預(yù)應(yīng)力frp增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材 及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] FRP是Fiber-reinforced polymer的縮寫(xiě)，中文名稱(chēng)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它是 以纖維為增強(qiáng)材料、以樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、低密度的特點(diǎn)。FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 用集成材是以FRP作為增強(qiáng)物來(lái)增強(qiáng)木材所獲得性能優(yōu)越的先進(jìn)工程木質(zhì)復(fù)合材料。FRP 的抗拉強(qiáng)度是木材的10倍左右，因此FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材能夠彌補(bǔ)木材本身缺陷，使集 成材的整體物理力學(xué)強(qiáng)度得到提高。但在現(xiàn)有技術(shù)中，未施加預(yù)應(yīng)力的FRP對(duì)集成材的增 強(qiáng)作用還不是很明顯，與單純的木材相比，只能使抗彎強(qiáng)度提升20%~40%;如果FRP上施 加的預(yù)應(yīng)力達(dá)到FRP極限強(qiáng)度的20%~30%，則復(fù)合后集成材的抗彎強(qiáng)度可提升50%~ 60% ;然而，施加了預(yù)應(yīng)力的FRP在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，一旦FRP上施加的預(yù)應(yīng) 力超過(guò)FRP極限強(qiáng)度的20%~30%，那么在復(fù)合成集成材后，預(yù)應(yīng)力FRP的收縮所產(chǎn)生的 剪切應(yīng)力將使膠層或木材剪切破壞，因此目前FRP上施加的預(yù)應(yīng)力只能達(dá)到FRP極限強(qiáng)度 的20 %~30%，這顯然并未很好地發(fā)揮出FRP較高的抗拉性能優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處，本發(fā)明提供了一種預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用 集成材及其制造方法，可以在不破壞膠層或木材的情況下，使FRP上施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)到FRP 極限強(qiáng)度的50%~60%，并使復(fù)合后結(jié)構(gòu)用集成材的抗彎強(qiáng)度提升1倍以上，同時(shí)該預(yù)應(yīng) 力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材還具有強(qiáng)重比高、耐久性強(qiáng)、節(jié)約優(yōu)質(zhì)木材、性?xún)r(jià)比高、制造 方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材，包括：木材層UFRP層2和竹材層3 ;FRP 層2采用的是施加了張拉預(yù)應(yīng)力的FRP ;木材層1、FRP層2和竹材層3按照木材層1、竹材 層3、FRP層2、竹材層3、木材層1的順序粘合在一起；FRP層2的兩端均設(shè)有錨固裝置，并 且FRP層2的兩端均通過(guò)錨固裝置固定于木材層1的端部。
[0006] 優(yōu)選地，所述的錨固裝置包括夾塊4和楔形塊5 ;夾塊4上設(shè)有軸向與FRP的張拉 預(yù)應(yīng)力方向平行的梯形通孔41，并且該梯形通孔41的小孔徑開(kāi)口正對(duì)著FRP層2,而FRP 層2的端部由該梯形通孔41中穿過(guò)；
[0007] 兩個(gè)楔形塊5分別從FRP層2的上下兩側(cè)楔入該梯形通孔41的大孔徑開(kāi)口內(nèi)，并 與該梯形通孔41的大孔徑開(kāi)口過(guò)盈配合，從而使FRP層2的端部被這兩個(gè)楔形塊5夾持； 夾塊4上梯形通孔41的小孔徑開(kāi)口所在一側(cè)抵在木材層1的端部，從而FRP層2的端部通 過(guò)夾塊4和楔形塊5固定于木材層1的端部。
[0008] 優(yōu)選地，所述的梯形通孔41的橫截面為等腰梯形，并且該梯形通孔41的內(nèi)壁與小 孔徑開(kāi)口的斷面之間的夾角α為90~96°。
[0009] 優(yōu)選地，在FRP層2中，F(xiàn)RP上施加的張拉預(yù)應(yīng)力的大小是FRP極限拉伸強(qiáng)度的 0%~80%〇
[0010] 一種預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材的制造方法，包括如下工序：
[0011] 木材預(yù)處理工序：對(duì)木材表面進(jìn)行刨光處理；
[0012] 竹材預(yù)處理工序：對(duì)竹材表面進(jìn)行砂光處理；
[0013] FRP預(yù)處理工序：對(duì)FRP表面進(jìn)行砂光處理，并對(duì)砂光處理后的FRP施加張拉預(yù)應(yīng) 力；
[0014] 復(fù)合工序：以刨光處理后的木材作為木材層1，以施加了張拉預(yù)應(yīng)力的FRP作為 FRP層2,以砂光處理后的竹材作為竹材層3 ;將木材層1、FRP層2和竹材層3按照木材層 1、竹材層3、FRP層2、竹材層3、木材層1的順序進(jìn)行粘合疊加，并在FRP層2的兩端均安裝 錨固裝置，使FRP層2的兩端均通過(guò)錨固裝置固定于木材層1的端部，從而形成預(yù)應(yīng)力FRP 增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材。
[0015] 優(yōu)選地，所述的FRP預(yù)處理工序包括：先對(duì)FRP表面進(jìn)行砂光處理，然后對(duì)砂光處 理后的FRP表面進(jìn)行等離子處理，再對(duì)FRP施加張拉預(yù)應(yīng)力；其中，張拉預(yù)應(yīng)力的大小是 FRP極限拉伸強(qiáng)度的0%~80%。
[0016] 優(yōu)選地，所述的竹材預(yù)處理工序包括：先對(duì)竹材表面進(jìn)行砂光處理，再在砂光處理 后的竹材表面涂覆偶聯(lián)劑，并以表面涂覆有偶聯(lián)劑的竹材作為竹材層3。
[0017] 優(yōu)選地，所述的復(fù)合工序包括：將木材層1、FRP層2和竹材層3按照木材層1、竹 材層3、FRP層2、竹材層3、木材層1的順序進(jìn)行粘合疊加，并在FRP層2的兩端均安裝錨固 裝置，使FRP層2的兩端均通過(guò)錨固裝置固定于木材層1的端部，從而形成集成材組坯；再 對(duì)集成材組坯進(jìn)行加壓膠合，并保壓10~240分鐘，從而形成預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用 集成材。
[0018] 優(yōu)選地，對(duì)集成材組坯加壓膠合所使用的壓力為IMPa~4MPa。
[0019] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所提供的預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng) 竹木結(jié)構(gòu)用集成材通過(guò)對(duì)FRP施加張拉預(yù)應(yīng)力，再與木材層1復(fù)合，從而能夠得到力學(xué)強(qiáng)度 明顯提高的預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材；由于預(yù)應(yīng)力FRP在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生層間剪切力，較 大的層間剪切力會(huì)對(duì)木材或膠層造成剪切破壞，因此在木材層1與FRP層2之間設(shè)置竹材 層3作為過(guò)渡層，并使FRP層2的兩端通過(guò)錨固裝置固定于木材層1的端部，能夠使預(yù)應(yīng)力 FRP在收縮時(shí)產(chǎn)生的層間剪切力會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)木材層1兩端的壓力，從而能夠避免對(duì)木材的 剪切破壞，使預(yù)應(yīng)力FRP能夠真正有效的發(fā)揮作用，提高集成材的抗彎強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0021] 圖1為本發(fā)明所提供的預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明所提供的錨固裝置的夾塊4的結(jié)構(gòu)示意圖一。
[0023] 圖3為本發(fā)明所提供的錨固裝置的夾塊4的結(jié)構(gòu)示意圖二。
[0024] 圖4為本發(fā)明所提供的錨固裝置的楔形塊5的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本 發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026] 下面分別對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材及其制造 方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027] (一）預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材
[0028] 如圖1至圖4所示，一種預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材，其具體結(jié)構(gòu)可以包 括：木材層1、FRP層2和竹材層3 ;FRP層2采用的是施加了張拉預(yù)應(yīng)力的FRP ;
[0029] 木材層UFRP層2和竹材層3按照木材層1、竹材層3、FRP層2、竹材層3、木材層 1的順序粘合在一起；FRP層2的兩端均設(shè)有錨固裝置，并且FRP層2的兩端均通過(guò)錨固裝 置固定于木材層1的端部。
[0030] 具體地，該預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)竹木結(jié)構(gòu)用集成材的具體實(shí)施方案還可以包括：
[0031] (I)FRP中的樹(shù)脂基體可以是乙烯酯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、間苯二酚-苯 酚樹(shù)脂或聚氨酯樹(shù)脂中的一類(lèi)或多類(lèi)；FRP中的增強(qiáng)纖維可以是芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖 維、玄武巖纖維中的一種或多種。本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)有FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材中， FRP對(duì)木材層1的增強(qiáng)不能完全發(fā)揮較好的增強(qiáng)效果，而將施加了張拉預(yù)應(yīng)力的FRP與木 材層1復(fù)合，能夠得到力學(xué)強(qiáng)度明顯提高的預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材。在實(shí)際應(yīng)用中， FRP上施加的張拉預(yù)應(yīng)力的大小是FRP極限拉伸強(qiáng)度的0%~80%。
[0032] (2)粘合所使用的膠黏劑可以選用現(xiàn)有技術(shù)中聚氨酯、間苯二酚、環(huán)氧樹(shù)脂、異氰 酸酯或酚醛樹(shù)脂中的一種或多種。
[0033] (3)竹材層3最好由竹材（最好選用毛竹）加工而成；本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：當(dāng)木 材層1與施加了張拉預(yù)應(yīng)力的FRP復(fù)合成預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材后，預(yù)應(yīng)力FRP會(huì) 收縮，預(yù)應(yīng)力FRP在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生層間剪切力，而且施加的預(yù)應(yīng)力越大，收縮時(shí)產(chǎn)生的層間 剪切力也越大；當(dāng)這種層間剪切力在木材層1能夠承受的范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)FRP施加的張拉預(yù) 應(yīng)力的大小與復(fù)合后材料的抗彎強(qiáng)度成正相關(guān)，但木材層1能夠承受的這種剪切力非常有 限；當(dāng)對(duì)FRP施加的預(yù)應(yīng)力過(guò)大，使層間剪切力超出木材層1能夠承受的范圍時(shí)，緊靠 FRP 粘合的木板或膠層容易受剪切力的破壞而造成劈裂；因此在木材層1與FRP層2之間最好 設(shè)有竹材層3,可起到對(duì)木材的保護(hù)作用，防止木材層間剪切破壞。
[0034] (4) FRP層2的兩端最好均通過(guò)銷(xiāo)固裝置固定于木材層1的端部，使預(yù)應(yīng)力FRP在 收縮時(shí)對(duì)膠層和木材層的剪切力轉(zhuǎn)變?yōu)橛赡静膬啥酥问芰?。錨固裝置可以采用現(xiàn)有技術(shù) 中的錨固裝置（例如：螺釘），也可以采用下述錨固裝置：如圖2至圖3所示，該錨固裝置 可以包括夾塊4和楔形塊5 ;夾塊4上設(shè)有軸向與FRP的張拉預(yù)應(yīng)力方向平行的梯形通孔 41，并且該梯形通孔41的小孔徑開(kāi)口正對(duì)著FRP層2,而FRP層2的端部由該梯形通孔41 中穿過(guò)；兩個(gè)楔形塊5分別從FRP層2的上下兩側(cè)楔入該梯形通孔4