建筑技术丨装修纤维增强聚合物加固层压单板木材力学性能

纤维增强聚合物（FRP）材料，如碳FRP和玻璃FRP，由于其高机械性能（如高拉伸模量和强度）和耐腐蚀性，已被用于加强木制构件。在过去的10年中，植物基天然纤维增强聚合物材料因其生物可降解性和特殊性能而被考虑用于土木工程领域。植物基天然纤维增强聚合物（如亚麻纤维增强聚合物）已被研究用于加强混凝和木材构件。然而，由于植物基天然纤维增强聚合物的高吸水性会降低结构件的耐久性，因此在建筑中的发展可能受到限制。将植物基天然纤维与合成纤维混合在一起作为聚合物基体的增强物，已被证明可以减少植物基天然纤维增强聚合物的吸水率。关于使用混合纤维增强聚合物加强木质构件，与木–玻璃纤维增强聚合物梁相比，木–混合纤维增强聚合物梁的玻璃纤维层较少，但显示出相当的最大负荷。此外，在未来的回收过程中，需要考虑将混合纤维增强聚合物中的不同纤维分开。

本研究通过四点弯曲试验，描述了由双层亚麻–玻璃混合纤维增强聚合物（HFRP）加固的LVL梁的弯曲行为（即最大荷载、弯曲强度和刚度）。讨论了风化暴露时间（1个月、2个月和3个月）和织物序列对弯曲行为的影响。

1 材料和方法

1.1 试件制造

本研究中使用的木材为商业层压单板木材（LVL）。LVL是由花旗松单板制成。10块LVL的密度和平衡含水量分别为（513.5±11.7） kg/m³和（9.7±0.3）%。HFRP中的亚麻和玻璃织其面积密度分别为548 g/m²和566 g/m²。

一种双组分的环氧树胶粘剂用于制造HFRP，并将HFRP粘合到LVL上。按照制造商的建议，树脂和固化剂以100∶20的重量比混合。

双层亚麻–玻璃混合纤维增强聚合物（HFRP）是通过手糊法制作的。亚麻和玻璃织物上的胶粘剂用量分别为1.0 kg/m²和0.5 kg/m²。环氧树脂涂抹后，LVL被放置在HFRP的表面。

在室内条件下（20℃，57%相对湿度）经过7 d的固化过程后，LVL–HFRP梁被切割成设计尺寸进行测试。LVL梁（长×厚×宽：540 mm×30 mm×33 mm）是由LVL板切割而成的。试件方案见表1。

表1 弯曲试验LVL和LVL–HFRP梁

准备了3种类型的梁。LVL、LVL–FG和LVL–GF梁。LVL–FG和LVL–GF梁是指LVL–HFRP梁，其中HFRP的亚麻层和玻璃纤维层分别粘合在LVL上。R、W1、W2和W3分别代表暴露在室内条件和风化环境中1个月、2个月和3个月的梁。

1.2 加速条件

房间条件（20℃和57％RH）被认为是参考环境。风化是按周期诱导的。在每个周期中，有4个步骤：（1）干燥条件（20℃和65%RH）3 h；（2）喷水6 h；（3）干燥条件（20℃和65%RH）3 h；（4）紫外线（UV）照射12 h。

1.3 四点弯曲试验

图1提供了LVL和LVL–HFRP梁的四点弯曲试验的设置。跨度和负载之间的位移分别为540 mm和180 mm。试验使用万能试验机进行，其位移控制（2.5 mm/min）基于ASTMD198测试期间的跨中挠度由线性可变差分传感器（LVDT）记录。延展性指数（Du）被用来评估梁的延展性。该指数是在最大荷载下的挠度（um）与基于梁的荷载线性增加直至最终失效的假设而计算出的挠度之比。

2 试验结果与讨论

2.1 荷载–挠度曲线

图1（a）显示了LVL梁在风化暴露前后的典型荷载–挠度曲线。由图可知，暴露后最大荷载下降。暴露在室内条件下的LVL梁（黑色实线）显示出3.0±0.1 kN的最大荷载和相对脆性的行为（延展性指数为1.3±0.1）。在R–LVL梁的荷载–挠度曲线的末端，存在着波动。曲线波动的原因是LVL是通过将单板粘在一起制成的。基于这种制造方法，单板的缺陷是分散的。这可以防止LVL在承受负荷时，单板同时失效。在风化暴露后，最大荷载下降到1.7~2.0 kN，荷载–挠度曲线变得更加延展（延展性指数增加到1.8~3.0）。最大荷载的下降可认为是由木质素的降解及LVL梁在周期性的风化暴露中的周期性膨胀和收缩引起的裂缝造成的。木质素的降解也解释了跨中挠度的增加，因为木质素可以提供木材的刚性。

（a）

（b）

图1 LVL梁和LVL–HFRP梁在风化暴露后荷载–挠度曲线

（a）LVL梁；（b）LVL–HFRP梁在风化暴露后的荷载–挠度曲线

图1（b）显示了LVL–HFRP梁在风化暴露前后的典型荷载–挠度曲线。在室内条件下，R–LVL–FG和R–LVL–GF梁的最大荷载分别为（4.5±0.2） kN和（4.4±0.2） kN，高于LVL梁。与LVL（图1（a）中的黑色实线）相比，LVL–HFRP梁的荷载–挠度曲线表现出相对的延展性。LVL–HFRP梁的延展性指数（1.7~2.8）比LVL梁（1.3）大。这一改进归功于HFRP的使用，它增加了LVL梁张力侧的承载能力。

基于力的平衡，LVL梁的压缩侧可以承载更多的荷载，这导致了压缩侧更多的塑性破坏。因此，LVL–HFRP梁显示出更高的最大荷载和更大的挠度。在风化暴露后，LVL–HFRP梁的挠度没有明显变化，最大荷载明显减少。

经过1个月、2个月和3个月的暴露，LVL–HFRP梁的最大荷载分别下降了29.6%~32.2%、40.6%~41.7%和41.6%~45.7%。风化暴露后最大荷载的降低是由于LVL和HFRP的承载能力因风化暴露而降低。

2.2 弯曲强度

图2和图3（a）是LVL和LVL–HFRP梁在风化暴露前后的平均抗弯强度对比图及箱形图。与R–LVL梁（54.1MPa）相比，由于使用了HFRP，LVL–HFRP（R–LVL–FG和R–LVL–GF）梁的平均弯曲强度分别增加了29.6%和24.5%。

图2 风化后的LVL和LVL–HFRP梁抗弯强度对比

（a）

（b）

图3  风化后的LVL和LVL–HFRP梁

（a）抗弯强度；（b）抗弯刚度

经过1个月的风化暴露，LVL、LVL–FG和LVL–GF梁的弯曲强度分别减少了47.5%、34.6%和40.0%。LVL–HFRP梁的抗弯强度降低率比LVL梁小。这可能是由于HFRP作为隔离层可以减少LVL的吸水率，然后减少LVL的膨胀和收缩，从而降低梁的强度。在暴露2个月后，LVL梁的弯曲强度略有增加，在暴露3个月后又有所下降。

暴露3个月后，LVL梁的最终弯曲强度（27.9MPa）与暴露1个月后的LVL梁（28.4MPa）相比，没有明显变化。这表明，至少在这个特定的情况下，大部分的老化过程发生在暴露的第1个月。暴露在2个月内的梁的老化程度增加的原因还不清楚，需要进一步调查。在LVL–HFRP梁的情况下，与暴露前的LVL–HFRP梁的弯曲强度相比，暴露1个月、2个月和3个月后的弯曲强度分别逐渐下降了34.6%~40.0%、43.6%~46.8%和48.6%~51.3%。

LVL–HFRP梁的弯曲强度的逐渐下降趋势与LVL梁的不同。这一现象可能是由于HFRP可以减少LVL的吸水率，从而减少LVL的膨胀和收缩，这导致LVL–HFRP梁的弯曲强度下降较小。

在室内条件下，LVL–FG梁（70.7 MPa），其中HFRP的亚麻纤维层是与LVL结合的内层，显示出比LVL–GF梁（67.9 MPa）（其中玻璃纤维层是内层）更高的抗弯强度。这可以用发生在LVL–GF梁上的分层失效来解释。

在分层失效中，HFRP的亚麻纤维层破裂，而玻璃纤维层没有破裂。亚麻层和玻璃纤维层之间出现了分层，这表明HFRP的抗拉强度没有得到充分的利用。因此，LVL–GF的抗弯强度低于LVL–FG的梁。

曝光后，LVL–GF梁的弯曲强度总是比LVL–FG梁低。这种现象可能有两个原因。一个原因是上面讨论的分层失效。另一个原因是在LVL–GF梁中，玻璃纤维层是内层，亚麻纤维层是暴露在环境中的外层，与亚麻纤维层是内层的LVL–FG梁相比，这可能导致HFRP的拉伸性能有较大下降。

2.3 弯曲刚度

图3（b）显示了LVL和LVL–HFRP梁在风化曝晒前后的弯曲刚度。经过1个月的暴露，LVL的刚度下降了17.1%。木材刚度的降低可归因于风化暴露期间木质素的降解。

在2个月和3个月的暴露后，与W1–LVL的刚度相比，刚度没有明显变化。这个原因可能是在2个月和3个月的曝晒期间发生的木质素降解较少。木质素的降解是由紫外线辐射引起的光氧化。紫外线辐射主要影响木材表面。

因此，LVL的刚度在1个月的暴露中明显下降，而在2~3个月的暴露中，没有观察到明显的变化。关于LVL–HFRP梁的刚度，它显示出与LVL梁类似的趋势。LVL–HFRP梁的刚度在1个月的暴露后下降。W1–LVL–FG和W1–LVL–GF梁的降低率分别为7.3 %和12.1 %。

在2个月和3个月的暴露后，刚度没有明显变化。LVL–HFRP梁的刚度降低率比LVL梁低。这是因为LVL–HFRP梁的刚度是由LVL和HFRP控制的。在HFRP中，拉伸模量由玻璃纤维层主导，因为玻璃FRP的模量比亚麻FRP的高。

因此，在暴露期间，HFRP的拉伸模量不受风化暴露的影响，因此与LVL梁相比，导致LVL–HFRP梁的刚度降低。

3 结论

本研究进行了四点弯曲试验，研究LVL和LVL–HFRP梁在循环喷水–紫外线辐射环境下的耐久性。荷载–挠度曲线、弯曲强度和刚度被用来评估受弯性能。主要结论如下。

（1）暴露1个月后，LVL和LVL–HFRP梁的抗弯强度分别显著下降了46.4 %和34.6 %~40.0 %。暴露3个月后，与暴露1个月的LVL梁相比，LVL梁的弯曲强度没有明显变化。在LVL–HFRP梁的情况下，3个月暴露后弯曲强度的总减少率为48.6 %~51.3 %。

（2）所有受测试的LVL和LVL–HFRP梁在暴露1个月后显示出7.5 %~12.6 %的刚度降低率。在2个月和3个月的暴露后，LVL–FG或LVL–GF梁的刚度没有明显变化。

（3）在暴露之前和之后，由于LVL–GF梁的HFRP出现分层失效，玻璃纤维层与木材结合的LVL–GF梁的抗弯强度总是低于亚麻纤维层与木材结合的LVL–FG梁。