4.1 胶黏剂类型
用于木结构的胶黏剂大体上可以分为五类:酚类、聚氨酯类、三聚氰胺类、环氧类和生物质类。 [63] 环氧树脂形式多样化而且固化方便,具有黏附力很强和收缩性低等特点,被广泛的应用。 [64]
国内外学者针对环氧树脂进行了大量研究。文献[65-66]的研究表明环氧树脂类黏结剂能很好地保证木材与 FRP 界面的黏结强度 [7] 。但 Miao 等的研究结果 [67] 表明环氧树脂用于 FRP 与木材的黏结强度不高。这可能是由于试验过程中设置了不同的环境条件所引起的。环氧树脂在应用过程中易发生老化,所处的环境条件比如光、热、氧、水分、高能辐射、化学介质、电场等因素,通过内因使材料发生老化降解, 导致环氧树脂性能劣化, [68- 69] 进而影响 FRP-木材黏结性能。
国内外学者还研究了其他类型的胶黏剂。Raftery 等发现传统的木材复合胶黏剂苯酚-间苯二酚-甲醛可以在 FRP 与木材之间形成有效黏结,采用 1.86%配筋率使刚度提高了 18%,极限承载力提高了 31%。 [25] Bianche 等分别测定了聚醋酸乙烯酯、硅酸钠、间苯二酚-甲醛、生物基聚氨酯、改性硅酸盐 5 种胶黏剂与木材界面的接触角,发现生物基聚氨酯胶黏剂的接触角最小,聚醋酸乙烯酯胶黏剂的接触角最大。 [70]
近些年来,研究基于生物质原料的环保型胶黏剂成为新的趋势。可用来作为木材胶粘剂的生物质材料有淀粉、单宁、木质素、植物蛋白和动物蛋白等。 [71] 生物质基木材胶黏剂兼具环保和性能优点,但其综合性能特别是耐水性能与合成树脂胶粘剂还 有一定的差距。 [72] 为了提高生物质胶黏剂的性能,一般需要采用物理、化学或生物方法对生物质胶黏剂进行改性。目前,主要改性方法包括碱改性 [73] 、尿素改性 [74] 、交联改性 [75] 、酶改性 [76] 等。在此基础上,利用复合改性方法或新型改性材料提高生物质胶黏剂的黏结强度、耐水性、防霉性取得了较好的效果。如,利用热与酸、碱等化学试剂相结合 [77-78] 、去甲基化-羟乙基化复合改性 [79] 、超声波作用下接枝共聚法改性 [80] 、纳米 SiO 2 材料 [81] 等。但现有关于生物质胶黏剂的性能试验大多针对木材间的胶接,生物质胶黏剂对于 FRP-木材的黏结性能还需进一步深入研究,以满足不同用途木材加固修缮要求。
4.2 胶黏剂兼容性
FRP-木材黏结还须要考虑胶黏剂与木材防腐剂的兼容性问题。防腐剂中的化学成分阻止了胶黏剂与木材的有效结合,从而降低了胶接强度 [82] 。
Vick 等研究了 13 种水溶性防腐剂与酚醛胶黏剂作用于杨木的相容性,发现二癸基二甲基氯化铵、二癸基二甲基氯化铵和铜、二癸基二甲基氯化铵和氨基甲酸酯、氟化钠、二氟化氢铵不影响黏结,硼化防腐剂导致黏结不良。 [33] Sellers 等基于铜铬砷处理后的木材黏结试验,发现间苯二酚-甲醛黏合剂和实验室改性间苯二酚胶黏剂混合物的试验结果可满足美国木材建筑协会标准。 [83] Winandy 等提出苯酚-间苯二酚胶黏剂与五氯苯酚相容,与铜铬砷不相容。 [84]
4.3 胶黏形制
Toumpanaki 等设计了一种阶梯楔形的黏结形式, [18] 如图 3 所示。研究结果表明:该形式可以在较低的施胶量下产生更高的载荷能力,轴向抽出力随胶层厚度增加而增加。
图 3 黏结形式 [18]
Fig. 3 Bonding form
此外,研究 [85-88] 表明:改善木材与 FRP 胶接工艺可以提高 FRP-木材界面胶合性能。胶合优化工艺主要包括:1)径向横拼竹板材作为木材和 FRP 过渡层,硅烷偶联剂 KH550、偶联剂羟甲基间苯二酚对竹材、FRP 进行处理;2) FRP 不做处理,竹材和木材表面涂布羟甲基间苯二酚;3) 优化加压时间、砂光目数、压力等参数。
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外部环境
湿热环境是对复合材料影响最为显著的因素, [89] 同时,环境温度和湿度的变化均会影响木结构的变形, [90] 相比于现代建筑,木结构建筑易受环境影响。 [91] 因此,有必要研究外部环境对于 FRP-木材黏结性能的影响。
5.1 湿 度
湿度对于 FRP-木材界面黏结性能的影响较为复杂。湿度改变不仅引起木材含水率变化,也会使其产生内应力, 发生翘曲和开裂。 [92] 同时, 木材、FRP 和胶黏剂对相对湿度的不同响应可能会使界面产生较大应力,最终导致界面失效。 [23,26,93]
Ao 等通过分子动力学模拟方法证实了水分子对环氧树脂-木材界面具有弱化作用。 [23] 在干燥环境下,纤维素和环氧链的吸附与脱离之间的自由能差为 41.14 kcal/mol,吸附能为 29.89 mJ/m 2 ,在潮湿环境下,纤维素和环氧链的吸附与脱离之间的自由能界限为 11.40 kcal/mol,吸附能为 8.14 mJ/m 2 。Balmori 等进行了不同干湿条件下 GFRP 与西班牙杨木的剪切试验和拉拔试验,发现和干燥环境相比,在 40 ℃ 、90%相对湿度环境下加速老化后,剪切强度的变化在 5.16%~13.18%之间,拉拔强度的变化在 0.55%~34.47%。 [9]
5.2 温 度
FRP-木材界面黏结性能受到温度影响而不断退化。FRP 和木材的热膨胀系数差异较大,导致界面应力集中;同时,木材物理性能和顺纹抗压强度均随着温度升高而非线性降低,当温度低于 100 ℃ 时,木材力学性能的变化主要是由含水率的变化引起的,当温度在 120~200 ℃ 时,半纤维素、纤维素和木质素发生降解,导致木材力学性能显著下降;此外,树脂材料在复合材料中做基体使用,当环境温度达到或超过 FRP 树脂基体玻璃化转变温度(Tg)时,树脂基体刚度和强度降低, FRP 机械性能下降。 [27,94-98] 如图 4 所示。
图 4 不同温度下 FRP 弹性模量退化及失效模式[27]
Fig.4 Elastic modulus degradations and failure modes of
FRPs at different temperatures
不同胶黏剂在不同高温环境下的界面黏结性能也不尽相同。岳孔等分别研究了高温对于木材-间苯二酚-酚醛树脂胶黏剂、木材-三聚氰胺-脲醛树脂胶黏剂界面性能的影响。 [99] 结果表明:随着温度的升高,两种胶黏剂的界面抗剪强度均明显降低,木材-间苯二酚-酚醛树脂界面较木材-三聚氰胺-脲醛树脂具有更好的耐高温性能。150 ℃ 时,木材-间苯二酚-酚醛树脂和木材-三聚氰胺-脲醛树脂的界面抗剪强度分别为常温的 60.61% 和 60.92%;280 ℃ 时,木材-间苯二酚-酚醛树脂界面抗剪强度降至 0.774 MPa,木材-三聚氰胺-脲醛树脂界面抗剪强度降至 0 MPa。Valluzzi 等发现:100 ℃ 时 FFRP 与环氧树脂组成的复合材料拉伸强度与 20 ℃ 时相比下降到 70%,FFRP 与乙烯基胶组成的复合材料拉伸强度下降到 40%;当温度为 140 ℃ 时 FFRP 与乙烯基胶组成的复合材料拉伸强度下降到温度为20 ℃ 时的 20%。 [8] Richter 等发现使用环氧树脂胶黏剂在温度超过 60 ℃ 时表现出黏结强度下降,而使用聚氨酯胶黏剂在 70 ℃ 以上才有足够的黏结强度。 [100]
FRP 材料形制也会影响 FRP 与木材在高温环境下的黏结性能。研究 [101] 表明,在 60 ℃ 环境中暴露 720 h 后,GFRP 和 CFRP 加固木构件黏结强度降低了 10%,而 AFRP 加固木构件黏结强度没有表现出强度降低。 [93]
5.3 特殊环境
Shekarchi 等进行了海水环境下 GFRP 筋与木材的拉拔试验 [28] ,试验结果表明,在模拟海水环境中浸泡 90 d 后平均黏结强度下降了 39%,主要破坏模式发生在胶黏剂-木材界面。文献[101-102] 分别介绍了对暴露于酸性、碱性、淡水、海水环境中不同 FRP 与木材黏结性能的研究,发现:酸性环境对 CFRP-木材黏结性能影响最大,强度降低 57%,海水和淡水环境对 CFRP-木材黏结性能影响最小,AFRP 和 GFRP 与木材黏结性能降低 40%,碱性环境对 GFRP 木材黏结性能影响最大;此外,双向 CFRP和 AFRP 比单向 CFRP 和 AFRP 黏结强度高,双向 AFRP 在碱性环境(pH=12.5)黏结强度退化严重。
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结束语
通过较为全面地整理和分析,得到以下结论:
1) 木材材性是 FRP-木材黏结性能的重要影响因素。特别是木材的含水率,受到温湿度、防腐剂等多种因素的影响而发生规律性变化,致使其黏结性能发生改变。通常情况下, 过高的含水率会导致 FRP 木材黏结性能降低。此外,不同树种的木材或同一树种不同位置制成的木材与 FRP 黏结性能都不尽相同,目前还无法得出系统性研究结论。
2) 预处理(木材防腐剂)和胶黏剂(不相容情况下)对 FRP-木材界面黏结性能造成负面影响。预处理会导致黏结固化速度减缓、黏结强度降低等性能退化现象出现。此外,关于环氧树脂是否适合作为 FRP-木材界面的胶黏剂依然存在着分歧。并且部分胶黏剂与木材防腐剂不相容。
3) 增大 FRP 形制的黏结长度、黏结宽度及刚度是提高 FRP-木材界面黏结性能的主要方式。其中,FRP 黏结长度与黏结宽度是关于 FRP 黏结形制对界面黏结性能影响的重要因素。在有效黏结长度对于 FRP-木材黏结性能的影响趋势上已形成了基本共识,对于有效黏结长度的概念及其具体数值目前还没有统一的研究定论。
4) 湿热环境、酸碱溶液和海水等外部特定环境作用下,均会造成 FRP-木材界面黏结性能降低。关于 FRP、木材、胶黏剂三者耦合作用下的 FRP-木材界面黏结性能退化机理尚未明晰;特殊环境( 酸性、碱性、淡水、海水)对于不同形制 FRP-木材界面黏结性能影响及定量分析的研究数据量较小,使得该环境下的 FRP-木材界面黏结性能退化规律还未得出统一结论。
为进一步准确评估 FRP 与木材的界面黏结性能,结合前述研究提出以下建议:
1) 与木材同质、同性的高性能纤维增强复合材料的发掘将成为未来研究工作的新趋势。从目前来看,亚麻纤维复合材料与木材性能相近、界面协调性高,两者相黏结具有良好的应用前景,但关于亚麻纤维复合材料与基材界面黏结性能的研究仍处于初步探索阶段,湿度环境变化下亚麻纤维复合材料-木材黏结性能稳定性评估工作亟需进一步完善。
2) 由于国内、外树种生长环境不同而引起的材性“南橘北枳” 现象。已有试验结论主要源于生长于西班牙、美国等西方欧美国家的当地树种木材,但作用于树木生长的生物与非生物因素差异性较大。因此,有必要开展关于国内树种木材材性与 FRP 黏结性能的本土化研究,特别是古建筑木结构常用树种材性的适应性研究。
3) 应从完善不同 FRP 材料种类(BFRP、AFRP等)黏结性能着手,研究不同 FRP 材料形制加固木结构设计理论。目前关于 FRP 黏结性能影响研究大多集中在 CFRP,有必要开展不同 FRP 材料形制对于黏结性能影响程度的评价研究,建立不同 FRP 材料形制的黏结性能数据库,为古建筑木结构修复加固工程的 FRP 种类选择提供参考依据。
4) 与古建筑木结构实际服役环境相吻合的 FRP-木材界面黏结性能外部环境作用机制研究将成为未来古建筑木结构 FRP 加固领域的重要研究内容之一。目前影响 FRP-木材界面黏结性能的外部环境因素研究主要包括温湿度、酸碱溶液、海水等,缺乏针对古建筑木结构实际服役环境参数影响变化下的黏结性能退化机制的系统性研究。
5) 确立起基于不同锚固长度、胶黏剂与胶合技术标准的 FRP 与木材黏结-滑移本构关系, 拓展 FRP 高质、高效应用场景将是未来研究的重要方向。FRP 与木材黏结-滑移本构关系较为复杂,为准确反映 FRP 与木材界面的受力性能,从峰值黏结应力、峰值滑移量等关键参数值探究 FRP 与木材的黏结滑移机理工作亟待深入。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳纤维增强复合材料(FRP)对于木材力学性能改善及木结构加固、修复的优良性能使其成为新型复合材料研究的热点。FRP-木材黏结加固受 FRP 材料、木材基体与胶黏剂等多重因素协同作用影响,其界面的黏结状况问题尤为关键,决定着复合材料结构的性能和寿命。因此,结合木材生物性属性和木结构独特结构特性,从材性变化、预处理、FRP 形制、胶黏剂特性、外部环境五方面系统梳理、总结了国内外 FRP-木材界面黏结性能的最新研究成果,旨在厘清 FRP-木材界面黏结性能的耦合影响因素。同时分析了现有 FRP-木材黏结加固研究存在的不足,并对未来研究工作的新趋势、新发展与新方向进行了展望,为今后拓展 FRP 高质、高效的应用特别是古建筑木结构的保护提供重要参考。
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