胶合木能够降低木材天然缺陷对力学性能的影响，尺寸和形状不受限制，是木结构中常用的结构构件．胶合木由层板通过胶黏剂粘结成型，因此其性能决定于胶缝界面质量．在荷载作用下，裂缝尖端应力集中导致裂缝扩展，直至构件失效．裂缝扩展单位面积所需能量被称为断裂能，可用来描述断裂特性[1]．文献[2]认为多层材料粘结强度应包括胶层的粘结强度和断裂性能．文献[3-4]将断裂过程区域的影响考虑在裂缝范围内，给出了应变能量释放速率理论值．文献[5]的试验表明胶层增厚有助于提高界面强度提高．国内木结构工程往往尽可能地暴露木材元素，但木材可燃，木结构建筑火灾隐患高[6-7]．研究表明胶黏剂的粘结性能随温度的升高而降低[8-9]．高温使胶缝界面粘结强度降低，甚至脱胶，导致构件刚度减小，危及结构安全．高温试验表明：含有胶黏剂的木制品，其断裂韧性高于实木[10]．文献[11]开展了加载角度和环境湿度对单组分聚氨酯(PUR)和双组分间苯二酚-酚醛树脂(PRF)-硬木胶缝界面的混合模式断裂能试验，结果表明界面断裂韧性随环境湿度的升高而降低；木材-PRF界面裂缝扩展主要发生在木材上，木材-PUR胶缝界面断裂能低于PRF．目前我国木结构多采用进口结构材建造，随着其应用的增多，量大面广的国产速生木材在建筑中应用受到关注，其中杨木在速生材中蓄积量排在首位，且力学性能较高，是木结构工程潜在用材资源[12-13]．火场中胶合木曝火侧形成的炭化层具有隔氧功能，但对其保护下受热区界面剪切断裂能研究较少．本研究以PRF，以及国内工程常用的北美花旗松、俄罗斯落叶松和国产杨木为研究对象，以氮气为保护气氛，对木材-PRF界面在高温中的剪切断裂能进行试验，以期为木结构抗火性能设计提供补充．1 材料与方法1.1　试验材料和设备试验用国产人工林杨木采购自江苏宿迁，花旗松和兴安落叶松分别进口自加拿大和俄罗斯，木材的平均年轮宽度w和12%含水率时平均气干密度ρ见表1．为保证试验结果的可重复性，选取含水率在8%~12%范围内，且密度相差不高于5%的无疵清样木材作为试样．10.13245/j.hust.210414.T001表1试验用木材基本参数木材w/mmρ/(g•cm-3)杨木28.90.444花旗松2.40.486落叶松1.30.591胶黏剂选用双组分室温固化型结构用PRF，购自日本爱克工业株式会社．PRF胶黏剂固化剂为浅红棕色粉末固体，主剂为深红褐色黏性液体，使用时主剂和固化剂的混合比例为100:18(质量比)，两组分混合后胶黏剂在20 ℃时的黏度和凝胶时间分别为2.2 Pa·s和100 min．界面断裂能试验采用E45.035E型300 kN微机控制电子万能试验机(美特斯工业系统(中国)有限公司)进行，荷载和位移数据均由系统自动同步采集，采集频率为10 Hz，试验机荷载和位移测量精度为示值的±0.5%．高温条件由该试验机配置的SD201625型高低温试验环境箱(吉林省三度试验设备有限公司)提供，其内部净尺寸为300 mm×300 mm×600 mm(宽×深×长)，采用DX1012型无纸记录仪(日本横河)和预埋在试件内部的K型热电偶监测试件内部温度，该热电偶测温范围为0 ℃~1 300 ℃，测量精度为示值的±0.75%．1.2　试件制备和试验设计将木材首先加工成尺寸为270 mm×150 mm×15 mm(长×宽×厚)，在木板待胶合面的一端用保鲜膜附着，预制界面裂缝，如图1所示．再在另一块木材待胶合面手工涂布PRF胶黏剂，涂胶量为350 g/m2(单面)，涂胶后将两块木材组坯后，室温环境下(20 ℃)在1.0 MPa压力下固定4 h．卸压后取出胶合后的试件，所有试件均在20 ℃和65%相对湿度环境中养护2周直至达到平衡状态，最后根据文献[4]和文献[14]的研究，将试件裁成尺寸为270 mm×20 mm×30 mm(长×宽×厚)，再进行加热和断裂能测试．10.13245/j.hust.210414.F001图1剪切型界面断裂能试件加载方式及尺寸(mm)木材达到炭化温度280 ℃后顺纹抗压强度降至初始值的23%，且受热时间对力学性能的影响较小[6]．为研究高温对木材-胶黏剂界面断裂能的影响，试验设定20，100，150，200和250 ℃等共计5个温度．每个工况下重复试件8个，共计120个试件．界面剪切断裂能测试参照文献[4，14]，试件跨距为240 mm，采用跨中集中加载的方式进行．界面剪切断裂能试验前，先将环境箱内温度升至指定温度并稳定，再持续通入氮气，最后放入试件．每个温度下同时放置2个温度试件和8个断裂能试件，温度试件中心位置埋置K型热电偶检测其温度变化．当达到预定温度时开始加载，以位移控制加载速度，加载速度为5 mm·min-1，加载至试件破坏．自试件受热起，到力学性能试验完成，均在环境箱内完成．2 试验结果及分析2.1　界面破坏模式高温下断裂能试件的破坏模式见图2．在试验温度范围内，PRF胶缝界面性能较好，说明PRF胶黏剂及其与木材形成的界面具有良好的耐高温性能，这与前期研究结果一致[15-16]．断裂能试件的破坏模式均为胶缝界面两侧木材破坏，且破坏均发生在早晚材交界处的早材区域．这是由于相对于晚材细胞，木材早材细胞腔大壁薄，力学性能相对较低导致[17]．当温度不高于150 ℃时，在荷载作用下裂缝扩展至胶缝两侧木材处破坏，破坏表面，木破率高；当温度高于200 ℃时，预设裂纹尖端处，木破率略有降低，但仍为木材破坏．这是由于相对于中低温度，更高温度对木材和胶黏剂性能的劣化作用更强，胶黏剂热导系数较木材高[18]，其受高温作用的时间相对更长，热解程度更大．10.13245/j.hust.210414.F002图2典型温度下断裂能试件破坏模式2.2　荷载-位移曲线断裂能试件在不同温度下的荷载-跨中位移曲线如图3所示，图中：P为荷载；δ为跨中位移．含有初始界面缺陷试件的P-δ曲线变化规律大致相同：随着荷载的增加，胶缝界面裂缝萌生，之后裂纹尖端沿试件长度方向扩展，直至破坏．随着温度的升高，胶黏剂和木材受热降解，胶缝界面和木材抗剪强度降低，裂纹尖端扩展速度增加，试件的极限承载力整体呈降低趋势，如图3所示．10.13245/j.hust.210414.F003图3高温中不同木材-PRF界面试件荷载-位移曲线由于PRF胶黏剂中含有活性较高的间苯二酚，因此能够在室温固化[19]，但PRF胶黏剂中所含的酚醛树脂在135~150 ℃才能完成充分固化[7,19]，因此本研究中PRF胶黏剂在室温条件下养护后，仍残存无法在较低温度下全部固化的活性基团．当环境温度升至150 ℃时，PRF胶黏剂进一步固化，木材-胶黏剂胶缝界面性能提高，因此试件的P-δ曲线曲线斜率高于100 ℃时的曲线斜率．含水率相近的木材，其力学性能主要取决于密度，并与密度呈正相关关系[20]；而具有较高密度的木材，高温中强度保持率相对较高[21]．由于PRF胶黏剂的耐高温性能优于木材[15]，因此高温条件下，含有初始胶缝界面缺陷的试件，其性能主要受制于木材．密度相对较低的杨木和花旗松当温度高于150 ℃时，其断裂能试件的破坏位移明显降低，见图3(a)和(b)，而密度较高的落叶松受高温影响较小，其断裂能试件的破坏位移相对稳定，见图3(c)．当温度在200 ℃以下时，不同树种断裂能试件的荷载-位移曲线均表现出非线性特征，这是由于20~100 ℃时木材中水分的增塑作用，以及100~200 ℃时PRF胶黏剂受热软化所致；当温度达到250 ℃时，木材含水率降至0，木材和胶黏剂热解[16]，试件由弹塑性转变为硬脆性，因此其荷载-位移曲线呈线性变化．2.3　界面断裂能计算根据文献[4]，胶合木中胶缝界面的剪切型断裂能可通过柔度校正法进行计算，即G∐c=[P2/(2B)](dC/da), (1)式中：B为试件宽度；C为柔度，即C=δ/P；a为裂缝长度．文献[22]提出了考虑剪切影响的断裂能柔度表达式，即C=(2L3+3ae3)/(8E1Bh3)+3L/(10GBh), (2)式中：L为1/2跨距；E1为抗弯弹性模量；h为层板厚度；G为剪切模量．等效裂缝长度可通过柔度C得到，即ae=(8E1Bh3CC/3-2L3/3)1/3, (3)式中CC=C-3L/(10G13Bh).联合式(1)和(2)，可以得到剪切断裂能的计算公式，即G∐c=9P2ae2/(16B2E1h3).通过计算初始柔度C0和初始裂缝长度a0来获得当前的弯曲模量E1a，有E1a=(3a03+2L3)/(8Bh3C0). (4)结合式(3)和式(4)，可得ae=[CCa03/C0+2(CC-C0)L3/(3C0)]1/3. (5)将式(4)和(5)代入式(1)，最终可得G∐c=9P2C02B(3a03+2L3)CCa03C0+2(Cc-C0)L33C02/3. (6)式(6)表明由柔度和剪切模量可得到剪切断裂能．式(2)表明G对结果影响甚小[4]，为便于计算，三种木材-PRF的G取相同数值．根据文献[23]，按照BS EN 1995-1-2：2004[24]，温度为20，100，150，200和250 ℃时的G分别为800，320，240，160和80 MPa，温度t对木材-PRF胶缝界面断裂能的影响如图4所示．10.13245/j.hust.210414.F004图4高温中木材-PRF界面断裂能图4表明：不同树种的木材-PRF胶缝界面断裂能除100 ℃时略有增加外，均随着温度的提高呈降低趋势．在室温条件下，杨木-PRF、花旗松-PRF和落叶松-PRF胶缝界面的断裂能分别为4.68，5.05，5.37 N·mm-1．当温度升至100 ℃时，其断裂能较初始值分别增加7.2%，6.6%，14.8%．在该温度下，木材和胶黏剂均未发生热解，且木材内仍含有的水分具有增塑作用，木材和PRF胶黏剂受热软化，延性增加(见图3)，使试件在荷载作用下其裂纹尖端产生较大塑形变形．当150 ℃时，花旗松-PRF和落叶松-PRF胶缝界面的断裂能较初始值分别降低21.4%和16.8%，而杨木-PRF试件则降低33.4%；当温度达到250 ℃时，杨木-PRF、花旗松-PRF和落叶松-PRF胶缝界面的断裂能分别降至0.44，0.46，1.63 N·mm-1．当温度达到或高于150 ℃时，不同木材胶缝界面剪切断裂能有较大区别，落叶松试件相对较高，花旗松居中，杨木最低，尤其是当温度高于150 ℃时，杨木-PRF界面剪切断裂能快速降低，这主要由杨木较低的耐热性能导致，该现象与杨木-PRF胶缝在高温中剪切强度下降相对较快的结果一致[15]．3 结论a. 除当150 ℃时由于PRF胶黏剂进一步固化、木材-胶黏剂胶缝界面性能增加导致试件的极限承载力略有提高外，随着温度的升高，试件极限承载力整体呈降低趋势．b. 木材密度对断裂能试件破坏位移有较大影响，当温度高于150 ℃时，密度较低的杨木和花旗松-PRF胶缝界面断裂能试件的破坏位移下降明显，密度较高的落叶松-PRF胶缝界面的位移相对稳定．c. 当温度为20 ℃~250 ℃时，杨木-PRF、花旗松-PRF和落叶松-PRF界面剪切断裂能随温度的提高整体呈降低趋势．常温下三种木材-PRF界面剪切断裂能分别为4.68，5.05，5.37 N·mm-1；当100 ℃时，断裂能较初始值增加6.6%~14.8%；当250 ℃时，三种木材-PRF界面剪切断裂能分别降至0.44，0.46，1.63 N·mm-1．