CN103898976B - 木构件端面增强方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种工艺简单、投资低，可大幅提高大型木结构建筑构件横向力学性能的木构件端面增强方法和结构。该方法是把碳纤维原丝上浆处理、干燥后切割为长度为0.5-2mm的纤维段与环氧树脂混合，搅拌均匀，制得涂覆物；环氧树脂与纤维段的重量比为3:1—10:1；以150-200℃的高温气流对木构件端面喷射，使得木构件端面出现宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2；接着把涂覆物涂覆在木构件端面形成厚度为1-2.5mm的碳纤维涂层；对碳纤维涂层在压力0.08-1.2MPa下加压36-48h，使得碳纤维涂层固化成型。该结构是在木构件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纤维涂层，木构件端面具有宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种木建筑构件端面的增强保护方法，属于人工复合木材领域。
背景技术
木结构建筑的建筑结构是由主体材料木构件（如木梁、木柱等）和构件间连接节点构成。木构件是一种天然生长的生物材料木材，在建筑中长期服役后，木材构件易发生腐朽、虫蛀、开裂、变形及缺损等破坏，其中开裂、腐朽等是建筑中最常见、危害比较大的缺陷。
这些缺陷常常由木构件端部产生并发展，如未能得到及时处理，将不仅使其外观遭到破坏，而且会导致水、昆虫、木腐菌的侵蚀，引起内部腐朽、开裂，严重削弱其力学性能，特别是在一些关键结构构件和连接节点部位，内部缺陷会危及整个建筑结构的安全性。
另一方面，在建筑结构中木构件起连接和传递荷载作用，构件间的荷载传递主要通过木构件连接节点实现，连接节点是由木构件端部相连构成，木材端部是木构件中力学性能最薄弱的部位，其端部木材横向结合强度差且仅受到来自一侧木材纤维的牵制；不仅如此，木构件间为实现有效连接常在木构件端部开槽、钻孔、钉钉、开榫头榫眼等加工，这些作业不仅使木构件净截面积大大减小，而且易使构件端部出现局部应力集中。这些都将大大削弱木材端部承载和连接性能，从而在木结构建筑中常出现构件破坏首先发生于连接节点部位（即木材端部）的现象。在木结构设计规范（GB50005-2003）中为使木构件连接时减轻或避免受木材端部薄弱影响，规定了木构件中螺栓及钉最小端距分别为7d及15d（d为杆径），齿连接时端距为齿深的8-10倍。
木材构件有限的长度决定了木构件长度方向上各横截面面内力学性质的差异，靠近构件端部的横截面受到截面两侧木材纤维的牵制较少横向受力较差，尤其端面仅受到来自一侧木材的牵制，所以端头易开裂，并向内发展。木建筑中结构的失稳或失效更多取决于木构件间的端部结合，对端部进行增强可以减轻或平衡构件上中间与端部截面面内力学性能的最大差异，改善木构件在连接结合上存在的困扰。
迄今为止，国内外对木构件端部增强的研究及措施主要有为防止构件端头进一步开裂在端面打入齿板、防裂钉或防裂环；为防止木材端部吸湿或受潮涂布涂料、石蜡或胶黏剂；对危险构件进行加固补救采取构件端头捆扎或金属箍紧固等，这些措施仅适用于端头外露的构件，局限性明显。而对木材构件端面进行增强处理的理论研究尚未见报道。
随着性能优异的碳纤维增强材料（CarbonFibreRenforcedPolymer/Plastic，缩写CFRP）技术的发展，采用碳纤维增强技术来克服木材固有缺陷、增强其力学性能，成为了木材品质改善的一种有效技术手段。自碳纤维被应用到木材及木结构加固工程中以来，碳纤维是以碳纤维片材如布或板形式存在，且仅对木材纵向表面贴合增强。
因此，如何克服木构件端面面内力学性能的不足，寻得一种原料来源丰富，且工艺及设备简单、投资低，又能充分发挥木构件的强度性能的增强方法，是我们从业人员一直思考的热点。
发明内容
本发明提供一种工艺简单、投资低，可大幅提高大型木结构建筑构件横向力学性能的木构件端面增强方法，以该方法制得的木材端面面内横向抗拉强度可提高80%以上，同时可阻止木构件端面吸湿及菌虫害的侵害，阻止木材裂纹扩展、中断材料破坏、延缓应力集中，使木构件抗弯和受压性能保持稳定。
本发明的木构件端面增强方法，包括下述步骤：
a、制备涂覆物
把碳纤维原丝上浆处理、干燥后切割为长度为0.5-2mm的纤维段与环氧树脂混合，搅拌均匀，制得涂覆物；环氧树脂与纤维段的重量比为3:1—10:1；
b、木构件端面处理
以150-200℃的高温气流对木构件端面喷射，使得木构件端面出现宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2；
c、涂覆组坯
接着把涂覆物涂覆在木构件端面形成厚度为1-2.5mm的碳纤维涂层；
d、加压固化
对碳纤维涂层在压力0.08-1.2MPa下加压36-48h，使得碳纤维涂层固化成型。
上述的木构件端面增强方法，制备的涂覆物有两种，一种是长度为0.5-0.7mm的纤维段制成的短纤维涂覆物，一种是长度为1.7-2.0mm的纤维段制成的长纤维涂覆物；涂覆组坯时，先把短纤维涂覆物涂覆在木构件端面形成厚度为0.8-1.2mm的短纤维涂层；再把长纤维涂覆物涂覆在短纤维涂层上形成厚度为0.8-1.2mm的长纤维涂层。
上述的木构件端面增强方法，在高温气流对木构件端面喷射前，采用水对木构件端面作润湿处理5min-10min。
上述的木构件端面增强方法，高温气流流速5m/s-10m/s，喷射时间10-20min。
上述的木构件端面增强方法，涂覆组坯前，在木构件端面涂环氧树脂，涂胶量220-280g/㎡,陈放4-6分钟。
上述的木构件端面增强方法，碳纤维原丝为聚丙烯腈基碳纤维，单丝直径7.0-10um,抗拉强度3.6-3.8Gpa,抗拉模量220-240Gpa,伸长率1.5%。
上述的木构件端面增强方法，所述木构件为落叶松、桦木或者水曲柳。
本发明同时提供了一种能够提高木材端面面内横向抗拉强度，同时可阻止木构件端面吸湿及菌虫害的侵害的木构件端面增强结构。
本木构件端面增强结构，是在木构件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纤维涂层，木构件端面具有宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2。所述碳纤维涂层是把碳纤维原丝上浆处理、干燥后切割为长度为0.5-2mm的纤维段与环氧树脂混合，搅拌均匀而得；环氧树脂与纤维段的重量比为3:1—10:1。
上述的木构件端面增强结构，碳纤维涂层包括涂覆在木构件端面的短纤维涂层和涂覆在短纤维涂层上的长纤维涂层；短纤维涂层和长纤维涂层的厚度均为0.8-1.2mm；短纤维涂层中的碳纤维长度为0.5-0.7mm，长纤维涂层中的碳纤维长度为1.7-2.0mm。
本发明的有益效果：本发明是把碳纤维原丝进行上浆处理、干燥后进行切割；将小尺度的粉状碳纤维段与环氧树脂胶黏剂相混合，使碳纤维充分吸收胶液并搅拌均匀，制得涂覆物。与此同时，进行木材构件端部的处理，用高热气流喷射木构件端面直至产生细小裂纹，再将搅拌均匀的涂覆物涂覆在构件端面，然后施加一定的压力，将碳纤维挤入木构件端面的细小裂纹、缝隙及孔隙中，保持恒定压力直至成型即得。以该方法对木构件端面进行增强，木材端面面内横向抗拉强度可提高80%以上，同时可阻止木构件端面吸湿及菌虫害的侵害。
附图说明
图1是木构件端面增强方法的工艺流程图；
图2是木构件端面增强结构示意图；
图3是端面未有增强结构的木构件进行抗拉强度试验的试件主视图；
图4是图3的俯视图；
图5是端面具有增强结构的木构件进行抗拉强度试验的试件主视图；
图6是图5的俯视图；
具体实施方式
对落叶松（Larixolgensis），桦木（Betulaplatyphylla）），水曲柳（Fraxinusmandshurica）等不同材质的木构件端面进行增强处理方法，参见图1所示的工艺流程图。具体步骤如下。
a、制备短纤维涂覆物和长纤维涂覆物
短纤维涂覆物的制备：把碳纤维原丝（聚丙烯腈基碳纤维，单丝直径7.0-10um,抗拉强度3.6-3.8Gpa,抗拉模量220-240Gpa,伸长率1.5%，外观灰黑色）上浆处理。上浆处理属于现有技术，浆料是通用型上浆剂，如双酚A型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、线型酚醛环氧树脂。然后在60-90℃干燥后把碳纤维原丝切割为长度为0.5mm（长度均匀率要求在90%以上）的纤维段，对纤维段搅拌，使其初步分散即可。然后，往粉状碳纤维上施加环氧树脂胶黏剂，环氧树脂与纤维段的重量比为5:1，搅拌5-10min,直至使碳纤维充分润湿，制得短纤维涂覆物。
长纤维涂覆物的制备：制备长纤维涂覆物时，除把碳纤维原丝切割为长度为2mm的纤维段外，其它均与短纤维涂覆物的制备方法相同。
b、木构件端面处理
把木构件端面刨切平整，用180目砂纸砂磨表面，去除木毛刺。
用水对木构件端面作润湿处理5min-10min,再以温度150-200℃、流速5m/s-10m/s的气流对端面垂直喷射，使得端面出现宽度为0.1-3.0mm的微细裂纹。对不同实施例的喷射时间见表1。高温气流喷射后对端面进行检测，宽度为0.1-3.0mm的裂纹分布密度见表1。检测裂纹时，宽度小于0.1mm的裂纹均未计入；dm2表示平方分米。表1中的高温气流喷射时间未填写的，表示没有进行高温气流喷射；裂纹分布密度未填写的，表示未见裂纹。
c、木构件端面涂胶：对木构件端面涂环氧树脂胶黏剂，涂胶量250g/㎡,环氧树脂初黏度（23℃）6000MPa·s，端面涂胶后陈放一段时间（约5分钟）。
d、涂覆组坯
端面涂覆碳纤维涂层2（包括内层21和外层22）。
内层21可以把短纤维涂覆物涂覆在木构件1端面11形成厚度约为1mm的短纤维涂层，也可以是把长纤维涂覆物涂覆在木构件1端面11形成厚度约为1mm的长纤维涂层。
外层22可以是把短纤维涂覆物涂覆在内层21上形成厚度约为1mm的短纤维涂层，也可以是把长纤维涂覆物涂覆在内层21上形成厚度约为1mm的长纤维涂层。
对于各实施例，内层或外层到底是短纤维涂层还是长纤维涂层参见表1。
外层做法是预先把短纤维涂覆物或长纤维涂覆物在PVC塑料薄膜上涂覆均匀，后将其覆盖于内层的表面。
表1中，内层、外层中未填写数据的，表示木构件端面未涂覆碳纤维涂层。
e、常温加压固化
常温条件下对碳纤维涂层施加压力（压力约0.1MPa），并保压至固化成型，保压时间36-48h。
f、复合端面修整：将增强后的木构件端面进行常规修整。
对实施例1、11、21（端面未有增强结构的木构件）加工成图3、4所示的试件，对其它实施例（端面具有增强结构的木构件）加工成图5、6所示的试件，图3-6中所示尺寸单位为mm。对试件进行抗拉试验，测得各实施例在径向和弦向的抗拉强度见表1。
从表1中可以看出，端面具有增强结构的木构件的抗拉强度明显高于端面未有增强结构的木构件（实施例1、11、21）的抗拉强度。其中，端面上的裂纹分布密度较大、内层为短纤维涂层、外层为长纤维涂层的木构件（实施例7、17、27）在径向和弦向的抗拉强度最大。
本发明是把碳纤维原丝进行上浆处理后进行切割；将小尺度的粉状碳纤维段搅拌离散，后与环氧树脂胶黏剂相混合，使碳纤维充分吸收胶液并搅拌均匀。与此同时，进行木材构件端部的处理，使木构件端面刨切平整，后采用高热气流喷射木构件端面直至产生细小裂纹，再将搅拌均匀的碳纤维涂覆在构件端面，同时施加一定的压力，将碳纤维挤入木构件端面的细小缝隙及孔隙中，保持恒定压力直至成型即得。增强后的端面可进行切割加工，方便实现构件的连接结合，提高了实体木材构件在木结构建筑中应用的安全性。
表1
Claims (8)
1.木构件端面增强方法，其特征是：它包括下述步骤：
a、制备涂覆物
把碳纤维原丝上浆处理、干燥后切割为长度为0.5-2mm的纤维段与环氧树脂混合，搅拌均匀，制得涂覆物；环氧树脂与纤维段的重量比为3:1—10:1；
b、木构件端面处理
以150-200℃的高温气流对木构件端面喷射，使得木构件端面出现宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2；
c、涂覆组坯
接着把涂覆物涂覆在木构件端面形成厚度为1-2.5mm的碳纤维涂层；
d、加压固化
对碳纤维涂层在压力0.08-1.2MPa下加压36-48h，使得碳纤维涂层固化成型。
2.如权利要求1所述的木构件端面增强方法，其特征是：制备的涂覆物有两种，一种是长度为0.5-0.7mm的纤维段制成的短纤维涂覆物，一种是长度为1.7-2.0mm的纤维段制成的长纤维涂覆物；涂覆组坯时，先把短纤维涂覆物涂覆在木构件端面形成厚度为0.8-1.2mm的短纤维涂层；再把长纤维涂覆物涂覆在短纤维涂层上形成厚度为0.8-1.2mm的长纤维涂层。
3.如权利要求2所述的木构件端面增强方法，其特征是：在高温气流对木构件端面喷射前，采用水对木构件端面作润湿处理5min-10min。
4.如权利要求3所述的木构件端面增强方法，其特征是：高温气流流速5m/s-10m/s，喷射时间10-20min。
5.如权利要求1-4任一所述的木构件端面增强方法，其特征是：涂覆组坯前，在木构件端面涂环氧树脂，涂胶量220-280g/㎡,陈放4-6分钟。
6.如权利要求1-4任一所述的木构件端面增强方法，其特征是：碳纤维原丝为聚丙烯腈基碳纤维，单丝直径7.0-10μm,抗拉强度3.6-3.8Gpa,抗拉模量220-240Gpa,伸长率1.5%。
7.如权利要求1-4任一所述的木构件端面增强方法，其特征是：所述木构件为落叶松、桦木或者水曲柳。
8.木构件端面增强结构，其特征是：采用权利要求1所述的木构件端面增强方法制得；该木构件端面增强结构是在木构件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纤维涂层；所述碳纤维涂层包括涂覆在木构件端面的短纤维涂层和涂覆在短纤维涂层上的长纤维涂层；短纤维涂层和长纤维涂层的厚度均为0.8-1.2mm；短纤维涂层中的碳纤维长度为0.5-0.7mm，长纤维涂层中的碳纤维长度为1.7-2.0mm；木构件端面具有宽度为0.1-3.0mm的裂纹，裂纹分布密度100-200个/dm2。
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