木構(gòu)件及端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種能夠通過涂覆碳纖維涂層以增強(qiáng)其端面面內(nèi)力學(xué)性能的木構(gòu)件。該木構(gòu)件，其端面具有寬度為0.1-3.0mm的裂紋，裂紋分布密度100-200個/dm2。本實(shí)用新型同時提供了一種能夠提高木材端面面內(nèi)橫向抗拉強(qiáng)度，同時可阻止木構(gòu)件端面吸濕及菌蟲害的侵害的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。該木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，是在木構(gòu)件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纖維涂層。
【專利說明】木構(gòu)件及端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種木建筑構(gòu)件端面的增強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)，屬于人工復(fù)合木材領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]木結(jié)構(gòu)建筑的建筑結(jié)構(gòu)是由主體材料木構(gòu)件(如木梁、木柱等)和構(gòu)件間連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。木構(gòu)件是一種天然生長的生物材料木材，在建筑中長期服役后，木材構(gòu)件易發(fā)生腐朽、蟲蛀、開裂、變形及缺損等破壞，其中開裂、腐朽等是建筑中最常見、危害比較大的缺陷。
[0003]這些缺陷常常由木構(gòu)件端部產(chǎn)生并發(fā)展，如未能得到及時處理，將不僅使其外觀遭到破壞，而且會導(dǎo)致水、昆蟲、木腐菌的侵蝕，引起內(nèi)部腐朽、開裂，嚴(yán)重削弱其力學(xué)性能，特別是在一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)部位，內(nèi)部缺陷會危及整個建筑結(jié)構(gòu)的安全性。
[0004]另一方面，在建筑結(jié)構(gòu)中木構(gòu)件起連接和傳遞荷載作用，構(gòu)件間的荷載傳遞主要通過木構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，連接節(jié)點(diǎn)是由木構(gòu)件端部相連構(gòu)成，木材端部是木構(gòu)件中力學(xué)性能最薄弱的部位，其端部木材橫向結(jié)合強(qiáng)度差且僅受到來自一側(cè)木材纖維的牽制；不僅如此，木構(gòu)件間為實(shí)現(xiàn)有效連接常在木構(gòu)件端部開槽、鉆孔、釘釘、開榫頭榫眼等加工，這些作業(yè)不僅使木構(gòu)件凈截面積大大減小，而且易使構(gòu)件端部出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。這些都將大大削弱木材端部承載和連接性能，從而在木結(jié)構(gòu)建筑中常出現(xiàn)構(gòu)件破壞首先發(fā)生于連接節(jié)點(diǎn)部位(即木材端部)的現(xiàn)象。在木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50005-2003)中為使木構(gòu)件連接時減輕或避免受木材端部薄弱影響，規(guī)定了木構(gòu)件中螺栓及釘最小端距分別為7d及15d (d為桿徑)，齒連接時端距為齒深的8-10倍。
[0005]木材構(gòu)件有限的長度決定了木構(gòu)件長度方向上各橫截面面內(nèi)力學(xué)性質(zhì)的差異，靠近構(gòu)件端部的橫截面受到截面兩側(cè)木材纖維的牽制較少橫向受力較差，尤其端面僅受到來自一側(cè)木材的牽制，所以端頭易開裂，并向內(nèi)發(fā)展。木建筑中結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或失效更多取決于木構(gòu)件間的端部結(jié)合，對端部進(jìn)行增強(qiáng)可以減輕或平衡構(gòu)件上中間與端部截面面內(nèi)力學(xué)性能的最大差異，改善木構(gòu)件在連接結(jié)合上存在的困擾。
[0006]迄今為止，國內(nèi)外對木構(gòu)件端部增強(qiáng)的研究及措施主要有為防止構(gòu)件端頭進(jìn)一步開裂在端面打入齒板、防裂釘或防裂環(huán)；為防止木材端部吸濕或受潮涂布涂料、石蠟或膠黏齊IJ;對危險構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)救采取構(gòu)件端頭捆扎或金屬箍緊固等，這些措施僅適用于端頭外露的構(gòu)件，局限性明顯。而對木材構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)處理的理論研究尚未見報道。
[0007]隨著性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)材料(CarbonFibre Renforced Polymer/Plastic,縮寫CFRP)技術(shù)的發(fā)展，采用碳纖維增強(qiáng)技術(shù)來克服木材固有缺陷、增強(qiáng)其力學(xué)性能，成為了木材品質(zhì)改善的一種有效技術(shù)手段。自碳纖維被應(yīng)用到木材及木結(jié)構(gòu)加固工程中以來，碳纖維是以碳纖維片材如布或板形式存在，且僅對木材縱向表面貼合增強(qiáng)。
[0008]因此，如何克服木構(gòu)件端面面內(nèi)力學(xué)性能的不足，尋得一種原料來源豐富，且工藝及設(shè)備簡單、投資低，又能充分發(fā)揮木構(gòu)件的強(qiáng)度性能的增強(qiáng)方法，是我們從業(yè)人員一直思考的熱點(diǎn)。實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型提供了一種能夠通過涂覆碳纖維涂層以增強(qiáng)其端面面內(nèi)力學(xué)性能的木構(gòu)件。
[0010]該木構(gòu)件，其端面具有寬度為0.1-3.0mm的裂紋，裂紋分布密度100-200個/dm2。
[0011]本實(shí)用新型同時提供了一種能夠提高木材端面面內(nèi)橫向抗拉強(qiáng)度，同時可阻止木構(gòu)件端面吸濕及菌蟲害的侵害的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
[0012]該木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，是在木構(gòu)件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纖維涂層。所述碳纖維涂層是把碳纖維原絲上漿處理、干燥后切割為長度為0.5-2mm的纖維段與環(huán)氧樹脂混合，攪拌均勻而得；環(huán)氧樹脂與纖維段的重量比為3:1 —10:1。
[0013]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，碳纖維涂層包括涂覆在木構(gòu)件端面的短纖維涂層和涂覆在短纖維涂層上的長纖維涂層；短纖維涂層和長纖維涂層的厚度均為0.8-1.2mm ;短纖維涂層中的碳纖維長度為0.5-0.7mm，長纖維涂層中的碳纖維長度為1.7-2.0mm。
[0014]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述木構(gòu)件為落葉松、樺木或者水曲柳。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果:該木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可大幅提高大型木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件橫向力學(xué)性能，木材端面面內(nèi)橫向抗拉強(qiáng)度可提高80%以上，同時可阻止木構(gòu)件端面吸濕及菌蟲害的侵害，阻止木材裂紋擴(kuò)展、中斷材料破壞、延緩應(yīng)力集中，使木構(gòu)件抗彎和受壓性能保持穩(wěn)定。
[0016]制作木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(或者說木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法)的具體步驟:
[0017]a、制備涂覆物
[0018]把碳纖維原絲上漿處理、干燥后切割為長度為0.5-2mm的纖維段與環(huán)氧樹脂混合，攪拌均勻，制得涂覆物；環(huán)氧樹脂與纖維段的重量比為3:1 —10:1 ;
[0019]b、木構(gòu)件端面處理
[0020]以150-200°C的高溫氣流對木構(gòu)件端面噴射，使得木構(gòu)件端面出現(xiàn)寬度為
0.1-3.0mm的裂紋，裂紋分布密度100-200個/dm2 ；
[0021]C、涂覆組坯
[0022]接著把涂覆物涂覆在木構(gòu)件端面形成厚度為1-2.5mm的碳纖維涂層；
[0023]d、加壓固化
[0024]對碳纖維涂層在壓力0.08-1.2MPa下加壓36_48h，使得碳纖維涂層固化成型。
[0025]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法，制備的涂覆物有兩種，一種是長度為0.5-0.7mm的纖維段制成的短纖維涂覆物，一種是長度為1.7-2.0mm的纖維段制成的長纖維涂覆物；涂覆組坯時，先把短纖維涂覆物涂覆在木構(gòu)件端面形成厚度為0.8-1.2mm的短纖維涂層；再把長纖維涂覆物涂覆在短纖維涂層上形成厚度為0.8-1.2mm的長纖維涂層。
[0026]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法，在高溫氣流對木構(gòu)件端面噴射前，采用水對木構(gòu)件端面作潤濕處理5min-10min。
[0027]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法,高溫氣流流速5m/s-10m/s,噴射時間10_20min。
[0028]上述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法，涂覆組坯前，在木構(gòu)件端面涂環(huán)氧樹脂，涂膠量220-280g/ m2，陳放 4-6 分鐘。
[0029]把碳纖維原絲進(jìn)行上漿處理、干燥后進(jìn)行切割；將小尺度的粉狀碳纖維段與環(huán)氧樹脂膠黏劑相混合，使碳纖維充分吸收膠液并攪拌均勻，制得涂覆物。與此同時，進(jìn)行木材構(gòu)件端部的處理，用高熱氣流噴射木構(gòu)件端面直至產(chǎn)生細(xì)小裂紋，再將攪拌均勻的涂覆物涂覆在構(gòu)件端面，然后施加一定的壓力，將碳纖維擠入木構(gòu)件端面的細(xì)小裂紋、縫隙及孔隙中，保持恒定壓力直至成型即得。以該方法對木構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)，木材端面面內(nèi)橫向抗拉強(qiáng)度可提高80%以上，同時可阻止木構(gòu)件端面吸濕及菌蟲害的侵害。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是木構(gòu)件端面增強(qiáng)方法的工藝流程圖；
[0031]圖2是木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是端面未有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件主視圖；
[0033]圖4是圖3的俯視圖；
[0034]圖5是端面具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件主視圖；
[0035]圖6是圖5的俯視圖；
【具體實(shí)施方式】
[0036]對落葉松(Larixolgensis),樣木(Betula platyphylla)),水曲柳(Fraxinusmandshurica)等不同材質(zhì)的木構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)處理方法，參見圖1所示的工藝流程圖。具體步驟如下。
[0037]a、制備短纖維涂覆物和長纖維涂覆物
[0038]短纖維涂覆物的制備:把碳纖維原絲(聚丙烯腈基碳纖維，單絲直徑7.0-1Oum,抗拉強(qiáng)度3.6-3.8Gpa，抗拉模量220_240Gpa，伸長率1.5%，外觀灰黑色)上漿處理。上漿處理屬于現(xiàn)有技術(shù)，漿料是通用型上漿劑，如雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚S型環(huán)氧樹脂、線型酚醛環(huán)氧樹脂。然后在60-90°C干燥后把碳纖維原絲切割為長度為0.5_ (長度均勻率要求在90%以上)的纖維段，對纖維段攪拌，使其初步分散即可。然后，往粉狀碳纖維上施加環(huán)氧樹脂膠黏劑，環(huán)氧樹脂與纖維段的重量比為5:1，攪拌5-10min，直至使碳纖維充分潤濕，制得短纖維涂覆物。
[0039]長纖維涂覆物的制備:制備長纖維涂覆物時，除把碳纖維原絲切割為長度為2mm的纖維段外，其它均與短纖維涂覆物的制備方法相同。
[0040]b、木構(gòu)件端面處理
[0041]把木構(gòu)件端面刨切平整,用180目砂紙砂磨表面,去除木毛刺。
[0042]用水對木構(gòu)件端面作潤濕處理5min-10min,再以溫度150_200°C、流速5m/s_10m/s的氣流對端面垂直噴射，使得端面出現(xiàn)寬度為0.1-3.0mm的微細(xì)裂紋。對不同實(shí)施例的噴射時間見表I。高溫氣流噴射后對端面進(jìn)行檢測，寬度為0.1-3.0mm的裂紋分布密度見表
I。檢測裂紋時，寬度小于0.1mm的裂紋均未計入；dm2表示平方分米。表I中的高溫氣流噴射時間未填寫的，表示沒有進(jìn)行高溫氣流噴射；裂紋分布密度未填寫的，表示未見裂紋。
[0043]C、木構(gòu)件端面涂膠:對木構(gòu)件端面涂環(huán)氧樹脂膠黏劑，涂膠量250g/ Hf，環(huán)氧樹脂初黏度(23°C) 6000MPa.s，端面涂膠后陳放一段時間(約5分鐘)。
[0044]d、涂覆組坯
[0045]端面涂覆碳纖維涂層2 (包括內(nèi)層21和外層22)。[0046]內(nèi)層21可以把短纖維涂覆物涂覆在木構(gòu)件I端面11形成厚度約為1_的短纖維涂層，也可以是把長纖維涂覆物涂覆在木構(gòu)件I端面11形成厚度約為Imm的長纖維涂層。
[0047]外層22可以是把短纖維涂覆物涂覆在內(nèi)層21上形成厚度約為Imm的短纖維涂層，也可以是把長纖維涂覆物涂覆在內(nèi)層21上形成厚度約為1_的長纖維涂層。
[0048]對于各實(shí)施例，內(nèi)層或外層到底是短纖維涂層還是長纖維涂層參見表I。
[0049]外層做法是預(yù)先把短纖維涂覆物或長纖維涂覆物在PVC塑料薄膜上涂覆均勻，后將其覆蓋于內(nèi)層的表面。
[0050]表I中，內(nèi)層、外層中未填寫數(shù)據(jù)的，表示木構(gòu)件端面未涂覆碳纖維涂層。
[0051]e、常溫加壓固化
[0052]常溫條件下對碳纖維涂層施加壓力(壓力約0.1MPa),并保壓至固化成型，保壓時間 36-48h。
[0053]f、復(fù)合端面修整:將增強(qiáng)后的木構(gòu)件端面進(jìn)行常規(guī)修整。
[0054]對實(shí)施例1、11、21 (端面未有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件)加工成圖3、4所示的試件，對其它實(shí)施例(端面具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件)加工成圖5、6所示的試件，圖3-6中所示尺寸單位為mm。對試件進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，測得各實(shí)施例在徑向和弦向的抗拉強(qiáng)度見表I。
[0055]從表I中可以看出，端面具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度明顯高于端面未有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件(實(shí)施例1、11、21)的抗拉強(qiáng)度。其中，端面上的裂紋分布密度較大、內(nèi)層為短纖維涂層、外層為長纖維涂層的木構(gòu)件(實(shí)施例7、17、27)在徑向和弦向的抗拉強(qiáng)度最大。
[0056]本實(shí)用新型是把碳纖維原絲進(jìn)行上漿處理后進(jìn)行切割；將小尺度的粉狀碳纖維段攪拌離散，后與環(huán)氧樹脂膠黏劑相混合，使碳纖維充分吸收膠液并攪拌均勻。與此同時，進(jìn)行木材構(gòu)件端部的處理，使木構(gòu)件端面刨切平整，后采用高熱氣流噴射木構(gòu)件端面直至產(chǎn)生細(xì)小裂紋，再將攪拌均勻的碳纖維涂覆在構(gòu)件端面，同時施加一定的壓力，將碳纖維擠入木構(gòu)件端面的細(xì)小縫隙及孔隙中，保持恒定壓力直至成型即得。增強(qiáng)后的端面可進(jìn)行切割加工，方便實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的連接結(jié)合，提高了實(shí)體木材構(gòu)件在木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用的安全性。
[0057]表I
[0058]
【權(quán)利要求】
1.木構(gòu)件，其特征是:木構(gòu)件端面具有寬度為0.1-3.0mm的裂紋，裂紋分布密度100-200 個 /dm2。
2.木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征是:在權(quán)利要求1所述木構(gòu)件的端面涂覆有厚度1-2.5mm的碳纖維涂層。
3.如權(quán)利要求2所述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征是:碳纖維涂層包括涂覆在木構(gòu)件端面的短纖維涂層和涂覆在短纖維涂層上的長纖維涂層；短纖維涂層和長纖維涂層的厚度均為0.8-1.2mm ;短纖維涂層中的碳纖維長度為0.5-0.7mm，長纖維涂層中的碳纖維長度為 1.7-2.0mm。
4.如權(quán)利要求3所述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征是:碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，單絲直徑7.0-1Oum,抗拉強(qiáng)度3.6-3.8Gpa，抗拉模量220_240Gpa，伸長率1.5%。
5.如權(quán)利要求2所述的木構(gòu)件端面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述木構(gòu)件為落葉松、樺木或者水曲柳。
【文檔編號】E04B1/62GK203769066SQ201420159288
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】楊小軍, 王正, 孫友富, 闕澤利 申請人:南京林業(yè)大學(xué)