碳纖維木材復合材結合層剪切蠕變性能研究

楊小軍，孫友富

(南京林業大學 木材工業學院，江蘇 南京210037)

隨著人們對居住環境質量要求的日益提高，現代木結構建筑業得到了迅猛發展[1]，在建筑用天然林優質木材資源受到保護的今天，生長周期較短的速生材的結構化利用研究受到了人們普遍關注。中國速生落葉松Larix gmeinii資源豐富。落葉松生長周期短，紋理通直，結構均勻，在木材工業中的應用越來越廣。其材質松軟，密度低，強度小，易產生干縮變形，限制了其進一步的利用，特別是在建筑結構方面的應用。隨著碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic，縮寫為CFRP)技術的發展，在速生材表面粘結復合碳纖維布成了改善其性能一種有效的技術手段[2]。近年來，國內外也相繼出現了大量采用CFRP加固建筑木梁、木柱及其節點加固的案例[3－4]。蠕變是碳纖維木材復合材用于結構用途時必須要考慮的重要因素之一。目前，有關碳纖維木材復合材蠕變的研究尚未見報道。本研究將從CFRP與木材結合層受剪性能入手，研究CFRP與木材間結合層蠕變特性，以指導CFRP在木結構加固工程中的合理應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

落葉松規格材，有部分活節，紋理通直，一等材，氣干密度為0.632 g°cm－3，含水率為15%。CFRP布為聚丙烯腈基碳纖維，單向織物，理論厚度為0.111 mm，抗拉彈性模量為2.4×105MPa，面密度為206 g°m－2，抗拉強度為3 450 MPa，極限拉伸應變為1.0%；膠黏劑為雙組分環氧類，混合后初黏度(23℃)為 5 000 mPa°s，其混合體積比為2︰1。膠體主要力學性能:抗拉強度50 MPa，彈性模量2.0 GPa，延伸率為2.2%，由南京某公司提供。

試驗用主要設備為UTM 4304高低溫持久蠕變試驗機。

1.2 試驗方法

試件設計如圖1所示。木塊尺寸為120 mm×50 mm×20 mm，為避免木塊材面的差異皆取徑切面作為粘結面，粘結面尺寸為20 mm×50 mm。木塊端頭預留10 mm，以減少因木塊端頭在負載時出現破損或變形而影響結合面。應力水平取平均極限剪切應力的20%，35%，50%和70%。試驗環境取2個狀態:①溫度為24℃、相對濕度為45%(平衡含水率約為9.9%)；②溫度為60℃、相對濕度為90%(平衡含水率約為18%)。試驗周期取12 h。

極限剪切應力:通過對20個試件的剪切拉斷試驗獲得，平均極限剪切應力為2 286.25 N，變異系數為5.37%。

結合層厚度:通過改變復合CFRP時的壓力(0.05 MPa以上)實現結合層不同厚度，以考察不同厚度層間蠕變關系。結合層厚度計算:H膠合層=H復合材-H木塊-HCFRP，其中H指材料的厚度。

圖1 試件設計及加載示意圖Figure 1 Chart of samples’size and loading method

1.3 蠕變模型

碳纖維木材復合材結合層主要是具有黏彈性的環氧樹脂膠體和木材表層。兩者都為高分子材料，其應變行為可同時兼有彈性材料和黏性材料的特征[5－7]，其蠕變變形通常由瞬間彈性變形、延遲彈性變形和黏性變形組成，將這三者串聯起來便形成一個四元件模型，即Burger模型[8－10]，如圖2所示。本研究將采用Burger模型來描述復合材結合層黏彈性。

其中:Y(t)為隨時間變化剪切變形的數學函數，A為待定系數，t為蠕變時間。A1和A4分別為彈性變形和黏性變形，A2和A3反映黏彈性變形。

2 結果與分析

碳纖維與木材間結合層剪切蠕變試驗結果如圖3所示。在4種應力水平下，各蠕變曲線變形規律幾乎一致，都體現了初始蠕變階段和等速蠕變階段的短期特征[8－12]。

利用Burger蠕變模型公式作為回歸方程表達式，分別進行了2種環境狀態下各結合層蠕變特性曲線的數值擬合，方程各參數A1，A2，A3，A4值分別見圖3。由圖3可知:Burger模型描述結合層剪切蠕變數據比較精確，其相關系數都在98%以上，表明CFRP木材復合材結合層的短期剪切蠕變行為可用Burger模型來模擬。

由圖3中試件2-1和試件2-2比較發現，在同樣環境和同樣的應力水平作用下，結合層厚度不同的試驗中，厚度大的試件表現出較大蠕變變形量，試件2-2厚度增加23.5%，則初始變形及8 h蠕變值分別增加36.8%及29.7%。同樣的剪切應變較厚結合層剪切位移大，另外，結合層厚易出現影響結合層應力分布均勻性的孔隙。厚度是影響結合層蠕變變形的重要因素，蠕變變形量大意味著應力松弛較快[5－6]，特別是在較高應力水平。為減少結合層影響，可通過控制施膠量和施加壓力的方法使結合層厚度降低。

不同環境狀態下的試件1-1與試件1-2，試件3-1與試件3-2及試件4-1與試件4-2，瞬時彈性變形相差不大，但隨著負載時間延續其蠕變變形量差距逐漸加大。這是由于蠕變試驗時試件皆從室溫環境狀態逐漸向試驗箱環境轉變，即加載初期2個試件結合層幾乎處于同一狀態，瞬時彈性變形差異由結合層厚度引起。隨著時間的延續，結合層膠體及木材表層逐漸適應于試驗箱環境，高溫高濕環境下木材吸濕，不可避免使結合層表層木材表現出機械吸濕蠕變現象，同時結合層膠體高分子熱運動加劇，從而出現蠕變變形速率增加的現象。在高濕環境及70%應力水平下，結合層在465 min時便出現斷裂，表明復合材結合層在高應力水平時耐溫濕作用較差，在工程中應用時應避免將CFRP用于高溫高濕環境或采取必要措施對結合層進行防護處理。

在不同應力水平下的試件1-1，試件2-1，試件3-1與試件4-1試件，蠕變變形差異較大但遵循相同的規律。在20%，35%和50%應力水平下，蠕變變形增加速率緩慢；而在70%應力水平下，蠕變變形增加速率明顯高于其他應力水平，且發生蠕變破壞的可能性大大提高。高應力水平下以高溫高濕環境蠕變變形速率增長最快，出現了在較短時間內破壞現象。為安全考慮，在應用時結合層設計應力水平應不超過50%。

模型參數A1反映在彈性范圍內，剪力作用下結合層的抗變形能力，剪應力水平與A1比值幾乎一致，結合層彈性性能與應力水平關系較小，在卸載后可完全恢復。A2及A3反映結合層黏彈性變形，圖3中擬合數據可看出，A2及A3與應力水平及環境狀態密切相關，應力水平越大或高濕環境下，其恢復原有尺寸的能力越來越小。A4反映結合層蠕變中的黏性變形，應力水平越大或高濕環境下，永久變形越大。

圖2 Burger模型Figure 2 Burger model

3 結論

結合層蠕變變形都在相對短的時間內出現，且依賴于剪應力大小和負載時間。復合材結合層短期蠕變過程可分為2個階段:第1級蠕變，蠕變以非線性方式增長；第2級蠕變，蠕變以低速率持續線性增長。

高溫高濕環境下結合層蠕變量要顯著大于低濕環境，高濕環境下，高應力水平易使結合層較早出現短裂，溫度及相對濕度是影響蠕變的重要因素。

圖3 結合層剪切蠕變擬合圖Figure 3 Fitted data and chart of the bond layer’s shear creep

Burgers四元件模型可以用來模擬碳纖維木材復合材膠合層在高濕、低濕2種環境下短期剪切蠕變特性，其精度可以滿足工程需要。

結合層厚度越大，剪切蠕變變形也越大，在保證膠合強度的前提下，建議碳纖維與木材復合時通過控制施膠量及施加壓力(0.05 MPa以上)的方法來減小膠合層厚度。

蠕變變形隨應力水平的增大而增大。各應力水平蠕變曲線都表現出了同樣蠕變規律，蠕變變形在早期較大，后期逐漸減緩。蠕變測試時間不能充分反映材料的蠕變性能，今后還將進一步對材料的長期蠕變性能進行研究。

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