复合木-混凝土胶结力学性能的影响因素1)

王海飙 季安康 陈曦光 吴建 杨海旭

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



复合木-混凝土胶结力学性能的影响因素1)

王海飙 季安康 陈曦光 吴建 杨海旭

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

为遴选复合木-混凝土胶结的力学性能影响因素，应用方差分析和正交试验，探索复合木材、混凝土、胶体、复合木材与胶体的交互作用、混凝土与胶体的交互作用对复合木-混凝土胶结的抗剪强度和抗拉强度的影响。结果表明：胶体、复合木材与胶体的交互作用，对复合木-混凝土胶结的抗剪强度影响显著，采用双组份环氧胶、单板层积材、正常配合比的强度等级为C25的混凝土组合所得的抗剪强度最优；复合木材、复合木材与胶体的交互作用，对复合木-混凝土胶结抗拉强度的影响显著，采用高强度结构胶、实木板、添加20%减水剂的强度等级为C20的混凝土组合所得的抗拉强度最优。

复合木；混凝土；胶结力学性能

For the mechanical performance influence factors of Composite wood-Concrete Cementation, we studied the influence of composite wood, concrete, glue, the interaction of composite wood and glue and the interaction of the concrete and glue on shear strength and tensile strength of composite wood-concrete cementation by the variance theory and orthogonal theory. The effect of the glue and the interaction of composite wood and glue on shear strength is remarkable in the composite wood-concrete cementation with the combination of a two-component epoxy adhesive, LVL, and the C25concrete of the normal proportion for the shear strength of the composite wood-concrete cementation is optimal. The effect of the composite wood and the interaction of composite wood and glue on tensile strength is remarkable in the composite wood-concrete cementation, and the combination of high strength structural adhesive, solid wood and the C20concrete of add the 20% water reducer agent for the tensile strength of the composite wood-concrete cementation is optimal.

随着加快绿色节能环保建筑材料的应用，作为三大建筑材料唯一可再生的木材正越来越多的被应用于建筑之中[1]。为了发挥木材及混凝土材料的特点[2-3]，很多专家学者对木材与混凝土的结合形式及性能做了大量研究工作[4-7]。同时，也有学者对多种木材的胶合性能进行了研究[8]。但是，这些研究是针对单一因素变化的性能研究，在研究中难免会存在片面性。本文对复合木-混凝土的胶结组合构件进行研究，胶结的复合木-混凝土组合构件不仅施工方便，而且能够保留木材良好的抗拉强度和延性，保留混凝土的抗拉强度和较大的刚度，提高了结构的整体稳定性[5]。

为了研究复合木材与混凝土的胶结性能，本文采用方差分析法和正交分析法，综合分析不同复合木材、胶体与混凝土结合的性能，从而选出最优的组合方案，为木材与混凝土的胶结在建筑中的应用提供参考。

1 试验材料与方法

为使试验更具有代表性和说服力，针对市场上的不同复合木材，试验中选用4种差异比较大的复合木材，分别为实木板、贴面板、单板层积材、刨花板。为了倡导国家提倡的绿色环保的理念，在试验过程中选用无毒无害的4种不同环保型胶体，分别为高强度结构胶、双组份环氧胶、结构粘接丙烯酸酯胶、环氧干挂结构胶。将复合木材、胶体与4种不同成分的混凝土试块进行胶合试验。选用的4种不同成分的混凝土试块，分别为正常配合比的强度等级为C20混凝土、添加20%减水剂的强度等级为C20混凝土、正常配合比的强度等级为C25混凝土、添加20%减水剂的强度等级为C25混凝土。复合木-混凝土胶结的连接件在受力过程中，其承担着传递混凝土与复合木材的纵向剪力、抵抗混凝土与复合木材掀起的拉力，基于此，在进行相关力学性能研究中，本试验针对所测组合试件的抗剪强度和抗拉强度进行试验分析。

抗剪强度测定的混凝土试块尺寸为50 mm×50 mm×85 mm、复合木材尺寸为15 mm×50 mm×50 mm、胶体涂抹有效面积为40 mm×50 mm(见图1)。抗拉强度测定的混凝土试块尺寸为15 mm×50 mm×50 mm、复合木材尺寸为15 mm×45 mm×45 mm、胶体涂抹有效面积为45 mm×45 mm(见图2)。

图1 抗剪强度试块示意图

为测试复合木-混凝土胶结的抗剪强度和抗拉强度，将组合试块置于2个刚性支座之间(见图3)。测试复合木-混凝土胶结的抗剪强度时，将试件放于下支座之上，上传感器正对复合木材(见图4)，试验加载时以加载速度为10 mm/min的速度向下加载；当复合木材与混凝土试块发生错动时，机器自动停止加载，通过传感器将试验数据传入电脑进行记录保存。测试复合木-混凝土胶结的抗拉强度时，首先需要对试件进行处理(见图5)，方便与试验机上的传感器钢件进行咬合；试验加载时以加载速度为10 mm/min的速度向上加载，当试件发生撕裂时机器自动停止加载，通过传感器将试验数据传入电脑进行记录保存。

图2 抗拉强度试块示意图

(1)抗剪强度加载测试装置 (2)抗拉强度加载测试装置

图3 加载测试装置

图4 抗剪强度试块

图5 处理后的抗拉强度试块

2 结果与分析

2.1 方差分析

建立方差分析模型，进行相关结果的处理，分析复合木材、胶体、复合木材与胶体的交互作用对复合木-混凝土胶结的抗剪强度和抗拉强度的影响。其中，样本值(试验数据)算出的FA、FB、FA×B的处理值为：

若FA≥F1-α((r-1)，rs(t-1))，则拒绝H01，否则接受H01；

若FB≥F1-α((s-1)，rs(t-1))，则拒绝H02，否则接受H02；

若FA×B≥F1-α((r-1)(s-1)，rs(t-1))，则拒绝H03，即认为交互作用显著，否则接受H03，即认为交互作用不显著。

式中：r为A取得的不同水平数；s为B取得的不同水平数；t为每一个水平组合(Ai，Bj)(i=1、2、…、r，j=1、2、…、s)的重复试验次数，且t必须满足t≥2；α为试验的显著性水平，本文中分别取0.01和0.05。

2.1.1 抗剪强度

将4种复合木材和4种胶体的组合试验所得的抗剪强度结果列入表1，方差分析结果见表2，具体计算参考文献[9]。依据方差分析结果，在水平α=0.05下，拒绝H01、H02、H03；在水平α=0.01下，拒绝H01、H03，即：通过分析可得胶体对复合木-混凝土胶结抗剪强度的影响非常显著；复合木材与胶体的交互作用对复合木-混凝土胶结的抗剪强度的影响较显著；复合木材对复合木-混凝土胶结抗剪强度的影响显著。

表1 抗剪强度试验结果 MPa

注：r=4，s=4，t=2。

表2 抗剪强度方差分析

2.1.2 抗拉强度

将4种复合木材和4种胶体的组合试验所得的抗拉强度结果列入表3，方差分析结果见表4，具体计算参考文献[9]。依据方差分析结果，在水平α=0.05下，拒绝H02、H03；在水平α=0.01下，拒绝H02、H03，即：通过分析可得胶体对复合木-混凝土胶结抗拉强度的影响不显著，说明胶体对复合木-混凝土的抗拉强度提高的影响可以忽略；复合木材与胶体的交互作用对复合木-混凝土胶结的抗拉强度的影响较显著；复合木材对复合木-混凝土胶结抗拉强度的影响非常显著。

表3 抗拉强度试验结果 MPa

注：r=4，s=4，t=2。

表4 抗拉强度方差分析表

2.2 正交试验分析

通过方差分析可知，胶体与复合木材的交互作用对复合木-混凝土胶结的影响不能忽略。因此，为进一步研究对复合木-混凝土胶结的影响因素，应用正交试验进一步分析复合木材、胶体、混凝土、复合木材与胶体的交互作用、混凝土与胶体的交互作用对复合木-混凝土胶结抗剪强度和抗拉强度的影响，从而选出抗剪强度的最优组合和抗拉强度的胶的最优组合。考虑复合木材与胶体交互作用和混凝土与胶体的交互作用，故选用正交表L16(45)安排试验(见表5)。

表5 复合木材混凝土胶结的因素及水平

2.2.1 抗剪强度

依据L16(45)和表5的因素及水平，共安排16组试验，测得的抗剪强度试验结果，分别为0.705、0.550、1.245、1.280、2.470、2.920、3.530、1.640、2.440、2.240、1.930、1.165、1.030、0.980、1.165、1.915 MPa。经极差(Rj)分析所得结果(见表6)与表2分析的结果一致。由于抗剪强度越大越好，因此，根据均值最大确定每种影响因素的具体种类，A(胶体)的最大均值是k2j，故A对复合木材混凝土胶结影响最重要的种类是A2，即双组份环氧胶。由于A×B是影响试验结果的主要因素、是挑选水平组合的重要依据，但是，根据表6无法确定具体的影响因素，故需借助A×B搭配表进行相关计算分析(见表7)。

由表7可见，A与B的最佳组合是A2B3(抗剪强度最大)，即高强度结构胶和单板层积材的组合搭配抗剪强度最大。根据均值(见表6)可知，C(混凝土)对复合木-混凝土胶结抗剪强度影响最大的是k3j，即正常配合比的强度等级为C25的混凝土(C3)。综合表6和表7，对复合木-混凝土胶结影响最大的组合是A2B3C3。

表6 抗剪强度试验结果极差分析 MPa

注：各个因素由主到次依次为A、A×B、C、A×C、B；优方案为A2B3C3。

表7 复合木材和胶的水平搭配表 MPa

2.2.2 抗拉强度

依据L16(45)和表5的因素及水平，共安排16组试验，测得的抗拉强度试验结果，分别为0.725、0.995、0.390、0.240、0.580、0.840、0.420、0.225、0.835、0.485、0.370、0.375、0.965、0.360、0.530、0.205 MPa。经极差(Rj)分析所得结果(见表8)与表4方差分析的结果一致。由于抗拉强度越大越好，因此，根据均值最大确定每种影响因素的具体种类，B(复合木材)的最大均值是k1j，故B对复合木-混凝土胶结影响最重要的种类是B1，即实木板；由于A×C是影响试验结果的主要因素、是挑选水平组合的重要依据略，根据表8无法确定具体的影响因素，故需借助A×C搭配表进行相关计算分析(见表9)。

由表9可见，A与C的最佳组合是A1C2，即双组份环氧胶和添加20%减水剂的强度等级为C20的混凝土组合抗拉强度最大。综合表8和表9，对复合木-混凝土胶结影响最大的组合是B1A1C2，即：复合木-混凝土胶结的最大抗拉强度，是应用高强度结构胶、实木板、添加20%减水剂的强度等级为C20的混凝土组合。

表8 抗拉强度试验结果极差分析 MPa

注：各个因素由主到次依次为B、A×C、C、A×B、A；优方案为B1A1C2。

表9 混凝土和胶的水平搭配表 MPa

3 结论

胶体对复合木材混凝土胶结的抗剪强度影响最显著，胶体与复合木材的交互作用对复合木材混凝土胶结的抗剪强度影响次之，复合木材影响最小；复合木材对复合木-混凝土胶结的抗拉强度影响最显著，胶体与复合木材的交互作用对复合木-混凝土胶结的抗拉强度影响次之，胶体影响最小。

复合木材、胶体及其交互作用，利用方差理论与正交理论所得的对复合木-混凝土胶结的抗剪和抗拉影响程度的结果相吻合，因此，可根据正交分析法分析不同因素及交互作用对复合木-混凝土胶结的抗剪强度和抗拉强度的影响。对复合木-混凝土胶结抗剪强度的影响，从大到小依次为胶体、复合木材与胶体的交互作用、混凝土、胶体与混凝土的交互作用、复合木材；对复合木-混凝土胶结抗拉强度的影响，从大到小依次为复合木材、胶体与混凝土的交互作用、混凝土、胶体与复合木材的交互作用、胶体。复合木-混凝土胶结的抗剪强度的最佳组合方案是双组份环氧胶、单板层积材、正常配合比的强度等级为C25的混凝土组合，强度≥3.53MPa；复合木-混凝土胶结的抗拉强度的最佳组合方案是高强度结构胶、实木板、添加20%减水剂的强度等级为C20的混凝土组合。

[1] 程东辉，杜园元，王丽，等.木-混凝土连接性能试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2014，30(4)：626-635.

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[9] 庄楚强，何春雄.应用数理统计[M].4版.广州：华南理工大学出版社，2013.

Mechanic Performance Influence Factors of Composite Wood-Concrete Cementation//

Wang Haibiao, Ji Ankang, Chen Xiguang, Wu Jian, Yang Haixu(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：85-88，97.

Composite wood; Concrete; Mechanical performance of the cementation

王海飙，男，1973年12月生，东北林业大学土木工程学院，副教授。E-mail：whbcumt@163.com。

季安康，东北林业大学土木工程学院，硕士研究生。E-mail：631374259@qq.com。

2016年11月23日。

TU53

1)黑龙江省自然科学基金面上项目(E2015057)。

责任编辑：张 玉。