丙烯酸酯浸渍加固处理对黑云杉作为连接器构件力学性能的影响外文翻译资料

 2022-08-06 09:08

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丙烯酸酯浸渍加固处理对黑云杉作为连接器构件力学性能的影响

摘要：正如先前的研究所表明的那样，用浸渍的丙烯酸酯配方，可以将黑云杉的桩承强度提高50%本研究包括三个螺栓直径和两个加载方向。在螺栓直径减小的情况下，处理对销钉承载强度的影响逐渐增大。 加载方向显著，因为处理在平行于晶粒方向上有主要影响，在垂直方向上没有影响。通过数字图像相关分析，观察到垂直于载荷方向的扩展应变场。优越的嵌入能力将有助于减少木材的尺寸以及建筑设计所需的连接数量。随着延性的增加，木材连接表现出更安全的屈服行为。

关键词：聚合物基体复合材料（PMCs），强度，应力集中，结构复合材料，木材

1. 导言

建筑师试图在高层建筑中扩大木材的使用并非没有理由。这种可再生材料是惊人的结构与温暖和明亮的外观。这也是对日益增长的环保建筑材料需求的回应。木材建筑可以提供较低的温室气体排放，较少的空气污染和较低的固体废物量。建筑物中产品的选择与其环境影响有关，木材可以帮助减少它。在建筑物的生命周期评估（LCA）研究中，木材表现出显著的优势。与其他材料制成的功能等效产品相比，据报道，木材产品特别有利于限制不可再生能源的消耗和累积能源需求。森林里的树可以吸收储存大量的CO2，约0.9吨CO2当量储存在每立方米的木材中。此外，木材可以帮助减少碳足迹1.1吨的CO2。

每立方米木材取代钢或混凝土结构，共产生2吨CO2每立方米木材。用木材代替混凝土是目前建筑师的发展趋势。随着建筑尺寸的增大，紧固件设计是结构设计的重要限制标准。因此，建设系统往往导致超大型木材结构，给建筑设计带来限制。需要制定新的战略，以加强结构的关键点。创建新类型的连接器和改进当前的连接器，通常是木材建筑研究中的主题，不仅紧固件可以增强，木材材料也可以增强。通过提高木材的防水能力、尺寸稳定性或阻燃性来改善木材的性能。此外，众所周知，添加纳米粒子会导致更好的结果，如硬度的增加或动态杨氏模量的增加，为了提高木材的力学性能，Bergman等人。大多数情况下，高化学保留是希望在木材中平等和充分地分配溶液。因此，以前的研究结果表明，浸渍低渗透物种，如黑色云杉，导致机械阻力明显增加，而没有高的化学滞留。因此，在初步工作中测试了渗透有限的表面处理，如刷牙和粉碎。结果表明，这些处理能有效地提高木钉承载强度的机械阻力20%。然而，随着浸渍过程的进行，增益达到50%。由于它显示出最高的电位，最后一种方法被保留用于进一步的实验。在Lafond、Blanchet、Landry、Galimard和Menard的工作中，介绍了纳米粒子浸渍处理对黑云杉承载强度的影响。需要更好地理解木材处理后的应变行为，以解释50%的强度增加。在过去的几十年里，刻度尺、电应变计和线性可变差动变压器（LVDTs）一直是测量木材点源位移的常用方法。然而，这些装置不适合于全表面应变测量。自20世纪80年代以来，数字图像相关性（DIC）已被纳入不同的科学和工程领域。目的是通过测量具有亚像素精度的均匀表面位移来测量非常小的应变。传统的DIC技术计算未变形图像中的灰度图案与变形图像中相应的灰度图案之间的表面位移。应用一阶形状函数逼近位移场的变化并计算应变。使用DIC，可以评估木材的许多性能。斯特尔莫卡斯，辛克和洛弗斯基利用这种技术测量多螺栓连接中螺栓下的应变场。Jeong等人测定了早材和晚材的弹性模量和泊松比。而权和汉娜提出了一种改进的DIC来分析木材干燥行为。因此，在目前的研究中，选择DIC在Johansen的木材连接理论的基础上，在一个销钉承载强度试验中观察应变场以及乔里森的工作双剪切连接的行为。比较了丙烯酸酯浸渍木材和未处理木材。此外，正如先前的研究所表明的，配方的深度渗透不足以在垂直方向上获得处理木材力学性能的重要增加。因此，在垂直和平行于晶粒方向的情况下进行了承载强度试验。此外，横向加载销钉式紧固件接头的承载能力取决于木材厚度对销钉直径比的影响。由于长细参数对连接延性行为的重要性，螺栓直径需要作为处理对木材力学性能影响的一个因素来评估。相同的直径与以前的研究保持不变，增加一个较小和一个较大的直径。

  1. 材料和方法

黑云杉来自加拿大魁北克省，这个物种占加拿大软木总库存的12%，因其直纹、重量轻、纤维密度和尺寸稳定性而受到人们的青睐。在140mmtimes;89mmtimes;38mmLtimes;Ttimes;R）的尺寸上切割木块样品平行于谷物轴承试验的R，在89mmtimes;89mmtimes;38mm(Ltimes;Ttimes;R）然后，两者兼而有之

样品的多维数组分别为20℃和65% RH直至达到恒定质量。样品来自无缺陷的木材，更准确地说，没有强烈的小结存在，这是经常在黑色云杉。如果样品上有明显的结果，则不应位于连接孔下面。在每个试样的纵向切线平面上，沿径向钻一个11mm、14mm或17mm直径的孔。每组直径孔中有60个样品，用于平行于晶粒试验。另有60个样品用14mm直径的孔切割，仅用于垂直测试。字母C为对照组，D1为9.5mm螺栓直径组，D2为12.7mm螺栓直径组，D3为15.9mm螺栓直径组。

2.1.2. 化学品和制剂

从Sartomer美洲公司获得了化学品1,6己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、三甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）和聚酯丙烯酸酯齐聚物。热聚合引发剂是由加拿大杜邦公司提供的。丙烯酸酯单体HDDA因其低粘度而被选择，而TMPTA为三维聚合物网络带来了三个功能位点。包括低聚物的目的是获得一种较不脆的聚合物。调整HDDA、TMPTA和CN2262的比例，得到16cP黏度配方。

2.1.3. 浸渍过程

在处理前后测量样品的质量，以监测化学滞留。然后，将样品设置在塑料容器中，不允许接触，并将其固定在顶部，以防止漂浮。化学品被倒在上面，直到完全覆盖，并将接受者放置在浸渍缸中。产生了27mm汞柱的真空，并保持了15min，以消除木材孔隙中的空气。然后施加520kPa的压力15min。样本被擦拭过关闭并放置在85℃烘箱中24小时，以实现树脂聚合。聚合后，所有块在20℃条件下和65%RH，直到达到平衡状态。浸渍工艺被定义为传统程序以确保最大的保留，但工艺参数可以优化。

2.2. 测试方法

2.2.1. 承重强度

按照ASTMD5764标准执行测量了与晶粒平行的承载强度嵌入。钉承载行为是指木材在假定的非弯曲扣件横向载荷作用下的荷载变形行为。承载强度（R马克斯）被定义为最大负载p马克斯从载荷变形曲线除以销径eth;d）和试样厚度eth;eTHORN;。

刚度（k）在公式（2）中进行了数学定义。图2给出了D3组与平行的桩承重试验的荷载位移曲线。刚度计算为斜率在最大负载的25% P25%和50% (P50%之间的点最大负荷的。

1.木材样品尺寸测试在平行于晶粒方向与12,7mm直径螺栓a)平行于晶粒测试样品b)垂直于晶粒测试样品。

在预钻孔中插入直径为9.5mm、12.7mm或15.9mm的销钉。使用了一台MTS联盟RT/50试验机（MTS系统公司，美国），带有100KN负载单元。在试验过程中，活动十字头的运动速率为1mm/min，最大位移为5mm。为了进行测试，在十字头上制造和组装。样品被固定在试验机上的周围地下室防止滑动。用放置在样品两侧的两个线性可变差动变压器（LVDT）测量销钉位移。最终载荷和载荷位移曲线由文本工程软件。在荷载－位移曲线中采用了两个LVDT的平均位移。对极限荷载和荷载－位移曲线进行了1N精度监测。通过解释木材劈裂而不是破碎地发生与否，对延性进行了定性分析。

2.一种典型的与晶粒平行的承载试验载荷－位移曲线。

2.2.2. 水分含量和烘箱－干燥密度

试验后，在20℃和65%HR条件下，对样品进行切割和加权以确定质量。然后，将它们放置在103plusmn;2℃的烤箱中，直到恒定的质量来确定卵子的重量。在承载试验中的水分含量被定义为在20℃和65%HR条件下的样品质量与烘箱干燥质量除以烘箱干燥质量之间的差异，还测量了切割样品的烘箱干燥尺寸根据ASTMD2395确定烤箱干燥密度。

2.2.3. 数字图像相关性

进行了DIC分析，分析了处理后螺栓直径和载荷方向对应力场 的影响。两个AVT派克F421B400万像素与高质量的CCD传感器相机运行在15fps（全分辨率）被用来捕获2048times;2048像素图像。八位灰度图像的格式是标记图像文件格式。为了进行二维分析，摄像机安装在三脚架上，与加载手机两侧的试样平行排列。两个带铝屏蔽的白点灯被放置在相机的两侧，以正确地照亮标本。 注意消除任何阴影来源，特别是木材上的螺栓阴影。焦点被手动调整，直到获得一个良好的对比和清晰的图像之前，相机的位置是固定的。然后，用放置在样品前面的尺子拍摄第一幅图像，以校准图像的尺度。加载时，十字头运动速度设定为1mm/min，图像在1s间隔拍摄。使用VIC2D软件进行数学互相关。将像素值的平方差（SSD）作为相关函数，跟踪参考子集和变形子集之间的位移。将数字图像相关性应用于每组样本中的三个样本。

3.测试装置，以确定销轴承载强度适用于ASTMD5764)。

2.2.4. 实验设计和数据分析

表1给出了本实验中使用的两种阶乘设计。因素是木材中存在处理（t0/t1)、螺栓直径（D1/D2/D3）和加载方向（0°/90）。首先设计测量了处理效果和螺栓直径作为它们之间的相互作用，而第二次测量处理的效果和加载方向作为它们之间的相互作用。每个组合包括30次重复。采用SAS软件9.4TS对销钉承载强度和刚度结果进行方差分析。分析各因素的影响及其相互作用。

表1本研究中使用的因素实验设计。

表2设计1和2组样品的承载强度和刚度（30个样品的平均值和特征值）。

3. 结果和讨论

3.1. 承重强度

根据ASTMD5764确定的销钉承载强度和刚度如图所示表2所有设计1和2的木材样品。 这些数据是每30个标本组的平均值。特征值被定义为第五个百分位数上95%的置信下限，用于承载强度和刚度结果。所有处理后的样品在承载强度和刚度方面均表现出比等效的未处理样品更好的性能。最高承载强度值与最小直径（D1）组样品44.9MPa有关，与未处理组CD1(26.9MPa）相比增加。对于中间直径（D2)，承载强度从25.3MPa增加到38.5MPa，增加52%，而对于最大尺寸（D3)，承载强度从26.0MPa增加到36.6MPa，提高了40%。处理的影响明显上升，而连接器的直径在减小。此外，当观察刚度的特征值（5个百分位数）时，处理后的变化百分比似乎高于最大值，这对所有组的样本来说。轴承强度的特征值也有同样的趋势，而更重要的改进是较小的销径（D1)，有79%的变化，而最小的是较大的直径（D3)，有48%的变化方差分析用于评估组间样本均值是否有显着性差异。F值是效应方差（组间）和误差方差（组内）之间的商）。处理与锚杆直径的相互作用在0.01概率水平上有统计学意义，如图所示表3。关于个别因素处理的F值的权重（F=1152.07)，可以合理地认为，单独处理对承载力值有显著影响。配方聚合后，处理后的木材连接器面积比未处理的木材更致密。因此，我们可以推断改性木材的密度与力学性能之间的正相关关系。

结果表明，处理的影响随着直径螺栓的增加而减小，而对于未处理的样品，直径螺栓没有明显的影响。直径为12.7的轴承强度结果与Lafond、Blanchet、Landry、Galimard和Menard的结果相对应。得到接近50%的变化百分比。因此，与以往的研究相比，处理组样品的变异系数（COV）降低。对于建筑应用，与标准基地一致，这可能是一个优势，因为材料的机械性能差异需要尽可能低。此外，特征值的增强是治疗潜在应用的重要资产。的确，建筑设计是根据建筑材料的特征价值进行的。刚度值受处理的影响小于承载力值对D3组的影响较大，从31.7增加42.6kN/mm，增加了35。用D2螺栓直径测试的样品刚度增加了18.9~23.9kN/mm或26%。 对于较小的直径D1，刚度值从9.3增加到12.1kN/mm，增益为29%。再次，对于刚度结果的特征值，重复相同的趋势。刚度数据的COV比强度高。 就像看到地表3螺栓直径与处理之间的相互作用有统计学意义。然而，在这里，F值为个别因素螺栓直径（F=318.03）比处理（F=48.10）重要得多。这可以通过销钉直径与延性行为之间的关系来解释。对于大小直径的试样，刚度值较高，而小直径则给装配带来延展性。由于脆性破坏引起的螺栓长细较

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