FRP与木材的界面粘结性能研究现状
纤维增强材料FRP因其轻质、高强、耐腐蚀、施工方便快捷、修复加固效果好等优异性能,近年来在土木工程领域取得了突飞猛进的发展。二十世纪九十年代初，欧、美、日等就开始了FRP加固与增强木结构的研究,目前，FRP主要用于加固木构件和节点，提高木结构的承载力、刚度和抗震性能。近些年来，国内也开始了这方面的研究[1~7]。国内外的试验研究和工程实践结果表明，FRP加固木结构技术中关键的基础理论问题之一是FRP与木结构的粘结性能是否能保证两者共同工作，充分发挥纤维材料良好的力学性能。为此，国外在关于纤维布加固木结构的研究中，界面粘结强度的研究一直是一个大家关注的重要内容之一。但是到目前为止，国内对这方面的研究、试验涉足甚少。
为更好了解FRP与木材的界面粘结性能,指导今后的研究工作,本文对国内外大量相关资料文献进行了综述，并对其发展趋势进行了展望。
1 界面粘结性能影响因素的研究
1.1 含水率对粘结性能的影响
木材的含水率对木材的物理力学性能和粘结树脂都会有影响，从而也影响着FRP-木材的界面粘结性能。
木材吸附水存在于细胞壁中的微纤丝之间，起着润滑作用，允许微纤丝之间有一定的滑移或相对位移。若水分散失了，微纤丝之间紧密靠拢，吸引力增大，对滑动位移有很强的摩擦阻力。所以当含水率低于纤维饱和点时,木材强度随着水的增加而降低,当含水率在纤维饱和点时,强度达低值,当含水率高于纤维饱和点时,自由水含量增加，其强度值不再减少，基本保持恒定。
国内外的研究成果[8~10]表明，在其他条件相同的情况下，干燥的试件比潮湿的试件的界面粘结性能更为优越。
例如，Barbero，E等[8]研究了FRP布与木构件的界面粘结性能，研究结果表明，用结构胶粘贴FRP布可保证界面剪力的有效传递，但潮湿对界面粘结强度有明显不利影响。潮湿试件界面剪应力仅为干燥对比试件的43%。其研究结果还表明，因含水率因素的影响，FRP-木材层间膨胀失配产生的应变可通过有限元模型预测得到。其有限元模型(如图1)中，木试件与纤维布都采用8节点，3-D solid brick单元，模型中，粘结剂受含水率的影响并不予考虑在内。有限元方法预测的干湿强度比值与试验得出来的比值十分接近。试验所得的湿FRP-木试件的粘结剪切强度约为干试件的53%。还确定了木材的湿膨胀系数，建立了含水率变化与木材径向和弦向应变的关系式，表达如下：
1.2 表面处理对粘结性能的影响 [-page-]
在木结构表面粘贴FRP之前，应先对木材表面和FRP表面进行预处理。表面处理是整个加固过程中重要的工序之一。由于粘结主要是借助于粘结剂对木材表面和FRP表面的粘附作用，因此材料的表面处理可能成为决定界面粘结强度和粘结耐久性的主要因素。
各文献中对木材表面影响因素研究的工况分为两种，一是使用耦合剂与否，另外就是表面的粗糙情况。
Davalos等[11]研究了两种FRP-木(树种为美国红枫，落叶大乔木)的表面：酚类复合木(phenolic-wood)和环氧类复合木。两种商业木胶被用于木与FRP的粘结：resocinol formaldehyde(简称RF，间苯二酚甲醛)和phenol-modified resocinol formaldehyde(简称PRF)，两种截然不同的耦合剂，HMR(甲基间苯二酚)和RF用于处理木材表面。研究结果表明，HMR的应用有效降低了表层粘结使用RF的酚类FRP-木复合材料的分层率。在干湿循环环境中，HMR的应用也能显著提高粘结强度。
VicK等[12~14]对三种类型的粘结剂和五种树种间的粘结性能进行了试验研究，研究结果显示，HMR的应用能够提高粘结强度，在干湿循环环境中显示出优越的性能。
Jed S. Lyons等[9]对用铬砷酸化铜(chromated copper arsenate(CCA))处理过的黄松(yellow pine)进行了测试，研究结果也表明，HMR可全面提高粘接强度。同时Jed S. Lyons等[9]也对表面粗糙情况进行了对比研究。用100-grit(粒度，硬度：用作磨料的砂或石的精细度)的砂纸对木材表面进行打磨，结果发现，表面打磨粗糙和光滑对FRP-木间粘结强度的影响并不大。
1.3 防腐剂处理对粘结性能的影响
煤焦油、防腐油等油质防腐剂对木材几乎是惰性的，注入木材后不发生化学反应，故不影响木材强度。现用的水溶性防腐剂，按规定的浓度处理木材，对木材抗压强度、硬度等稍有增强，对冲击强度则稍有减弱。
木材防腐剂本身虽然对木材强度没有显著影响，但将防腐剂注入木材时，如果温度、压力等条件不当，可能造成木材强度大大降低，特别是用加压浸注法时，若采用长时间的高温高压处理，则木材强度将会受到很大削弱，
研究已表明，防腐剂处理对材料纵向弹性模量、纵向拉伸性能和层间剪切性能会产生复杂的作用，会降低材料的层间剪切强度。
Tascioglu等[15]通过胶合木标准加速循环暴露试验，研究了使用防腐剂对界面粘结性能的不利影响。研究结果表明，在加固前进行防腐处理试件的界面粘结性能明显劣于加固后进行防腐处理试件。Tascioglu等通过研究发现，木材普遍存在的褐色木腐菌(brown rotfungus))和白色木腐菌(white rot fun-gus)均能在CFRP片材中生长，层间剪力试验法和超声及扫描电镜等无损检测法均能发现木腐菌对界面粘结性能的劣化。 [-page-]
1.4 树脂种类对粘结性能的影响研究
胶粘剂是FRP加固和增强木材在接触界面和搭接处形成有效粘结、传递界面剪应力和正应力的重要载体。胶粘剂的工作性能好坏直接决定了复合结构的工作性能。
一般选用胶粘剂时应遵循如下原则：①通过使用环境因素来选择满足具体要求的胶粘剂；②考虑两种材料的胶接性，如被胶接材料的表面状况；③应区分被胶接材料的刚性或柔性等原则。
Davis[16]的研究结果发现，环氧树脂比传统的甲醛基(traditional formaldehyde-based adhesive)粘结剂更适用于改善FRP与木材的粘结性能。Barbero等[17~20]的研究也表明，用环氧树脂类粘结剂能很好地保证木与FRP界面的粘结强度。
Gardner等[21]测试了三种粘结剂，RF、环氧树脂和emulsion polymer isocyanate，发现这三种树脂在干的环境下性能很好，但只有RF在水里和干湿循环环境中都具有较好性能。
2 疲劳断裂问题的研究
Yong Hong[22]等对木材-FRP界面的耐疲劳性能、断裂性能进行了研究，研究结果表明，木材-FRP工程复合材料的性能在很大程度上取决于胶接界面的胶接强度。
Davalas,J. F.等[23]用曲边双悬臂梁CDCB试样(如图2所示)来研究粘结界面的I-型裂纹，该试件的设计思想来自于Rayleigh-Ritz法，由该试验可以得到干湿环境下的界面断裂韧性数据，可有效预测粘结界面在一般的工作环境下是否会破坏。试件的临界应变能释放率CIc由下式得到：
其中，Pc为临界荷载;b为试件宽度；
为与裂缝长度相关的柔量C的变化速率。
Jia等[24]通过曲边双悬臂梁CDCB试样的疲劳试验，研究了波形、荷载比和频率对界面粘结性能的影响。研究表明，荷载比和频率对界面粘结性能有明显影响，而波形的影响不明显；运用改进Paris定律可以对粘结界面疲劳性能进行较为准确的预测。Jia等[25]还采用人工神经网络方法对FRP加固的悬臂木梁界面的疲劳性能进行了研究，研究结果表明，人工神经网络能有效预测加固梁的疲劳性能，如加载率对裂缝发展的影响，这将有利于组合结构界面设计规范的发展。
3 FRP筋与木材的粘结性能研究
Gentile等[26]的研究结果表明，采用将GFRP筋嵌入木梁(Near-Surface Mounted，简称NSM)的方法，可有效克服木材局部缺陷的影响，提高构件的抗弯强度。
Laura等[27]用拔出实验研究了CFRP筋与胶合木之间的界面粘结性能，试验参数包括粘结长度，CFRP筋表面形式、CFRP筋直径和木材纤维方向。
CFRP筋与顺纹平行时，试件破坏形式可分为三种，①CFRP筋拔出，并带有木屑，呈塞子状；②木块纵向劈裂，有的伴有筋材拔出；③筋材用砂纸打磨表面与筋材中心的局部剥离。CFRP筋与顺纹垂直时，试件破坏形式可分为两种，①筋材拔出并有碎片附于其表面；②筋材拔出，木材表层剥离。
尽管木材总是为薄弱的环节，筋材经过不同表面处理的试件的破坏形式相似，但筋材没经过打磨处理的试件的粘结失效荷载比处理过的试件的略微大些，因为筋材打磨的砂层容易导致局部剥离。处理过的筋材的初始粘结滑移响应的刚度反而更大。筋材垂直于顺纹的试件比平行于顺纹的试件的粘结强度大。平均粘结强度在粘结长度范围内大约是个常数。
在试验的基础上，建立了局部粘结滑移模型和CFRP筋锚固深度的函数，并由此获得加固处节点极限承载力的数值解。 [-page-]
局部粘结-滑移函数曲线表达如下：
其中，т为局部粘结应力；s为局部滑移;тm和sm分别为峰值时的粘结应力和滑移；α取值为0和1之间;P为第二条线性分支的斜率；su为粘结应力为0时的滑移值。
FRP筋与顺纹平行时，试件的劈裂粘结应力：
FRP筋与顺纹垂直时，试件的劈裂粘结应力为：
其中，fu⊥为木材横纹的抗拉强度; 
为筋材平行于顺纹时，计算模型(为一个等截面圆柱体杆件)的小半径,db为筋材的名义直径。
4 结语
国内外学者已对FRP加固和增强木结构的界面粘结性能进行了积极研究和探索，已取得了许多有益的研究成果，部分研究成果已应用于生产和工程实践，但深度和广度仍有欠缺，仍需进行深入研究，具体包括以下几个方面：
(1)不同木材的物理力学性能有所差异，其对粘结强度的影响方面的研究；
(2)进行玄武岩纤维布、筋材，玻璃纤维布、筋材等新材料与木材界面间的粘结性能研究；
(3)温度、湿度对粘结树脂和木材的强度都会有所影响,尤其是加固后,包裹的FRP会改变木材的内部环境，对木材耐久性的影响问题，还需进一步研究；
(4)施加预应力等新技术对FRP加固和增强木结构的界面性能的影响研究；
(5)木材防腐剂，防火材料等化学试剂对FRP与木材的界面性能的影响研究；
(6)各种环境下，FRP与木材的界面粘结的抗疲劳和耐久性能研究。
通过对FRP加固和增强木结构界面粘结性能研究的深入和完善，将为FRP增强和加固木结构提供可靠的技术支持和方案选择。
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