CFRP布增强仿木柱轴压性能试验研究

文章编号1000-5269（2024）05-0064-06 DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.05.09

摘要：为改善轴心受压仿木柱的力学性能，在其表面粘贴碳纤维增强复合材料（carbonfiberreinforcedcompo-site，CFRP）予以增强。考虑CFRP粘贴层数和方式的影响，在两端简支状态下对4组仿木柱试件进行了单调轴心受压试验，以了解其受力过程及破坏形态，得到了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线。结果表明：粘贴CFRP布可以有效约束轴心受压柱中仿木材料的横向变形；与未增强的仿木柱相比，能有效地提高仿木柱的承载能力和延性，且改善的效果随着CFRP布粘贴量的增加而更为有效；CFRP粘贴量越大，对仿木材料的约束效应越强，仿木柱试件的峰值应力和极限应变越高。

关键词：复合材料；仿木柱；CFRP布；破坏形态；轴压性能 中图分类号：TU526 文献标志码：A

我国的菱镁矿资源储量较大，约占全球总储量的26%，且主要分布在辽宁、山东等地［1］，但菱镁产业高度集中在原矿石开采及原料制备上，其中90%的镁砂制品被用来制作耐火材料［2］，因此有必要拓展镁质材料在建材、化工及合金等下游产业的应用领域。我国青藏高原富集光卤石，提取钾后的水氯镁石资源较为丰富。对上述工业资源的有效利用是迫切的。2016年5月5日发布的《国务院办公厅关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见》中，明确提出要发展镁质胶凝材料，支持利用农林剩余物、竹纤维开发生物质建材，这为镁质建材的发展提供了重要机遇。氯氧镁水泥（magnesiumoxychloridecement，MOC）是由活性氧化镁、氯化镁及水制成的三元体系气硬性胶凝材料［3］，具有快硬高强、耐热、耐火、耐磨等优点，但空气湿度大时，容易吸潮返卤、泛霜，许多学者都在开展其性能或改性研究工作［4-7］。利用镁质胶凝材料对植物纤维、木屑等的高粘结能力可制成仿木材料，且具有较好的力学性能指标，将其用于建筑结构时，构件尺寸大体与混凝土构件尺寸相当［8］，有望成为代木材料，这对传统村落木结构的保护和开发是有利的［9］。

本文所用的仿木材料通过压制工艺成型，HE等［10］将秸秆、木屑作为填充料开展了成型压力对材料力学性能及耐水性的影响研究，发现其耐水性并不能通过制作时的压力来解决。YANG等［11-12］选定改性剂，基于材料的微观结构及水化性能分析，开展了材料改性机理的研究，建立了材料强度预测模型及本构关系。上述研究工作基本选定了本文所用仿木材料的改性剂及填充料。在此基础上，将这种材料制作成结构构件，基于材性测试，何会［13］进行了仿木梁的抗弯性能试验，李彦成［14］开展了仿木柱的受压承载力研究，喻涛［15］进行了仿木空心墙的受压承载力试验。上述研究工作发现：仿木材料的力学性能类似于混凝土，虽然具有理想的抗压性能，但抗拉强度较低，需要合理调控构件的负荷范围来保障结构安全承载，或对构件配筋来提高其承载力及延性。

氯氧镁水泥中富集的氯离子对钢筋具有潜在的腐蚀性，而碳纤维增强复合材料（carbonfiberreinforcedcomposite，CFRP）布具备轻质高强、耐腐蚀等特点，目前在工程结构中得到了广泛应用［16］，因此本文对仿木柱采用外贴CFRP布予以增强，通过轴心受压试验来了解其受力性能，以期为材料的结构应用提供参考。

1试验概况

1.1仿木材料及其制备

本文的仿木材料是由氯氧镁水泥、木屑及改性剂组成的复合材料，市购全部原材料。其中，轻烧氧化镁（MgO）产自辽宁海城，经水合法［17］测得其活性含量为50.9%；六水氯化镁（MgCl2·6H2O）产自青海格尔木，通过滴定实验法［18］测得其质量分数为46%；水为自来水。木屑购至贵阳花溪海源木材加工厂，粒径为5mm左右，实测含水率为11.68%。改性剂为柠檬酸、酒石酸和六偏磷酸钠，均为工业级。

本文按一定比例将上述原料混合后压制成型仿木材料，压制装置如图1所示。压制模具为课题组自行设计，由液压千斤顶、反力架、压制盒、侧限梁、加载梁、自锁梁及锚固件、侧限支座等7个钢组件组成，可制作外观尺寸为120mm×250mm×2400mm的材料。

材料制备时，先将轻烧氧化镁和木屑充分混合，再将溶有改性剂的卤液倒入后充分搅拌，随后在压制模具中填料，持压静置72h后，拆模取出材料并在自然条件下养护28d，材料即成型。

1.2试件设计

利用上述材料，本文共制作了8个高度均为1.1m的仿木柱试件，其截面尺寸均为100mm×100mm。上述试件中，共2个试件不予增强，编号为FZ0。采用CFRP增强的试件各有2个，其中间隔缠绕1层CFRP的试件，编号为FZ1；间隔缠绕2层CFRP时，编号为FZ2；全部缠满1层CFRP时，编号为FZ3。

CFRP纤维布的粘贴方式如图2所示。粘贴时，试件截面四角处对纤维布做倒角处理，CFRP布沿缠绕方向的搭接长度为50mm。部分试验试件如图3所示。

1.3材料性能

对本批制作的仿木材料，实测弹性模量为3600MPa、轴心抗拉强度为7.98MPa［19］，轴心抗压强度为18.78MPa［15］。

本文采用的CFRP布和碳纤维浸渍胶产自固之道（苏州）建筑科技有限公司，规格型号为300g/mm3Ⅰ级，宽度为100mm，厚度为0.167mm，力学性能指标如表1所示。

1.4试验加载及测量方案

试验在贵州省结构工程重点实验室进行，加载装置如图4所示。

试件的顶、底端均安装单向刀口铰支座；试件顶部对角处安装2个位移计测量竖向位移，中部B、D两侧面各布置1个位移计测量侧向位移；试件中部侧面粘贴2个竖向应变片以测量纵向应变。轴向压力使用50t的液压千斤顶来手动施加，荷载通过轮辐式荷载传感器测量。所有数据通过TST3826F-L静态测试分析系统来采集，频率为5Hz。

正式加载前，先进行试压来调整试件顶、底面的平整度。试验采用分级加载，每级荷载为10kN，施加完成后持荷5min再施加下一级荷载，直至试件破坏。

2试验结果与分析

2.1试验现象

2.1.1未增强试件FZ0

在加载初期，试件FZ0处于弹性受力状态，试件顶端可以观察到微小的轴向压缩变形，尽管进行了预压来调整加载装置，但仍能监测到试件中部的微小侧移。随着荷载的增加，试件进入弹塑性受力状态，当荷载达到极限荷载的80%左右时，能听见试件发出响声，而侧移迅速增加。试件破坏时，中部受拉侧的裂缝迅速贯通致使试件破坏。受拉侧的裂缝如图5（a）所示。试件破坏并非是轴心受压引起。

2.1.2CFRP布增强试件

CFRP布增强仿木柱的前期试验现象与未增强仿木柱基本相同。但当荷载达到极限荷载80%左右时，ZM1UkiPiApExj/LUmo3x9g==试件FZ2的中部受压侧出现局部压坏现象，试件表面起皮，如图5（b）所示；而试件FZ3的CFRP布在仿木柱倒角处出现断裂，如图5（c）所示。

试验过程中，未见CFRP布的搭接破坏，表明50mm搭接长度的CFRP布满足锚固要求；并且试验中未发生CFRP布与仿木柱的剥离破坏，表明试验所使用的环氧树脂粘结剂与仿木材料是相容的。与未增强的仿木柱相比，加载过程中增强仿木柱出现裂缝的时间相对较晚，表明粘贴CFRP布可以有效地约束仿木柱的横向变形，延缓裂缝的开展，改善构件的延性。

2.2荷载-位移曲线

图6和图7分别给出了各组试件的荷载-侧移挠度曲线和荷载-轴向位移曲线。由图6和图7可见：无论是对于未增强的仿木柱，还是采用CFRP布增强的仿木柱，在加载初期，试件的纵、横向位移均近似与荷载呈线性关系；但侧移随荷载的增长较低，当荷载达到峰值荷载的80%左右时，位移与荷载呈非线性关系，且侧移的增长速率加快，达到峰值荷载后，增强仿木柱的侧移变化较为平缓。

2.3承载力

全部试件的承载力结果如表2所示。由表2可见：粘贴CFRP布能有效提高试件的承载力，其中，间隔粘贴1层、2层和全部贴满1层CFRP布的仿木柱，其承载力比未增强的仿木柱分别提高了31.29%、64.69%和104.31%；间隔粘贴2层CFRP布的仿木柱，其承载力比间隔粘贴1层CFRP布的仿木柱承载力提高了25.44%，全部贴满1层CFRP布的仿木柱承载力，又比间隔粘贴1层CFRP的试件承载力提高了55.61%。

本课题组对仿木材料所做的电镜扫描结果表明［10］：木屑与氯氧镁胶凝材料粘接后，客观上存在微孔隙，在压力作用下，这些微孔隙被压缩且孔隙应力集中产生内部微裂缝导致材料产生横向变形，粘贴CFRP布后会有效约束这种变形来提高试件的承载力，当然，试件受压承载力的提高幅度与CFRP的约束能力有关。

2.4延性分析

轴心受压构件按理不应有侧移，考虑长细比较大时，其破坏往往是由稳定因素引起的，此处近似采用侧移延性系数μΔ来评估CFRP布增强仿木柱的延性：

μΔ=ΔuΔy（1）

式中：Δu为荷载下降至85%极限承载力时对应的侧移；Δy为屈服位移，采用等能量法［20］确定。根据测试结果，按式（1）计算的试件延性系数如表3所示。

由表3可见：与未增强的仿木柱相比，采用CFRP布增强后的仿木柱，延性均有显著提高。间隔粘贴1层、2层和全部贴满1层CFRP布后，延性系数分别为1.35、1.41和1.66，比未增强仿木柱分别提高了6.30%、11.02%和30.71%。另外，间隔粘贴2层CFRP布的仿木柱，延性系数比间隔粘贴1层CFRP布的仿木柱提高了4.44%；全部贴满1层CFRP布的仿木柱，其延性系数又比间隔粘贴1层CFRP布试件的延性提高了22.96%。

2.5荷载-应变曲线

图8给出了部分试件在轴心压力下的中部截面的应变测试结果，其中，压应变为负，拉应变为正。

由图8可见：无论是对于未增强的仿木柱，还是对采用CFRP布增强的仿木柱，在加载的初期，试件的中部截面均处于受压状态，应变与荷载近似呈线性关系，表明试件处于弹性受力状态；随着荷载的增加，应变和荷载呈现非线性关系，且压应变逐渐减小并过渡为拉应变。

CFRP布的粘贴量越高，对仿木柱的约束效应越强，试件的极限压应变越大，未增强的仿木柱，极限压应变为4485.693με，间隔粘贴1层与2层CFRP布的仿木柱，极限压应变分别为5888.87με和8876.233με，而全部贴满1层CFRP布的仿木柱，极限压应变为9403.942με。与未增强的仿木柱相比，3种CFRP布粘贴方式下，增强仿木柱的极限压应变分别提高31.28%、97.88%和109.64%。

3结论

1）缠绕CFRP布可以使仿木材料在轴压作用下处于三向受力状态，进而改善仿木柱的破坏形态，延缓裂缝的开展。

2）与未增强的仿木柱相比，间隔粘贴1层、2层和全部贴满1层CFRP布的仿木柱，承载力分别提高31.29%、64.69%和104.31%；延性分别被提高6.30%、11.02%和30.71%。表明粘贴CFRP能有效地提高仿木柱的承载能力和延性，且其效果随着CFRP布粘贴量的增加而更明显。

3）与未增强的仿木柱相比，间隔粘贴1层、2层和全部贴满1层CFRP布的仿木柱，极限压应变的增幅分别为31.28%、97.88%和109.64%，表明CFRP粘贴量越大，对仿木材料的约束效应越强。

参考文献：

[1] 丁怡，李军生，王风，等.中国菱镁产业发展现状及趋势［J］.佛山陶瓷，2021，31（11）：1-5.

［2］致公党中央科技委员会调研组.关于“升级镁质产品与材料产业推进菱镁行业高质量发展”的调研报告［J］.中国发展，2023，23（6）：62-65.

［3］林宗寿，邢伟宏，陈伟.胶凝材料学［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2018.

［4］宁亚瑜，张冷庆，丁向群.基于正交优化设计研究氯氧镁水泥强度的影响因素［J］.硅酸盐通报，2016，35（7）：2089-2093.

［5］SGLAVOVM，DEGENUAF，CONCIA，etal.Influenceofcuringtemperatureontheevolutionofmagnesiumoxychloridecement［J］.JournalofMaterialsScience，2011，46（20）：6726-6733.

［6］XUB，MAHY，HUCL，etal.Influenceofcenospheresonpropertiesofmagnesiumoxychloridecement-basedcomposites［J］.MaterialsandStructures，2016，49（4）：1319-1326.

［7］GOCHEZR，WAMBAUGHJ，ROCHNERB，etal.Kineticstudyofthemagnesiumoxychloridecementcurereaction［J］.JournalofMaterialsScience，2017，52（13）：7637-7646.

［8］刘艳君，张华刚，吴琴，等.类木材料力学性能的初步试验研究［J］.贵州大学学报（自然科学版），2018，35（4）：106-112，116.

［9］李鸿飞，何颖茹，唐琇尧，等.中国传统村落木结构建筑防火研究［J］.林产工业，2020，57（10）：60-64.

［10］HEH，ZHANGHG，YANGJJ，etal.Effectofpressingpressureonthemechanicalpropertiesandwaterresistanceofstraw/sawdust-magnesiumoxychloridecementcomposite［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2023，383：131362.1-131362.10.

［11］YANGJJ，ZHANGHG，YUT，etal.Studyonthemodificationmechanismofmodifiersonthepro-pertiesofsawdust-magnesiumoxychloridecementcom-posite［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2022，344：128172.1-128172.9.

［12］YANGJJ，ZHANGHG，YUT，etal.Constitutiverelationshipsandacousticemissionbehaviorofplant-fiber/magnesiumoxychloridecementcompositesunderuniaxialcompressiveload［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2023，404：133194.1-133194.15.

［13］何会.仿木梁的抗弯承载力破坏试验及计算理论研究［D］.贵阳：贵州大学，2022.

［14］李彦成.仿木柱的承载力破坏试验及计算理论研究［D］.贵阳：贵州大学，2022.

［15］喻涛.仿木空心墙体平面外偏心受压承载力试验研究［D］.贵阳：贵州大学，2023.

［16］吴杭姿，许国文，杨燕，等.碳纤维增强复合材料土木工程应用新进展［J］.建筑结构，2023，53（增刊1）：1548-1555.

［17］董金美，余红发，张立明.水合法测定活性MgO含量的试验条件研究［J］.盐湖研究，2010，18（1）：38-41.

［18］涂平涛.氯氧镁材料技术与应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［19］王安选，张华刚，杨娇娇，等.仿木材料抗拉强度与应力-应变曲线试验研究［J］.贵州大学学报（自然科学版），2024，41（2）：110-115.

［20］魏华.CFRP加固局部强度不足混凝土柱受压力学性能研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

（责任编辑：周晓南）

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目（52068008）；贵州大学引进人才科研资助项目（贵大人基合字[2023]14号）

作者简介：秦宇鑫（1996—），男，在读硕士，研究方向：新型建筑结构，E-mail：1061383919@qq.com.

*通讯作者：张华刚，E-mail：zhg0618@163.com.