FRP-木材粘结界面断裂参数研究*

刘昆珏 魏家旭 刘 问 胡雨村

（1. 云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650000；2. 北京林业大学，北京 100083）

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）与木材复合可以提升木材构件的承载力和刚度[1]。FRP具有比强度高、比模量大、耐久性好[2-3]等特点，近年来，在利用FRP加强和稳固木材方面取得了诸多研究成果[4-6]，Fransesco等[7]采用实验和数值模拟的方法探讨了用碳纤维复合材料与胶合木梁节点连接代替传统螺栓钢板连接的可能性。Lu[8]通过实验得出，用FRP加固胶合木能有效提高其抗弯强度和抗弯刚度。Angelo[9]在受损木梁修复实验中发现，碳纤维复合材料可以弥合已有的木材裂缝，提高木梁的力学性能。然而，由于木材和FRP在蠕变系数、弹性模量等材料属性方面存在明显差异[10-11]，及构件加工不规范和材料本身尺寸效应，使得缺陷大多发生在粘结界面，同时在不同的湿度和温度环境因素以及荷载因素的干扰下，界面裂缝极容易发生在FRP-木材粘结界面[12-13]，并于不同接触面间产生张拉破坏或剪切破坏。界面提前失效致使复合结构整体性能未被充分利用，不利于实际工程的应用推广[14-16]。因此，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[17]。

针对FRP-木材粘结界面张开型（Ⅰ型）破坏，Ao等[18]研究了FRP-木材粘结界面性能与湿度变化的关系，发现FRP-木材界面的强度决定了整个系统的机械性能。杨小军等[19]通过双悬臂梁试验研究CFRP-木材界面Ⅰ型断裂发现，界面两侧材料的差异性可以改善界面裂纹的失稳扩展。对于FRP-木材滑开型（Ⅱ型）及复合型（Ⅰ/Ⅱ复合型）破坏，使用锥形端部缺口弯曲试样可以有效测量出断裂韧性并检测潜在的分层和裂纹扩展。Crews等[20]通过FRP-木材粘结界面双剪试验发现，界面剪切强度小于木材或胶黏层的强度，破坏产生于粘结界面。

界面断裂性能对复合材料结构有着重要影响，但是目前断裂界面性能的相关实验研究尚未形成规律性的结论用以预测断裂缝在界面发展的趋势，界面裂缝对FRP-木材复合材料结构性能影响尚未明确。本文选取缝高比为0.3和0.4的两组试样，分别进行Ⅰ型断裂试验即三点弯曲试验和Ⅱ型断裂即四点弯曲剪切试验，根据所得到的荷载挠度曲线，分析其界面破坏形式，并计算断裂韧度，归纳总结了界面断裂规律。

1 材料与方法

1.1 材料

胶黏剂为瑞士普邦单组分聚氨酯胶；木材为北美花旗松（Pseudotsuga menziesii），层板木尺寸为600 mm × 240 mm × 40 mm，含水率和密度分别为11.1%和0.63 g/cm3。

1.2 试件制作

如图1所示，将聚氨酯胶涂在2块木板的40 mm ×600 mm截面上，再将加工完成的FRP板置于2块木板涂胶面中间，对准后通过弹簧将压力均匀地施加于粘结界面。涂胶量不小于150 g/m2，弹簧压缩压力不小于1.25 MPa[21]，将构件表面溢出的胶剔除，构件最终尺寸为40 mm （L）× 100 mm （R）× 480 mm（T）。本文研究木材在L方向与FRP粘结界面的断裂性能，使用青岛展翔机械厂生产的推台锯在一侧涂胶面上切割预制切口，切口高度分别为72 mm和96 mm，因此，预制切口的缝高比相应为0.3和0.4[22]。

图1 构件加工示意图Fig.1 Schematic diagram of component processing

1.3 试验方法

试验采用济南试金集团生产的量程为100 kN的WDW-100E微机控制电子式万能试验机进行测试，采用1.5 mm/min的位移控制加载速度，直至试件完全破坏。

I型断裂试验：如图1所示，采用三点弯曲加载形式，加载路线与预制切口方向重合；在试验中，支撑距离S一般设置为4倍W[23]，即400 mm。

II型断裂试验：采用在预制缝两侧施加反对称荷载的纯剪加载方式，通过加载钢梁的近加载点和远加载点，将力间接施加在构件上；同时，近端支座与近加载点、远端支座与远加载点以预制切口为中心对称布置，使得预制切口截面上弯矩为0，但剪应力不为0，且均匀分布[24]。

图2 断裂试验装置图Fig.2 Fracture experimental setup

2 结果与分析

2.1 Ⅰ型断裂形式

FRP-木材粘结界面断裂面扩展通常有2 种方式分别使构件产生不同的破坏形式，即沿FRP板与胶层接触面的剥离破坏和沿胶层与木材接触面的粘黏破坏，如图3 所示。此外，由于最大断裂能释放率的方向决定着裂缝扩展的方向，而木材本身是属于各向异性的非均质材料，FRP-木材粘结界面也会呈现类似各向异性和非均质性的特点。这导致裂缝扩展面不会单纯地只发生在粘黏破坏面内或剥离破坏面内。多数情况下，2 种界面破坏形式随着裂缝的发展穿插交替进行。本文对FRP-木材断裂界面进行如下定义：当断裂面为FRP板与胶层接触面时，称之为B类断裂面；当断裂面为胶层与木材接触面时，称之为Z类断裂面。

图3 FRP-木材界面Fig.3 FRP-wood interface

Ⅰ型断裂试验的荷载挠度曲线如图4 所示。根据图中曲线特点，可将FRP-木材粘结界面Ⅰ型断裂大致分为脆性断裂和准脆性断裂2 种类型。准脆性断裂和脆性断裂的不同之处在于，准脆性断裂存在断裂软化阶段，即达到最大荷载后，荷载不会立刻消失，而是较为缓慢地减小到零；脆性断裂则不存在上述的峰后软化段，根据峰前上升段的特点，其可以分为存在非线性段和不存在非线性段2 种类型。

图4 I型断裂荷载-挠度曲线Fig.4 Curve of type I fracture load and deflection

Ⅰ型断裂界面的破坏类型大致可分为4 种：B型破坏、Z型破坏、Z-B型破坏和B-Z型破坏。

当主断裂面为B类断裂面时，由于此类界面的剥离性能非常均匀，在试验中一旦缺陷扩展，断裂面立刻形成，因此主断裂面较为光滑，此种破坏称为B型破坏；其荷载挠度曲线在到达极限荷载前不存在非线性段，荷载达到峰值后会立即消失，因此试件断裂破坏类型为脆性断裂，如图5a所示。

当主断裂面为Z类断裂面时，由于胶层会渗透到木材层，断裂面会粘结部分木材，因此界面发生粘黏破坏，即为Z型破坏；所对应荷载挠度曲线在断裂前存在非线性段，断裂之后存在软化段，如图5c所示。

当先发生Z型破坏后渐变为B型破坏时，Z类断裂面由于为粘黏破坏，因此存在木材纤维桥连现象，后随着裂缝扩展，渐变为B类断裂面，此时断裂破坏界面光滑平整，为明显的剥离破坏，此种破坏类型称为Z-B型破坏；对应的荷载挠度曲线在到达极值荷载前存在非线性段，达到峰值后荷载快速下降为0，因此断裂类型为脆性断裂，如图5b所示。

图5 I型断裂界面的4 种破坏类型Fig.5 Four failure types of mode I fracture interface

当先发生B型破坏后渐变为Z型破坏时，B类断裂面部分先发生剥离破坏，之后裂缝扩展到Z断裂面发生粘黏破坏，此种破坏类型为B-Z型破坏；荷载挠度曲线存在明显的峰后软化段，构件断裂类型为准脆性断裂，如图5d所示。

2.2 Ⅱ型断裂形式

由图6可知，进行四点纯剪试验构件的荷载挠度曲线不存在断裂软化阶段，因此Ⅱ型断裂均属于脆性断裂。在弹性阶段时，构件内部还未出现损伤和微裂缝，荷载与挠度呈线性关系；随着荷载继续增加，构件挠度增大，在裂缝尖端附近产生了不可恢复的损伤和微裂缝，此时荷载与挠度成非线性关系。到达峰值荷载后，荷载挠度曲线有两类不同的发展趋势：大部分构件会立即断裂，荷载立刻消失；另一部分构件会存在一个荷载下降段。这是由于主断裂面产生的位置不同引起的。因此构件界面的Ⅱ型断裂可分为两类，即存在荷载下降段的脆性破坏和不存在荷载下降段的脆性破坏。

图6 II型荷载-挠度曲线Fig.6 Curve of type II fracture load and deflection

Ⅱ型断裂破坏界面大致可以分为B型和Z型断裂破坏面2 种。

如图7a所示，有着明显荷载下降段的脆性破坏试件，其断裂破坏界面为Z型。从破坏机理看，当刚开始产生损伤和微裂缝时，木材断裂滑移阻力是由木材顺纹方向的纤维桥连力构成。但由于Z类断裂面胶层对木材层的渗入，随着断裂过程区的进一步发展，滑移阻力由木材顺纹纤维剪切力转化为纤维拉力。因此，达到峰值荷载后，荷载挠度曲线才存在下降段，但降幅不大，断裂后的界面可观察到纤维桥连现象。

图7 II型断裂界面的2 种破坏类型Fig.7 Two failure types of mode II fracture interface

另外，不存在荷载下降段的脆性破坏构件的主断裂面为B类断裂面，如图7b。由于FRP板和胶层粘结强度较小，因此产生的断裂面会贯穿FRP板的表面，当达到峰值荷载后，界面发生脆断，破坏界面可能会有部分剥离木材残留，但整体界面比较光滑。

3 断裂韧度计算

3.1 Ⅰ型断裂韧度

起裂点是构件材料内部损伤形成的起点，表现为断裂过程区的形成；试件断裂点是微裂缝扩展贯通，构件断裂破坏的点。由于木材是类似于混凝土的准脆性材料，因此一般认为起裂荷载对应线弹性极限点，而断裂荷载一般对应的是最大荷载[25]。在荷载挠度曲线中，起裂点为线性阶段与非线性阶段的连接点，峰值荷载处则为断裂点。三点弯曲断裂试验中运用公式（1）计算断裂韧度KI（MPa·m0.5）。

由于B型断裂和B-Z型断裂的荷载挠度曲线在断裂前基本不存在非线性段部分，因此0.3-1、0.3-2、0.3-3与0.4-1、0.4-2的起裂荷载与断裂荷载相同，如表1所示，计算的起裂韧度等于断裂韧度。而Z型和Z-B型断裂破坏，断裂前存在非线性段部分，断裂荷载一般要大于起裂荷载。通过计算得出，缝高比为0.3和0.4的2组试件，FRP-木材粘结界面Ⅰ型断裂的平均起裂韧度分别为0.438 MPa·m0.5和0.316 MPa·m0.5，平均失稳断裂韧度分别为0.448 MPa·m0.5和0.326 MPa·m0.5；起裂韧度略微小于或等于断裂韧度，比值达到96%以上。

表1 I型断裂韧度Tab.1 Type I fracture toughness

3.2 Ⅱ型断裂韧度

预制裂缝剪力Q（kN）按下式计算：

式中：s1为支座距离，取200 mm；s2为近点支座与施加荷载所在直线的距离，取10 mm。

则根据公式（4）计算FRP-木材粘结界面II型的起裂韧度Kini（MPa·m0.5）和断裂韧度Kmax（MPa·m0.5）[26]。

当主断裂面为B型断裂面时，荷载达到峰值时会立即发生剪切断裂，起裂荷载和断裂荷载相同，如表2中试件0.3-6，0.3-8。当主断裂面为Z型断裂面时，由于木材层存在胶体的渗入，发生剪切断裂时会发生纤维桥连现象，使得荷载挠度曲线在达到峰值荷载前存在非线性段，此时起裂荷载小于断裂荷载。由表2可知，试件初始缝高比为0.3和0.4时，其Ⅱ型断裂的平均起裂韧度分别为0.159 MPa·m0.5和0.209 MPa·m0.5，平均失稳断裂韧度分别为0.166 MPa·m0.5和0.213 MPa·m0.5；起裂韧度至少为断裂韧度的95%以上，这表明起裂韧度与断裂韧度十分接近。

表2 Ⅱ型断裂韧度Tab.2 Type Ⅱ fracture toughness

4 结论

通过对缝高比为0.3和0.4两组构件进行FRP-木材粘结界面的三点弯曲断裂试验和四点剪切断裂试验，归纳Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂界面破坏规律，计算其断裂韧度，得出以下结论：

1）FRP-木材粘结界面Ⅰ型断裂有4种类型，即：主断裂面发生在FRP板和胶层接触面时的B型破坏；主断裂面为胶层和木材接触面时的Z型破坏；断裂面先发生在FRP-胶层接触面，然后再扩展到胶层-木材接触面时的 B-Z型破坏；断裂面先发生在胶层-木材接触面然后延伸到FRP-胶层接触面时的Z-B型破坏。

2）FRP-木材粘结界面II型断裂有B型和Z型断裂破坏面2种类型。当发生Z类断裂面时，随着滑移阻力由界面剪切力转化为纤维拉力，构件的荷载挠度曲线会有幅度不大的下降阶段，断裂面存在木材纤维的桥连和断裂。当发生B类断裂面时，界面发生脆断，达到峰值荷载后立即发生断裂，荷载挠度曲线不存在下降段，FRP板被断裂面的断裂韧带贯穿。

3）起裂断裂韧度是材料本身的性质，FRP-木材粘结界面的起裂韧度与断裂韧度十分接近，比值达到了95%以上，因此当评价FRP-木材粘结界面断裂性能时，可以运用起裂韧度作为评价标准。