CFRP????????????? by wA7VNT61

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									                                           CFRP 與木構件介面黏著效果之研究   1




      CFRP 與木構件介面黏著效果之研究
    A Study on the Interface Adhesive Effect
     between CFRP and Wooden Member
                    謝耀明                   李有豐*
                 Xie, Yao-Ming        Li, Yeou-Fong*

                  國立臺北科技大學土木工程系

                    周惠娟                  蔡明哲
                Chou, Hui-Chuan       Tsai, Ming-Jer

                     國立臺灣大學森林學系

                             摘要

  本文探討木構件補強作業中所使用環氧樹脂膠合劑對碳纖維強化高分子複合材料(Carbon

Fiber Reinforced Plastic, CFRP)與杉木間之膠合效果。本研究共使用了 48 個試體,以不同膠量

做為實驗變因,並藉由拉拔試驗及浸漬剝離試驗與煮沸剝離試驗,來了解 CFRP 與杉木膠合後

其界面破壞之力學模式以及耐久性,進而推求 CFRP 補強作業之適當用膠量與最佳補強工法。

經由拉拔試驗結果顯示,CFRP 與杉木貼覆後之複合物的破壞模式皆為被膠材破壞,顯示環氧

樹脂是適用於 CFRP 與杉木的膠合用膠;在 CFRP 的纖維方向與構件的木理方向貼覆的變異性對

拉拔強度之影響並不顯著,膠塗佈量以 0.25 kg/m2 為適當之佈膠量,可供為後續補強作業最佳

模式之依據。浸漬剝離試驗及煮沸剝離試驗結果顯示,CFRP 與木構材貼覆後之複合物均無剝



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離的現象發生,具有耐久性之特點。


關鍵詞:木構件、碳纖維強化高分子複合材料、浸水剝離測試、煮沸剝離測試、拉拔測試。

投稿受理時間:91 年 3 月 24 日                                               審查通過時間:91 年 5 月 20 日


                                          ABSTRACT

     This paper discusses the interface of adhesive effect between carbon fiber reinforced plastic
(CFRP) and the wooden member. Total of 48 specimens were tested in the pull out test, soak
delaminating test, and boiled delaminating test, respectively. The pull out test results showed that
the failure mode of specimens was inside the body of wooden member, instead of the interface
between the CFRP and wooden member.             It was also shown the effect of the orientation of CFRP
on the bonding strength and on the failure mode was not significant. The optimum epoxy resin
quantity of 0.25 kg/m2 was investigated in our study.        From the soak delaminating test and boiled
delaminating test results, the interface of the CFRP and wooden member do not delaminate; therefore
we could verify the CFRP composite was quite durable in the in-site repair work.

Keywords : wooden member, carbon fiber reinforced plastic, pull out test, soak delaminating test,
           boiled delaminating test.


                  壹、緒論                                 下,對於國內古蹟結構性木構件遭受侵蝕損壞
                                                       之修護補強,乃是防震重點之一。

    台灣位於歐亞大陸板塊東南緣與菲律賓                                     台灣的古蹟及歷史建築中屬於木構造的

板塊交界處,故其地層活動相當活躍,地震因                                   建築物約有六成以上,但是受到高溫高濕的海

而頻繁密集,規模大時甚至會造成嚴重災害。                                   島型氣候及維護觀念普遍缺乏的影響,常會發

以 1999 年發生芮氏規模 7.3 之集集大地震為                             生嚴重的腐蝕侵害,使木構材的承載力及耐久

例,該地震對於建築物的損壞相當嚴重,其中                                   性縮減,且古蹟及歷史建築具有歷史、文化、

包含相當多具有歷史、文化、藝術價值的古蹟                                   藝術價值,不可任意替換原材料,因此就文化

及歷史建築。所幸政府在震後對於文化資產保                                   資產保存法的精神,對古蹟及歷史建築解決安

存法進行修正及增訂,其中不但對於歷史建築                                   全性問題最經濟的方法即是對其加以補強,以

列入保護,並修訂古蹟的修復在不損及原有風                                   保存其價值。

貌之前提下,必要時得採用現代科技與工法,                                      補強是當古蹟及歷史建築構材強度不足

以增加其防震、防災、防蛀等機能。因此,在                                   以應付未來的危險時,需在構件中置入添加

顧及古蹟與歷史建築之原有風貌與安全性                                     物、使用黏著物或導入支撐材,以確保其受力

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後不會毀壞及持續的耐久性或結構的原樣                                乳 狀 聚 合 甲 酯 (Emulsion Polymer Isocyanate,
[1]。補強可分為構件的補強與結構系統的補                             EPI)等三種膠合劑將 FRP 與木材膠合,並進行
強。構件的補強是在構件上加上木材、金屬、                              剪力強度之檢測,結果顯示,使用 RF 和 Epoxy
或使用玻璃纖維、碳纖維及合成樹脂等現代化                              者可以產生較大的剪力強度,而在潮濕的狀況
材料進行補強,而結構系統的補強即是在建築                              下只有 RF 可以產生較大效能,且心材較邊材
物整體加入斜撐或插入水平材等的補強[2]。                             可產生較大的膠合剪力強度。
    本文探討為採用碳纖維強化高分子複合                                 CFRP 是 由 碳 纖 維 及 環 氧 樹 脂 ( Epoxy
材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)         Resin)在常溫常壓下形成,使用 CFRP 補強之
作為木構件補強材料之適用性,初步探究 CFRP                           優點為質輕、強度高、彈性好、耐腐蝕性強、
與木材貼覆之最適膠合量以及貼覆之耐久性。                              剪裁及施工容易等,且目前國內將 CFRP 使用
    以往在 FRP 應用於木質材料補強之研究                          於木構材補強的研究報告付之闕如,但是過去
甚少,黃耀富、江吉龍[3]曾以木材粒片與無機                            在混凝土之補強上,有相當好之效果,因此若
纖維織布複合製板,各成板之比靜曲破壞模                               採用此材料於木構件補強,且能達良好的補強
數、比靜曲彈性模數、內聚強度及木螺絲保持                              效果,可供國內古蹟及歷史建築災後重建之補
力等性質均隨結構複合織布層數的增加而提                               強參考。本實驗擬先針對碳纖維與木材的貼覆
高,且以碳纖維織布複合者優於以玻璃纖維織                              效果進行評估,因為貼覆效果為確保補強效果
布複合者; Tang 與 Adams[4]曾對電線桿木料施                     之重要因素,所以若能尋找出最適當的貼覆條
以 GFRP(Glass Fiber Reinforcement Plastic)的        件,可作為日後進行各種補強強度試驗或耐久
圍束補強處理,結果顯示有包覆 GFRP 的電線                           性試驗之依據。
桿較未包覆的木桿在極限彎矩方面增加 40%;
Spaun[5]也以 GFRP 對西部鐵杉當作蕊材                                     貳、研究方法
(Core)時進行上下面貼片處理,再以花旗松
單板貼在上下面製成複合材料,結果顯示,以                                  本文之研究方法係將經 CFRP 補強後之試
相對少量的 GFRP 即能提高彎曲構件勁度,同
時 GFRP 貼面與酚膠(Phenol-Resorcinol Resin)
的膠合效應增加了複合板材的指接品質;
Boehme[6-7]等人以 GFRP 貼面處理粒片板與
合板,獲致在彎曲強度與勁度、引張強度與壓
縮強度的顯著增加;Wangaard[8]與 Biblis[9]則
使用環氧樹脂為膠合劑,膠黏 GFRP 於不同材
種的蕊板兩面,彎曲彈性係數增加 20%-50%;
Gardner 等人[10]以樹脂酚甲醛(Resorcinol-
Formaldehyde, RF)、環氧樹脂(Epoxy Resin)及
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材分別進行拉拔試驗、浸漬剝離試驗及煮沸剝                      材,將補強後之試材表面貼覆大小為 4 cm×4
離試驗,其目的在評估 CFRP 與杉木於不同環                   cm(長×寬)之鐵塊(圖 1),採用混合比例 1:1
境下之貼覆效果。本實驗共規劃 12 組試材進                    之強力接著劑作為黏著劑,再以切割機延著鐵
行拉拔試驗,為探討不同佈膠量及碳纖維貼片                      塊四周裁切,使形成凹槽,俟後以建研式接著
之不同貼覆角度對於木構材之拉拔強度的影                       力試驗器 LPT-3000 型(圖 2)進行拉拔試驗,
響,底漆及積層樹脂 G 組~I 組塗佈量為 0.3                              ,最後以公式(1)算
                                          得到拉拔強度值 F(kgf)
kg/m ,J 組~L 組塗佈量為 0.25 kg/m ,M 組~O
    2                     2
                                                         。就不同碳纖維貼片
                                          出拉拔應力值 (kgf/cm2)
               ,
組塗佈量為 0.20 kg/m2 P 組~R 組塗佈量為 0.15         之纖維貼覆角度、不同的底漆及積層樹脂塗佈
kg/m ,碳纖維貼片之纖維方向以 0°、45°、90
    2
                                          量與拉拔平均應力值,以 SAS 統計軟體進行相
°對杉木試材進行貼覆,每組試材重覆四個試                      關性分析,並就不同之木材密度及拉拔平均應
體,實驗規劃表如表 1 所示,以下詳細介紹本                    力強度進行迴歸分析。
文之研究內容:
                                                             F
一、拉拔實驗                                                                (1)
                                                             A
    CFRP 與杉木貼覆完成後,參考 CNS11053
                                          註 1:式(1)之 A(cm2)為拉拔鐵塊之面積
「粗糙水泥表面飾面噴髹材料檢驗法」之國家
標準有關附著強度試驗修正後應用於木構

                          表1       實驗試體規劃表

                         碳纖維
         組別      試體數量              底漆塗佈量(kg/m2)積層樹脂塗佈量(kg/m2)
                        貼覆角度
    G「PCE」        4           0°
    H「CCE」        4       45°               0.30                 0.30
        I「VCE」    4       90°
        J「PCE」    4           0°
    K「CCE」        4       45°               0.25                 0.25
    L「CCE」        4       90°
    M「PCE」        4           0°
    N「CCE」        4       45°               0.20                 0.20
    O「CCE」        4       90°
        P「PCE」    4           0°
                                            0.15                 0.15
    Q「CCE」        4       45°

                                     90
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     R「CCE」   4      90°



二、浸漬剝離試驗
                                                 參、實驗方法

  CFRP 與杉木貼覆且養護完成後,參考                     實驗所用之材料包含木材、底漆(Primer)、
CNS11031「結構用集成材」之國家標準中有關               環氧樹脂、碳纖維與拉拔鐵塊界面用膠,下列
加速劣化試驗修改後試驗步驟如下:自各試樣                   就前述幾種材料以及 CFRP 貼覆施工流程分別
裁取 6 cm×6 cm×4 cm 之試塊,將試塊浸漬於           詳述之:
室溫 10℃~25℃之水中 24 小時後,放入 70±3
℃之恆溫乾燥器中,乾燥 24 小時以上。剝離                 一、木材備置
率(%)由公式(2)可求出。若無剝離現象,                     本實驗採用的木材為杉木(俗稱福州杉,
則重複上述試驗步驟一次。                           學名:Cunninghamia lanceolata),為國內古蹟及
                                       歷史建築常用材種;首先將試材尺寸裁切為 48
        兩橫切面之剝離長度之合計
剝離率=                       (2)        cm×8 cm×4 cm(長×寬×厚,見圖 3),置於恆
       兩橫切面之膠合層之長度合計                   溫恆濕箱內,以溫度 20℃、相對濕度 65%加
                                       以調濕至試材達到恆重,取出後進行 CFRP 補
                                       強工程。
三、煮沸剝離試驗
                                       二、纖維強化高分子複合材料(CFRP)性質
  CFRP 與杉木貼覆且養護完成後,參考
CNS11031「結構用集成材」之國家標準中有關                  碳纖維強化高分子複合材料(CFRP,見圖
加速劣化試驗修改後試驗步驟如下:自各試樣                   4)有三個基本成份:碳纖維(Carbon Fiber)、基
裁取 6 cm×6 cm×4 cm 之試塊,將試塊浸漬於           材(Matrix)及纖維-基材之界面(Interface)等。
沸水 4 小時後,在室溫 10℃~25℃之水中浸漬              碳纖維為強化材料,使 CFRP 材料具有很高的
1 小時,取出置入 70±3℃之恆溫乾燥器中,乾               強度和彈性係數,且使 CFRP 材料承受應力時
燥 24 小時以上。剝離率(%)由公式(2)可                不致於彎曲或破壞;碳纖維強化材料是決定
求出。若無剝離現象,則重複上述試驗步驟一                   CFRP 材料機械性能的主要因素,碳纖維強化
次。                                     材料於 CFRP 材料中之功能綜合歸納成下列五
                                       點:(a) 承受主要負載;(b) 限制微裂紋延伸;
                                       (c) 提高材料強度與剛性;(d) 改善材料抗疲

註2:式(2)為剝離長度之測定;在測定之際,木構
                                       勞,抗潛變性能;與(e) 提高材料使用壽命與可
                                       靠性。
材本身乾裂與節等所引起之破壞不視為剝離。                      CFRP 材料必須證實其製造過程是經過嚴

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謹的品質控制,製造商需通過 ISO 9000 系列認              荷能夠很順利的由基材傳送到纖維(強化材
證或是同等級之認證標準,以確保補強材料符                    料)。
合規範需求。材料試驗必須經過認證合格(ISO
                                        三、拉拔實驗之杉木及 CFRP 界面用膠
9000 系列或同等級 CNLA 之認證)之實驗室測
試。本研究 CFRP 所採用的規格如表 2 所示。                 CFRP 與拉拔鐵塊界面用膠是採用主劑和
基材(Matrix)最主要的功能是傳送應力或分散                硬化劑之配比為 1:1 之青紅膠,此類的膠有硬
應力到每根纖維中,且使纖維固定在所需要的                    化速度快且有高強度的聚合力,能夠提供足夠
排列方向,基材亦可以保護纖維免受到摩擦或                    之聚合強度,以利拉拔實驗之進行,達到預期
侵蝕,同時基材也可結合纖維,使複合材料受                    之破壞。
應力時不致於破壞或變形。基材的性質是決定
                                        四、CFRP 貼覆木構材施工流程
纖維複合材料最高使用溫度、電氣特性、化學
性質之主要因素。大部份的高分子化合物,熱                      本實驗參考工法為工研院工業材料研究
固性樹脂、室溫硬化樹脂或熱塑性塑膠,均可                    所參照國外的補強工法、經驗以及國內成功案
加入纖維強化材料使其性能增加,最常用之熱                    例之經驗歸納後,所研發之碳纖維貼片補強混
固性樹脂為不飽和聚酯(Unsaturated Polyester        凝土結構物之規範,此工法應用於木構件時,
                       。
Resin)和環氧樹脂(Epoxy Resin) 底漆及積層樹         稍做變化,其步驟如下:
脂的規格性質如表 3 及表 4 所示。纖維-基材                (一)、準備工作
的界面是決定複合材料使用壽命之重要因                        試驗前各種材料及工具之準備,使用之材
素,在界面處具有很高的局部應力,纖維複合                    料包括杉木                、CFRP 貼片、
                                             (48 cm×8 cm×4 cm)
材料可能從界面處先被破壞,故纖維-基材界                    砂紙、底漆及積層樹脂等,使用工具包括剪
面必須具有良好的物理和化學性質,以便使負                    刀、毛刷、滾筒等,如圖 5 所示。

                  表2   碳纖維貼片測試項目規範及規格值

                  品    名                   MRL-T7-250      測試規範
        單位面積重量(g/m2)                           250         CNS13062
        抗張強度(kgf/cm/ply)                       560         CNS13555
        抗張係數(kgf/cm/ply)                      32300        CNS13555
        設計抗張強度(kgf/mm2)                        490            -
        設計抗張係數(kgf/mm2)                       23500           -
        設計厚度(mm/ply)                              0.1375      -
        伸長率(%)                                    1.7      CNS13555


                                   92
                                CFRP 與木構件介面黏著效果之研究


貼片幅寬(cm)                          40              -
紗束(細絲)                         12000              -
比重                                 1.95           -
纖維直徑(μm)                           7              -


   表 3 底漆測試項目規範及規格值(主劑:硬化劑 = 100:35)

      項   目        測試規範                   規格值


      材   質                       室溫硬化型環氧樹脂


 混合後初黏度(25℃)       CNS13065            600-1300 cps


  可操作時間(25℃)      溫度上升法                 60-120 min.


  接著強度(乾燥表面)       CNS11053     >20 kgf/cm2 (混凝土破壞)



 表4   積層樹脂測試項目規範及規格值(主劑:硬化劑 = 100:35)

          項 目                 測試規範             規格值


可操作時間(25℃)                    溫度上升法          60-120 min.


混合後初黏度(25℃)                   CNS13065      900-3000 cps


抗張強度 25℃、RH 65%硬化 7 天         CNS4396       >400 kgf/cm2


抗張係數 25℃、RH 65%硬化 7 天         CNS4396      >30000 kgf/cm2


彎曲強度 25℃、RH 65%硬化 7 天         CNS4392       >800 kgf/cm2




                        93
  臺北科技大學學報第三十五之二期                                                              7



        剪切強度 25℃、RH 65%硬化 7 天              CNS5606     >100 kgf/cm2




                                            不需磨成圓弧角。
三、拉拔實驗之杉木及 CFRP 界面用膠
                                     (三)、底漆(Primer)工程
  CFRP 與拉拔鐵塊界面用膠是採用主劑和                  底漆工程係採用工研院所研發生產之
硬化劑之配比為 1:1 之青紅膠,此類的膠有               MRL-A2 底漆主劑及 MRL-B2 環氧樹脂硬化
硬化速度快且有高強度的聚合力,能夠提供足                 劑,主劑:硬化劑配比為 100:35,以塗佈量
夠之聚合強度,以利拉拔實驗之進行,達到預                 0.30 kg/m2、0.25 kg/m2、0.20 kg/m2、0.15 kg/m2
期之破壞。                                進行底漆工程(圖 7)。
                                     (四)、CFRP 補強貼覆工程
四、CFRP 貼覆木構材施工流程
                                           本研究 CFRP 補強貼覆工程係採用工研院
  本實驗參考工法為工研院工業材料研究                  所 研 發 生 產 之 MRL-A3 基 層 樹 脂 主 劑 及
所參照國外的補強工法、經驗以及國內成功案                 MRL-B2 環氧樹脂硬化劑,主劑:硬化劑配比
例之經驗歸納後,所研發之碳纖維貼片補強混                 為 100:35,以塗佈量 0.30 kg/m2、0.25 kg/m2、
凝土結構物之規範,此工法應用於木構件時,                 0.20 kg/m2、0.15 kg/m2 將碳纖維貼片以與木材
稍做變化,其步驟如下:                               、
                                     纖維成 0° 45°及 90°三種方向貼覆於試材上(圖
(一)、準備工作                             8)。
  試驗前各種材料及工具之準備,使用之材                 (五)、養護工程
料包括杉木                、CFRP 貼片、
     (48 cm×8 cm×4 cm)                     室外施工時為不使雨水、砂、灰塵等附著
砂紙、底漆及積層樹脂等,使用工具包括剪                  於貼片上,須使用塑膠布養護。溫度 20℃時須
刀、毛刷、滾筒等,如圖 5 所示。                    養護 1 週,溫度 10℃時須養護 2 週;平均溫度
(二)、底層(面層)處理                         在 20℃以上,初期硬化養護時間約 1 天(圖 9)。
   (1)使用砂紙或磨光機將木材表面的劣
     化層除去(如圖 6)。                              肆、實驗結果與討論
   (2)研磨完後以毛刷或高壓空氣鎗將粉
     塵及已鬆動的物質去除掉。                          為了解 CFRP 與杉木貼覆後的複合物耐久
   (3)若補強施工之構件為具有銳利的隅                性能,本文以拉拔試驗後複合物的破壞型態來
     角時,必須將其磨成圓弧 R 角,以               加以研判,探討 CFRP 採用環氧樹脂貼覆在杉
     免圍束時造成應力集中而降低補強                 木應用上的適用性。另外,以浸漬剝離試驗及
     效果,但若補強位置僅為單面時可
                                94
8                                     CFRP 與木構件介面黏著效果之研究


煮沸剝離試驗來探討 CFRP 與杉木膠合後,加        膠合結果,示意圖如圖 12 所示。
速劣化之性質,下列就前述的三種實驗結果分           (二)、拉拔實驗結果
別詳述之。                             本研究利用建研式拉拔機,來測試木材與
                               CFRP 接著的應力,並探究環氧樹脂是否適用
一、拉拔試驗
                               於 CFRP 與木材界面的基材。本研究以底漆及
(一)、膠合破壞模式                     積 層 樹 脂 塗 佈 量 分 別 為 0.30 kg/m2 、 0.25
    當膠合體受到外力的作用而產生破壞           kg/m2、0.20 kg/m2、0.15 kg/m2 將碳纖維貼片以
時,其膠合強度的大小受膠合力(即膠合劑和被          與木材纖維成 0°與 45°及 90°之角度貼覆於木
膠合材的界面間力)和凝聚力(即膠合劑本身的          材上後(圖 13~圖 15),進行拉拔試驗。在底漆
凝聚強度)以及其他因子所共同支配。一般而           與積層樹脂塗佈量為 0.30 kg/m2 時的平均拉拔
言,膠合劑的凝聚強度太大時雖其本身有足夠           應力介於 17.25~21.50 kgf/cm2 之間;底漆與積
的強度;但卻不易濕潤材面,而聚凝強度過低,          層樹脂塗佈量為 0.25 kg/m2 時的平均拉拔應力
雖易於濕潤材面但卻缺乏足夠的強度而均無            介於 16.93~25.63 kgf/cm2 之間;底漆與積層樹
法得到良好的膠合結果,可由其破壞的形式判           脂塗佈量為 0.20 kg/m2 時的平均拉拔應力介於
斷膠合工程的良窳。                      19.15~21.77 kgf/cm2 之間; 底漆與積層樹脂塗
    膠合破壞分為凝聚破壞、界面破壞、及被         佈量為 0.15 kg/m2 時的平均拉拔應力介於 16.34
膠材破壞。凝聚破壞是由於膠合劑本身的凝聚           ~18.28 kgf/cm2 之間(在 CNS11053 國家標準進
強度不足,當膠合結構受到外力作用時即由膠           行的接著強度測試,混凝土拉拔應力值為大於
合劑層產生剝離破壞的現象,應改良膠合劑的           20 kgf/cm2),木構材與 CFRP 複合物拉拔試驗
性質以提高凝聚強度,其示意圖如圖 10 所示。        測試之破壞模式皆為被膠材破壞模式,測試結
界面破壞乃膠合劑和被膠合材間的剝離,受其           果如表 5 所示。
二者間的結合力量所支配,若一膠合劑對某一              針對不同之碳纖維貼片之纖維貼覆角度
膠合材之親和性不良或膠凝聚力太大時則易            及不同底漆及積層樹脂塗佈量與拉拔平均應
產生此種形式之破壞,和凝聚破壞同屬於不良           力值以 SAS 統計軟體進行相關性分析,分析結
的膠合結果,可設法以物理或化學方法改善被           果如表 6、表 7 所示,其中 TREAT 1 是以不同
膠合材的表面性質,以提高其親和性或改變膠           碳纖維貼覆角度與拉拔應力值進行分析,結果
合劑的性質,如降低黏度或其它化學結構以增           顯示,不同之碳纖維貼覆角度對於拉拔應力強
加界面間的引力;其他如膠合劑操作時,膠合           度並無顯著相關性;TREAT 2 是以不同底漆及
劑各組成份的調配比例、佈膠量、堆積時間、           積層樹脂的塗佈量與拉拔應力值進行分析,結
熱壓溫度、壓力大小、加壓時間等若不正確亦           果顯示,不同底漆及積層樹脂的塗佈量與拉拔
會產生此二種破壞,示意圖如圖 11 所示。而被        應力強度並無顯著相關性。
膠合材破壞乃破壞部位發生被膠合材本身,即              另外針對木材密度(D)與拉拔平均應力值
膠合強度大於膠合力及膠凝聚力,為一良好的           (  )進行進行迴歸分析,結果如圖 16 所示,拉
                          95
       臺北科技大學學報第三十五之二期                   9


拔平均應力值會隨貼覆前木材密度的增加而
增大,兩者之間可求出其之迴歸方程式
P=51.735D-1.6846,且由判定係數 R2 =0.535
與 F 值(50.6276)可知,拉拔平均應力與木材密
度有顯著相關性。

二、浸漬剝離試驗

       本部分試驗分別取塗佈量為 0.30 kg/m2、
不同的碳纖維貼覆角度之試塊三塊(6 cm×6
       ,進行二次浸漬剝離試驗,其試驗結
cm×4 cm)
果(表 8)顯示同一試塊經二次浸漬剝離試驗
後完全無剝離現象產生(圖 17)。

三、煮沸剝離試驗

       本部分試驗分別取塗佈量為 0.30 kg/m2、
不同的碳纖維貼覆角度之試塊三塊(6 cm×6
       ,進行二次浸漬剝離試驗,其試驗結
cm×4 cm)
果(表 9)顯示同一試塊經二次煮沸剝離試驗
後完全無剝離現象產生(圖 18)。




註 3
       由迴歸所解釋的變異
F 
        未被解釋的變異
 2     巳解釋的平方和
R 
         總平方和
                                    96
                                     CFRP 與木構件介面黏著效果之研究



         表5   不同碳纖維貼覆角度及塗佈量組合之拉拔試驗結果

          碳纖維       底漆塗佈量          積層樹脂塗佈量    平均拉拔應力值
 組別
         貼覆角度       (kg/m2)         (kg/m2)   (kgf/cm2)


G「PCE」         0°                               18.07


H「CCE」        45°     0.30            0.30      21.50


I「VCE」        90°                               17.25


J「PCE」         0°                               16.93


K「CCE」        45°     0.25            0.25      22.56


L「CCE」        90°                               25.63


M「PCE」         0°                               21.77


N「CCE」        45°     0.20            0.20      19.15


O「CCE」        90°                               20.08


P「PCE」         0°                               18.28


Q「CCE」        45°     0.15            0.15      18.13


R「CCE」        90°                               16.34



   表6    不同碳纖維貼覆角度及塗佈量組合之拉拔試驗相關性分析結果



                              97
10 臺北科技大學學報第三十五之二期



          變異來源         自由度(D.F) 平方和( SS) 均方值(M.S)                   F比值      P值

          TREAT1          2        33.9328        16.9664           0.59   0.5576
          TREAT2          3        90.6589        30.2196           1.06   0.3792
     TREAT1×TREAT2        6        128.6496       21.4416           0.75   0.6132

                                            平方和( S .S )             TREAT 1或TREAT 2的變異數
註 4:自由度=(n-1),其中 n=實驗變因;均方值 ( M .S )                     ; F值 
                                          自由度 ( D.F )                  不可解釋的變異數

                       ,                 ,
P 值:假如 P 值大於 0.05 之誤差水準 則實驗變因呈不顯著相關的現象;反之 實驗變因呈顯著相關之現象。



   表7     拉拔試驗結果分析差異比較表
                                              碳纖維                   浸漬剝離試驗結果
  差異比較 塗佈量(kg/m2)        貼覆角度(°)
                                              貼覆角 編號
     A                        0                                     第一次       第二次
     A          0.15          90                度
     A                        45
                                                           A
     A                        0
                                                0°         B    無剝離現象 無剝離現象
     A          0.20          90
                                                           C
     A                        45
                                                           A
     A                        0
     A          0.25          90
                                                45°        B   無剝離現象 無剝離現象
                                                           C
     A                        45
                                                           A
     A                        0
                                                90°        B    無剝離現象 無剝離現象
     A          0.30          90
                                                           C
     A                        45
                                                表9        塗佈量為 0.30 kg/m2 之試材
註 5:塗佈量與貼覆角度分析結果皆為 A,代表著
                                                          煮沸剝離試驗結果
塗佈量與貼覆角度無顯著相關性;反之,若符號分
別為 A、B、C 則代表塗佈量與貼覆角度成顯著                       碳纖維 編號                煮沸剝離試驗結果
相關性。

         表 8 塗佈量為 0.3 kg/m2 之
             試材浸漬剝離試驗結果

                                       98
                                                   CFRP 與木構件介面黏著效果之研究


                                              木構材之角度變異性經由統計分析後,呈現
  貼覆角
                                              無顯著相關性,探究其原因為拉拔測試之破
                 第一次       第二次
   度                                          壞模式皆為被膠材破壞,也就是拉拔之破壞
                                              面不在 CFRP 與膠之介面,而是在木構材本
            A                                 身,而真正影響木構材拉拔強度的是杉木的
   0°       B   無剝離現象    無剝離現象                密度。經由統計分析結果發現,杉木密度與
            C
                                              拉拔平均應力強度有明顯相關性,拉拔強度
            A
                                              會隨杉木密度增加而增大。
   45°      B   無剝離現象 無剝離現象
                                             4. 杉木以底漆及積層樹脂(塗佈量 0.30 kg/m2)
            C
                                              貼覆碳纖維貼片,經 CNS11031 標準所進行
            A
                                              之浸水剝離試驗,剝離率計算結果顯示
   90°      B   無剝離現象    無剝離現象
                                              CFRP_木構件複合構材無剝離現象。
            C
                                             5. 杉木以底漆及積層樹脂(塗佈量 0.30 kg/m2)
                                              貼覆碳纖維貼片,經 CNS11031 之標準所進
                                              行之煮沸剝離試驗,剝離率計算結果顯示
            伍、結論與建議
                                              CFRP_木構件複合構材無剝離現象。

一、結論                                         二、建議

   本研究進行拉拔試驗、浸漬剝離試驗及煮                        1. CFRP 貼覆木構件施工過程中,環氧樹脂除
沸剝離試驗後,研究成果歸納如下                               了配比要正確之外,主劑以及硬化劑混合
1. 經由拉拔測試結果顯示,CFRP_木構件複合                      後,必須藉由機械攪拌器進行膠之拌合,若
 構材之破壞模式皆為被膠材破壞,究明                            用手動拌合膠合劑則會影響膠合性質,而導
 CFRP 可應用環氧樹脂當作貼覆木構材之膠                        致拉拔測試之破壞模式為凝聚破壞模式。
 合劑。杉木以 CFRP 補強後,進行拉拔試驗                      2. 拉拔測試所採用的底漆以及環氧樹脂佈膠
 所 得 之 平 均 拉 拔 應 力 為 16.34 ~ 25.63            量 分 別 為 0.30 kg/m2 、 0.25 kg/m2 、 0.20
 kgf/cm2。                                     kg/m2、0.15 kg/m2,當佈膠量在 0.15 kg/m2
2. 以統計分析 0.30 kg/m2 、0.25 kg/m2 、0.20         時,有些試材會有缺膠的情況,而以
 kg/m2、0.15 kg/m2 不同環氧樹脂塗佈量之底                 0.20~0.25 kg/m2 佈膠量所得到的拉拔強度最
 漆及積層樹脂與拉拔平均應力之相關性,分                          佳,因此本研究建議在考量環氧樹脂不缺膠
 析結果顯示塗佈量與平均拉拔應力無顯著                           的情況下,採用 0.25 kg/m2 的環氧樹脂佈膠
 相關性。                                         量為 CFRP 貼覆木構材用佈膠量。
3. 拉拔測試之拉拔應力值與 CFRP 貼片貼覆在                    3. 本研究巳經究明 CFRP 貼片與木構材之膠合
                                              性質,往後亦可利用最佳之環氧樹脂塗佈量
                                        99
12 臺北科技大學學報第三十五之二期                                                                 11


 (0.25 kg/m2)於木構件之修複補強研究上。                 與玻璃纖維或碳纖維織布複合之成板
4. 雖然環氧樹脂適用當作木構材與 CFRP 貼片                  性質”,林產工業 16(2),第 231-248
 之膠合劑,而在一般實際的環境下,可能因                       頁。
 為高溫或者是高熱而導致膠合失敗,因此                  〔4〕 Tang, R. C. and S. F. Adams (1973),
 CFRP 貼片以環氧樹脂膠合在木構材之耐久                     “Applications of Reinforced Plastics for
 性有待進行更深入之探討。                              Laminated Transmission Poles,” Forest
5. 在補強作業過程中,可能會遇到 CFRP 表面                  Products Journal, 23(10): 42-46.
 必須進行彩繪的問題,建議往後的研究進行                 〔5〕 Spaun, F. D. (1981), “Reinforcement of
 披麻捉灰的方式或者是其它更好的工法來                        Wood with Fiberglass,” Forest Products
 進行彩繪可行性之研究。                               Journal, 31(4): 26-33.
6. 一般古蹟建築以及歷史建築木構架在其梁                〔6〕 Boehme, C. (1976), “Behavior under
 與柱內部可能因為腐蝕而導致木構件強度                        Load of GFK (Glass Fiber Reinforced
 損失,在不抽換木構件之條件下,建議以環                       Plastics)   Reinforced     Wood     Based
 氧樹脂灌注的方式或是採用碳纖維棒來進                        Materials,” Holz als Roh und Werkstoff,
 行修復補強。                                    34: 155-161.
              謝誌                     〔7〕 Boehme, C. and G. Schweiz (1974),
                                           “Load Bearing Behavior of a GFK (Glass

   本研究感謝行政院國家科學委員會提供研                      Fiber Reinforced Plastic) Sandwich,”

究經費(計劃編號為 NSC-89-2313-B-002-195) 使
                               ,           Holz als Roh und Werkstoff, 32: 250-256.

實驗能夠順利完成。                            〔8〕 Wangaard,        F.   F.   (1964),   “Elastic
                                           Deflection of Wood Fiberglass Composite
                                           Beams,” Forest Prod. J., 14(6): 256-260.
            參考文獻
                                     〔9〕 Biblis, E. J. (1965), “Analysis of Wood
                                           Fiberglass Composite Beams within and
            ,“古蹟與歷史建築的修
〔1〕 傅朝卿(2000)
                                           beyond the Elastic Region,” Forest Prod.
         「原台南州廳修復技術研討暨
     復倫理”,
                                           J., 15(2):81-88.
     研習資料彙編」,國立文化資產保存研
                                     〔10〕 Gardner, D. J., J. F. Davalos and U. M.
     究中心籌備處,第 67 頁。
                                           Munipalle (1994), “Adhesive Bonding of
〔2〕 伊原惠司(2000),“修理技法”,「原台
                                           Pultruded Fiber Reinforced Plastic to
     南州廳修復技術研討暨研習資料彙
                                           Wood,” Forest Products Journal, 44(5):
     編」,國立文化資產保存研究中心籌備
                                           62-66.
     處,第 250 頁。
                 ,
〔3〕 黃耀富、江吉龍(1997) “木材粒片

                                 100
                          CFRP 與木構件介面黏著效果之研究 13




 圖1   拉拔鐵塊           圖2   建研式接著力試驗器 LPT-3000 型




圖3   試驗所用之杉木              圖4   碳纖維複合材料-碳纖維




圖5   試驗材料及工具               圖6   表面不平整之修整

               101
14   臺北科技大學學報第三十五之二期




           圖7   上底漆                         圖8     CFRP 之裁剪


                                                    拉力P
                                                          拉拔用鐵塊

                                            凝聚破壞          CFRP




                                                                  杉木




          圖9    養護工程                        圖 10    凝聚破壞


                              拉力P
                                    拉拔用鐵塊

                       界面破壞         CFRP




                                             杉木




                       圖 11 界面破壞

                              102
                                                                   CFRP 與木構件介面黏著效果之研究 15




                    拉力P
                            拉拔用鐵塊
                                   CFRP
               杉木          被膠材破壞




                                                杉木




            圖 12    被膠材破壞                                        圖 13   CFRP 纖維平行木材紋理




圖 14 CFRP 纖維與木材紋理成 450                                           圖 15   CFRP 纖維垂直木材紋理

  拉拔平均應力
  (kgf/cm 2 )
 40
 35
 30
 25
 20
 15
 10
  5
                                                                                    木材密度
  0
                                                                                    (g/cm3)
      0.2            0.3                  0.4              0.5          0.6   0.7

                           圖 16 木材密度與平均拉拔應力之關係

                                                     103
16 臺北科技大學學報第三十五之二期




         圖 17   浸漬剝離試驗(其中左圖為正視圖,右圖為側視圖)




         圖 18   煮沸剝離試驗(其中左圖為正視圖,右圖為側視圖)




                        104

								
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