HFRP增强木梁的抗弯及其防潮防白蚁性能和方法

摘要

近几十年来，混凝土和钢材作为我国主要的建筑结构材料功不可没，但同时也给我国带来严峻的资源、能源和环境压力。为可持续发展，注意到木材是五大建材中唯一可再生的建筑材料，木结构的加工与建造能耗和污染最低，2010年3月，中国住建部与加拿大自然资源部签署了《关于采用现代木结构建筑技术应对气候变化合作谅解备忘录》，拟借鉴加拿大的先进技术和丰富的木材资源，利用我国丰富的速生林资源，在中国推广现代木结构建筑技术。
　　木材亦有如下缺点，强度和弹性模量不高，木节、斜纹等缺陷较多，易受潮腐朽，易遭虫蛀（特别是白蚁）等。因此，新老木构件的“增强”与“防护（防潮和防白蚁）”是两个焦点问题。为提高木构件结构增强与防护的效率，本文提出以混杂纤维增强复合材料（Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP）增强木梁，并以粘贴纤维用环氧树脂作为木材防护剂的思路。
　　本文的研究内容主要包括以下三个方面：
　　（1）HFRP增强木梁的性能及其影响因素
　　选用碳纤维（CF）、玻璃纤维（GF）和高强玻璃纤维（SGF）为增强材料，制作CF、SGF、CF/GF和CF/SGF层间组合的HFRP增强木梁，进行12根增强梁和3根对比梁的受弯性能实验研究。分析增强梁的破坏形态和破坏机理，讨论增强梁的荷载-位移特征、极限承载力和延性。结果表明，与单一CF增强相比，CF/SGF混杂增强梁的最大挠度比CF增强梁高90％，且有明显的延性和破坏预警功能，纤维材料成本降低50%左右。根据试验研究成果，建立HFRP增强木梁的简化力学模型，提出HFRP增强梁的极限承载力计算方法及其延性的评估方法。
　　（2）环氧树脂涂覆木材的防水性能及其影响因素
　　选择铁刀木、杉木和软木制作153个小试件，分别涂覆1～2层E-44环氧树脂（E-44Epoxy）胶粘剂（分别搭配EP-1固化剂和SM-203高硬度固化剂）、5种进口环保涂料和国产醇酸清漆，进行防水性能对比实验，探讨试件的吸水动力学特性。结果表明，Epoxy胶粘剂兼具良好的防水功能。对铁刀木和杉木而言，涂覆单层Epoxy试件的防水性能明显优于涂覆双层其他涂料试件（除醇酸清漆外），涂覆双层Epoxy试件的防水效果达醇酸清漆试件的2.3倍。这是因为Epoxy固化后形成高强耐久的三维体型结构，长期浸泡不溶、不吸水。
　　（3）环氧树脂涂覆木材的防白蚁性能及其影响因素
　　选取马尾松木材制作60个试件。选用毒死蜱，联苯菊酯和锐劲特三种防白蚁制剂，每种制剂取4种质量比例分别与E-44Epoxy（固化剂为EP-1）混配，涂覆马尾松试件2层，制成第一批试件。另选择EP-1固化剂和SM-203高硬度固化剂与E-44Epoxy搭配（无防白蚁制剂），分别涂覆马尾松试件2层、3层和4层，制成第二批试件。在室内分别测试上述两批试件对家白蚁的抗蛀能力。试验结果表明，涂覆Epoxy和防白蚁制剂试件的质量损失率仅为对照组的约7%。涂覆Epoxy3层和4层的试件的质量损失率不超过对照组的9%；其中，采用SM-203固化剂的试件的质量损失率比采用EP-1固化剂的试件低26%以上；表明高硬度Epoxy有更好的物理隔离效应。
　　综上，本文提出的以HFRP增强木梁方法可显著提高增强效率，以粘贴纤维用环氧树脂作为木材防护剂的方法可以显著提高防护效率。又由于新方法可将以往“增强”与“防护”两道工序合并，还可提高施工效率。故新方法具有性能、成本和工时三重优势。

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第1章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2纤维复合材料（FRP）增强木构件及其防护的国内外研究简况

1.3本文的主要研究内容与方法

1.4特色与创新点

1.5本章小结

第2章 木材的构造与特性及木结构的残损特征

2.1引言

2.2木材构造、特性和物理力学性质

2.3长期工作的木结构的残损特征

2.4本章小结

第3章 既有木梁FRP增强研究综述

3.1引言

3.2单一FRP增强木梁的研究现状及其不足之处

3.3既有HFRP增强木梁方法及其不足

3.4本章小结

第4章 既有木结构防护（防潮防白蚁）研究综述

4.1引言

4.2防水涂料的研究现状

4.3涂层防水性能的研究方法

4.4白蚁防治技术

4.5既有木结构防护方法的不足及改进空间

4.6本章小结

第5章 HFRP增强木梁的抗弯试验研究

5.1引言

5.2 HFRP增强木梁的试验研究

5.3试验结果讨论

5.4 HFRP增强木梁的简化力学模型

5.5结论

5.6本章小结

第6章 HFRP用环氧树脂涂覆木材的防水性能研究

6.1引言

6.2试验概述

6.3试验结果讨论

6.4吸水动力学曲线拟合

6.5结论

6.6本章小结

第7章 HFRP用环氧树脂涂覆木材的防白蚁性能研究

7.1引言

7.2防白蚁制剂与Epoxy混配物的抗蚁蛀性室内试验研究

7.3 Epoxy-固化剂的抗蚁蛀性室内试验研究

7.4本章小结

第 8章 结论与展望

8.1本文工作总结

8.2下一步研究工作展望

8.3中国古代木结构建筑的保护与可持续利用

8.4中国木结构发展展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

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