Effect of curing agent mixing on interfacial bond behavior of glued CFRP plate-steel plate at elevated temperature
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摘要: 针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足，研究了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混掺对纳米SiO2环氧胶黏剂玻璃转变温度及高温下基本力学性能的影响。按一定固化条件制作了30个胶黏剂拉伸试件、21个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-钢板双搭接试件，进行了高温及常温下的准静态拉伸试验、拉伸剪切试验，测试了相应胶黏剂的动态热机械性能，并与常用商品胶的耐热性能与力学性能进行比较，得到以下结论：随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低，断裂伸长率及应变能先增加后减小，缩胺105与聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2。随固化温度的升高，具有固化剂混掺较佳比例的胶黏剂的玻璃转变温度有所提升，综合技术与经济因素，推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO2环氧胶黏剂在环境温度20~70℃之间的拉伸强度及韧性均大大优于常用商品胶黏剂。基于推荐比例与推荐固化工艺的纳米SiO2胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头，在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段，承载能力(较采用单一缩胺105和单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件分别提升了104.03%、64.43%)和延性(为采用单一缩胺105固化剂的搭接试件的2.5倍以上)均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。胶黏剂在满足耐热性的同时，需尽可能提升其韧性，才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。相比于常用商品胶黏剂，研制的推荐胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头具有优越得多的承载能力和界面断裂能。Abstract: Aiming at the shortcoming that it is difficult for a single curing agent to simultaneously meet the requirements of heat resistance and toughness, the influence of the mixing of two curing agents (Condensationamine 105 with excellent heat resistance and amino-terminated polyoxypropylene D230 with good toughness) on the glass transition temperature Tg and basic mechanical properties of the nano-SiO2 epoxy adhesive at elevated temperature was analyzed. According to certain curing conditions, a total of 30 adhesive tensile test pieces and 21 carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate-steel double lap test pieces were fabricated, and quasi-static tensile tests and shear tensile tests were performed at elevated and room temperatures. The dynamic thermodynamic properties of the corresponding adhesives were tested and compared with the heat resistance and mechanical properties of commonly used commercial adhesives. The results show that the preferred ratio of the two curing agents of condensationamine 105 and amino-terminated polyoxypropylene D230 is 1∶2. With the increase of the curing temperature, the Tg of the adhesive with the preferred ratio of two mixed curing agent is increased. Based on comprehensive technical and economic factors, the recommended (preferred) curing condition is 90℃ for 2 h. The tensile strength and toughness of the nano-SiO2 epoxy adhesive with the recommended ratio and the recommended curing conditions between ambient temperature 20~70℃ are better than the commonly used commercial adhesives. The load-displacement curve of CFRP plate-steel lap joint based on nano-SiO2 adhesive with recommended ratio and recommended curing process has a yield section at the service temperature of 70℃, and the bearing capacity (Compared with the lap joint based on nano-SiO2 adhesive with a single condensationamine 105 and a single amino-terminated polyoxypropylene 230 curing agent, the bearing capacity of the lap joint has been increased by 104.03% and 64.43%, respectively) and ductility (It is more than 2.5 times of the lap joints using a single amine 105 curing agent) are greatly improved. The bond-slip constitutive can be simplified as a trilinear quadrilateral model at elevated temperature and room temperature. Under the premise of satisfying heat resistance, the toughness of the adhesive needs to be improved as much as possible to effectively enhance the bonded behavior of the CFRP-steel lap interface. The recommended adhesive-bonded CFRP plate-steel lap joint has much superior load-bearing capacity and interface fracture energy compared with commonly used commercial adhesives.
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粘贴碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构技术克服了传统加固方法[1-2](焊接、铆接或螺栓连接)的不足(对原有母材造成损伤)，能在结构尺寸和自重几乎不改变的前提下，有效地提高结构的强度和刚度，可适用于钢结构承载能力修复、疲劳修复、腐蚀修复和脆性修复等[3-4]。但土木工程结构在服役期内长期暴露在自然环境中，会受到环境温度变化、冻融及干湿热循环等因素影响[5]。有关研究表明，由于钢材的热特性，钢桥面夏季温度高达60℃左右(桥面铺装表面温度更高)，而用于结构加固的界面胶黏剂属于高分子聚合物，是对温度敏感的黏弹性材料，随温度升高，会出现玻璃转变区域。服役温度的变化会影响其物理性能、化学性能及力学性能等[6]，从而影响到CFRP加固钢结构的界面粘结性能。
目前，国内外学者对CFRP加固钢结构的界面性能的温度影响进行了一些研究[7]，但尚处于探索阶段，多基于常用商品胶黏剂[8-9]。Chandrathilaka等[10-11]研究了固化工艺、服役温度对CFRP布-钢搭接试件的界面性能的影响，得到了不同固化工艺下，CFRP布-钢搭接试件的玻璃转变温度Tg，发现搭接接头的Tg与胶黏剂自身的Tg相差16%，当搭接试件的服役温度超过玻璃转变温度25℃时，极限承载力下降了70%。Brewis等[12]与Nguyen等[13]分别研究了基于American Cyanamid FM 1000环氧-聚酰胺薄膜胶黏剂和Araldite420胶黏剂的CFRP-钢板接头力学性能，发现随着环境温度的升高，胶黏剂的黏结强度明显下降。相反，Yao等[14]使用Sika330及Sahin等[15]使用Spabond345胶黏剂，均发现当温度低于Tg时，CFRP与钢的搭接接头的粘结强度均呈现出随温度升高而增加的趋势，然后随着温度的进一步升高而显著降低。Chataigner等[16]研究表明，制造商开发的UREPOX Extra 2C/2B胶黏剂常温条件下固化度仅为93%，Tg为53℃，经80℃ 2 h的后固化胶黏剂的固化度为99%，Tg为72.5℃，后固化可以显著提升胶黏剂的固化程度及Tg。综上分析可知，胶黏剂的力学性能及搭接接头的界面粘结性能受环境温度的影响很大，市场上常用的胶黏剂，耐温性能普遍较差，制备出满足钢桥加固的高性能胶黏剂具有重要的工程意义。固化剂作为胶黏剂的关键组分，环氧树脂只有与其发生化学反应生成交联网络结构才能发挥胶黏剂的功能，胶黏剂的Tg值通常受交联网络结构形式和交联密度两个因素的影响，而固化剂对这两因素起决定作用。在胶黏剂配比设计中，固化剂的选型与用量至关重要，其对胶黏剂的固化工艺、力学性能及耐温性能等具有显著影响[17]。采用不同的固化剂，胶黏剂的Tg差别很大，且单一的固化剂很难同时满足韧性与耐热性的双重要求。因此，采用两种或多种固化剂进行混掺，寻找合理的混掺比，探索其对高温环境下CFRP-钢界面粘结性能的提升具有重要价值。
本文基于自研的纳米SiO2环氧胶黏剂，通过改变配方中缩胺105和聚醚胺D230两种固化剂的混掺比例，按90℃ 2 h固化，进行了相应胶黏剂70℃环境温度下的拉伸试验、CFRP板-钢板搭接界面剪切拉伸试验和动态热力学性能测试，研究了两种固化剂混掺对胶黏剂的玻璃转变温度和高温下基本力学性能、及CFRP板-钢板搭接界面粘结性能的影响机制，得到了较好地兼顾桥梁加固耐热性和韧性要求的固化剂混掺比。进而研究了不同固化条件对该胶黏剂的玻璃化转变温度的影响及推荐固化条件下，该胶黏剂不同环境温度下的拉伸性能和粘结界面剪切性能，并与多种商品胶进行了比较。
1. 试 验
1.1 原材料
试验采用的环氧树脂胶黏剂配方成分包括：环氧树脂(双酚A型环氧树脂E51)、固化剂(缩胺105、聚醚胺D230)、增韧剂(纳米SiO2增韧剂)、偶联剂(硅烷偶联剂KH-560)、促进剂(DMP-30)、触变剂(气相二氧化硅HB-139)、消泡剂(环氧树脂专用消泡剂D240)等。各配方的固化剂种类及掺量见表1，其他各组分的掺量均不变。缩胺105与聚醚胺D230的化学结构式见图1。
表 1 胶黏剂配比Table 1. Ratio of adhesiveg Composition Type and amount of curing agent Epoxy resin Nano-SiO2 Thixotropic agent Accelerator Defoaming agent GY31 C105 (35 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY32 C105 (23.33 g)+D230 (11.67 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY33 C105 (17.5 g)+D230 (17.5 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY34 C105(11.67 g)+D230 (23.33 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY35 D230 (35 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 Notes: C105—Condensationamine 105; D230—Amino-terminated polyoxypropylene D230. 搭接试件的钢板采用中铁宝桥公司生产的桥梁结构钢Q345D，CFRP板采用南京海拓公司生产的单向板CFRP1.4-50及CFRP2.0-50。CFRP板及钢板材料参数见表2。
1.2 试件设计与制备
1.2.1 环氧树脂胶黏剂
胶黏剂拉伸试件按照ASTM D638—10标准[18]制作，试件尺寸如图2所示。拉伸试件在90℃下固化2 h。环氧树脂胶黏剂的制备流程可参见文献[3]。
表 2 碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板及钢板材料参数Table 2. Material parameters of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate and steel plateMaterial
parameterCFRP1.4
laminateCFRP2.0
laminateSteel
plateThickness/mm 1.4 2.0 12 Width/mm 50 50 50 Tensile strength/MPa 2 263 2 433 514 Elasticity modulus/GPa 161.2 162.8 206 Elongation at break/% 1.65 1.62 - 1.2.2 CFRP-钢搭接试件
胶粘CFRP-钢板双搭接试件的设计与制作参考ASTM D3528—96(2008)标准[19]及相关研究[3]，试件设计参数见表2。图3为搭接试件尺寸及CFRP板表面应变片布置(搭接长度200 mm)。搭接试件的制作流程与文献[3]一致。胶层厚度为1 mm，试件在90℃下固化2 h。
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图 3 CFRP-钢双搭接接头的形式及应变片布置Figure 3. CFRP-steel double lap joint form and strain gauge arrangement1.3 试验方法
1.3.1 胶黏剂拉伸试验
1.3.2 胶黏剂动态热力学试验
采用美国TA公司的DMAQ850动态力学分析仪进行试验。采用双悬臂夹具(试件及夹具如图5)，多频应变模式，测试频率1 Hz，温度范围20~120℃，升温速率设为2℃/min。
1.3.3 CFRP板-钢板搭接试件拉伸剪切试验
CFRP板-钢板搭接试件拉伸剪切试验在配有高低温箱的300 kN准静态拉伸试验机上进行，采用位移控制进行加载，速率为0.3 mm/min，加载装置见图6。采用静态应变测试仪进行应变数据采集。高温环境下测试的试件先用液压夹具夹住试件下端，待温度箱内温度上升至测试温度并恒温25 min，然后再夹住试件上端，以确保温度荷载释放。
2. 试验结果及分析
2.1 胶黏剂基本力学性能
2.1.1 准静态拉伸力学性能
图7为两种固化剂按不同比例混掺的胶黏剂在70℃环境下的静态拉伸应力-应变曲线。可知，GY31-GY35胶黏剂在高温环境下均为屈服后断裂，应力-应变曲线存在屈服点，属韧性破坏。随聚醚胺D230混掺比重的增加，屈服强度及极限强度均逐渐降低，变形量显著增加，GY31与GY32胶黏剂应力-应变曲线仅有弹性变形、屈服、应变软化三个过程，GY33-GY35胶黏剂应力-应变曲线在应变软化后还有冷拉、应变硬化两个过程。造成胶黏剂应力-应变曲线区别的主要原因是固化剂的分子链结构不同，缩胺105固化剂分子链中含有苯环结构，固化后的胶黏剂刚度较大，延性变形能力较小，而聚醚胺D230分子链中含有醚键(—O—)，醚键的作用和苯环相反，它使链段容易绕醚键的两端发生内旋转，可增大主链的柔顺性，从而提升胶黏剂的柔性，因此，随聚醚胺D230掺量的增加，胶黏剂的变形能力明显提升。
图8为70℃环境下胶黏剂基本力学指标随固化剂混掺比的变化。可知，随聚醚胺D230混掺比重的增加，胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低，胶黏剂变得更加柔韧，断裂伸长率及应变能先增加后减小。GY31具有最大拉伸强度27.3 MPa，最大弹性模量2003.6 MPa，断裂伸长率最小。GY35胶黏剂70℃环境下已软化，在较小的荷载作用下即会断裂，断裂伸长率较小。GY34则具有最大断裂伸长率67.33%，较GY31提升了415.58%，较GY35提升了59.05%。GY34与GY33虽然应变能相当，平均为0.681 N/mm2，均较GY31提升了126.61%，较GY35提升了906.65%，但前者断裂伸长率更大(前者约67%，后者约38%)，而拉伸强度相对较低(前者约12 MPa，后者约20 MPa)。断裂伸长率及应变能可反映材料的韧性，表明GY34和GY33胶黏剂在保持一定强度的同时，具有较好的韧性。
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图 8 70℃环境下胶黏剂基本力学指标随固化剂混掺比的变化Figure 8. Change of basic mechanical index of adhesive with the mixing ratio of curing agent at 70℃2.1.2 胶黏剂拉伸断面微观形貌
图9为胶黏剂拉伸断面的SEM图像。可知：GY31胶黏剂的拉伸断面比较光滑，裂纹走向单一，且呈贯通状态；GY35胶黏剂的拉伸断面与GY31相比，具有更明显的塑性变形；GY34胶黏剂的拉伸断面具有较多的短小微裂纹，且断面粗糙度显著增加，显示出更好的韧性。
2.1.3 动态热力学性能
图10为采用不同混掺比固化剂的胶黏剂动态热力学性能测试结果。由图10(a)可知，当仅采用缩胺105固化剂或采用缩胺105与聚醚胺D230混掺时，胶黏剂的储能模量相差较小；当仅采用聚醚胺D230固化剂时，胶黏剂的储能模量显著降低。GY31与GY35胶黏剂基于储能模量的玻璃转变温度Tg,S(即储能模量曲线上拐角切线的交点对应的温度)分别为92.9℃和56.3℃，GY34的Tg,S介于两者之间，为71.0℃。由图10(b)可知，随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，胶黏剂的损耗模量峰值先升高后降低，GY34具有最大的损耗模量峰值；基于损耗模量的玻璃化转变温度Tg,L(即损耗模量曲线峰值对应的温度)随聚醚胺D230比例的增加逐渐降低，GY31的Tg,L为94.9℃，GY35的Tg,L仅为56.3℃，GY34的Tg,L介于两者之间，为72.6℃。由图10(c)可知，随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，胶黏剂的损耗因子峰值先降低后升高(损耗因子越大，表示材料的黏性越大；损耗因子越小，表示材料的弹性越大)；GY31与GY35胶黏剂基于损耗因子的玻璃转变温度Tg,T (即损耗因子曲线峰值对应的温度)分别为105.3℃和68.7℃，GY34的Tg,L介于两者之间，为85.8℃。
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图 10 胶黏剂的DMA动态热力学分析曲线Figure 10. DMA dynamic thermodynamic analysis curves of adhesives2.2 CFRP板-钢板搭接试件界面粘结性能
2.2.1 破坏模式与荷载-位移关系
各试件的胶层厚度、破坏时夹持端与加载端之间的最大位移、峰值荷载及破坏模式见表3，典型破坏模式的照片见图11。
表 3 固化剂对CFRP板-钢板双搭接试件试验结果的影响Table 3. Effect of curing agent on test results of CFRP plate-steel plate double lap test pieceSpecimen
numberTa/mm Limit displacement/mm Ultimate load/kN Average bond strength/MPa Failure
modeDmax Average Pmax Average ¯pmax Average GY31-T1.4-CT90-ST70-1 1.09 2.29 109.30 5.5 b/d GY31-T1.4-CT90-ST70-2 1.12 2.28 2.11 92.99 101.87 4.7 5.1 b/d GY31-T1.4-CT90-ST70-3 1.05 1.76 103.32 5.2 b/d GY32-T1.4-CT90-ST70-1 1.05 2.02 96.98 4.9 d GY32-T1.4-CT90-ST70-2 1.08 1.97 1.89 95.08 90.43 4.8 4.5 d GY32-T1.4-CT90-ST70-3 1.10 1.69 79.24 4.0 d GY33-T1.4-CT90-ST70-1 1.04 3.56 160.11 8.0 d GY33-T1.4-CT90-ST70-2 1.09 4.31 4.02 179.24 171.12 9.0 8.6 d GY33-T1.4-CT90-ST70-3 1.12 4.20 174.02 8.7 d GY34-T1.4-CT90-ST70-1 1.06 5.16 211.18 10.6 d GY34-T1.4-CT90-ST70-2 1.09 4.85 4.99 205.64 207.85 10.3 10.4 d GY34-T1.4-CT90-ST70-3 1.12 4.98 206.73 10.3 d GY35-T1.4-CT90-ST70-1 1.11 3.92 135.84 6.8 d GY35-T1.4-CT90-ST70-2 1.05 3.61 3.76 115.38 126.41 5.8 6.3 d GY35-T1.4-CT90-ST70-3 1.07 3.75 128.01 6.4 b/d GY34-T2.0-CT90-ST70-1 1.06 6.71 225.40 11.3 b GY34-T2.0-CT90-ST70-2 1.09 7.46 7.06 232.59 229.15 11.6 11.5 a/b GY34-T2.0-CT90-ST70-3 1.03 7.02 229.46 11.5 a/b GY34-T2.0-CT90-ST25-1 1.02 4.42 204.20 10.2 d GY34-T2.0-CT90-ST25-2 1.10 4.69 4.01 208.99 205.10 10.5 10.3 d GY34-T2.0-CT90-ST25-3 1.06 4.11 202.11 10.1 d Notes: Specimen number GY**-**-**-**-**: GY—Initials of the phonetic alphabet of the curing agent, the character before the first “-”—Type of adhesive; Character after the first “-”—Thickness of CFRP board; Character after the second “-”—Curing temperature of specimens; Character after the third “-”—Service temperature of specimens; Character after the fourth “-”—Serial number of specimens in each group; Failure mode: a—CFRP and adhesive debonding failure; b—Steel and adhesive debonding failure; d—CFRP delamination. 由图11可知，固化剂种类与掺量对搭接试件高温下的破坏模式有一定影响。基于单一缩胺105固化剂的GY31-T1.4-CT90-ST70试件的破坏模式为界面破坏(钢与胶界面及CFRP与胶界面)及CFRP板层离破坏的混合形式(图11(a))；基于单一聚醚胺D230固化剂的GY35-T1.4-CT90-ST70试件的破坏模式为CFRP板层离破坏，且CFRP板出现了爆丝现象(图11(e))；当两种固化剂按不同比例混掺时，搭接试件的破坏模式均为CFRP板层离破坏(图11(b)~11(d))。说明70℃高温环境下采用两种固化剂混掺对应的搭接试件比采用单一固化剂的搭接试件具有更好的界面粘结性能。采用2.0 mm厚度CFRP板时，高温环境下，搭接试件的破坏模式出现了钢板与胶层界面破坏(图11(f))；但常温环境下，破坏模式仍为CFRP板层离破坏(图11(g))，说明70℃高温环境下钢板与胶层界面的黏结性能有所弱化。
由表3可知：(1) 固化剂的混掺对高温环境下搭接试件的极限承载力及最大位移有显著影响；(2) 基于单一缩胺105固化剂的胶粘CFRP-钢搭接试件GY31-T1.4-CT90-ST70的极限承载力和最大位移为101.87 kN、2.11 mm。基于单一聚醚胺D230固化剂的胶粘CFRP-钢搭接试件GY35-T1.4-CT90-ST70的极限承载力和最大位移为126.41 kN、3.76 mm。当缩胺105与聚醚胺D230按1∶2的比例混掺时，对应的搭接试件GY34-T1.4-CT90-ST70具有最大的极限承载力和极限位移，为207.85 kN、4.63 mm，承载能力较GY31-T1.4-CT90-ST70试件提升了104.03%，较GY35-T1.4-CT90-ST70试件提升了64.43%，提升幅度非常明显。而采用缩胺105与聚醚胺D230按2∶1的比例混掺时，对应的搭接试件GY32-T1.4-CT90-ST70的极限承载力仅为90.43 kN，与采用单一固化剂的搭接试件相比，略有降低；(3) GY34-T2.0-CT90-ST70试件与GY34-T1.4-CT90- ST70试件相比，采用2.0 mm厚的CFRP板，使搭接试件在高温下的极限承载能力进一步提升了10.25%。另外，GY34-T2.0-CT90-ST70试件与GY34-T2.0-CT90-ST25试件相比，70℃高温环境下搭接试件的极限承载能力比常温环境下提升了11.73%，究其原因，是由于高温环境下胶黏剂发生软化，使搭接界面及CFRP板层间受力更加均匀，具有更长的有效粘结长度所致。
图12为搭接试件在拉伸过程中的荷载-位移曲线。可知，基于单一缩胺105固化剂的GY31-T1.4-CT90-ST70试件在整个加载过程中，荷载随位移基本呈线性增加。基于单一聚醚胺D230固化剂的GY35-T1.4-CT90-ST70试件在加载初期，荷载随位移呈线性增加；加载后期，荷载随位移增长的速率逐渐减慢，且随搭接面的剥离，曲线出现跳跃现象，与GY31-T1.4-CT90-ST70试件相比，最大位移值也明显增大，表现出较好的延性。基于缩胺105与聚醚胺D230按1∶2的比例混掺固化剂的GY34-T1.4-CT90-ST70试件，在加载后期，荷载位移曲线的斜率非常小，出现了屈服平台，承载能力和延性均大幅提升。采用2.0 mm厚度CFRP板的GY34-T2.0-CT90-ST70试件与采用1.4 mm厚度CFRP板的GY34-T1.4-CT90-ST70试件相比，极限位移显著提升。另外，搭接试件在高温环境下的极限位移也明显大于常温环境下的极限位移。
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图 12 CFRP-钢双搭接试件荷载-位移曲线Figure 12. Load-displacement curves of CFRP-steel double lap test piece2.2.2 CFRP板表面应变分布
图13为加载过程中代表试件CFRP板表面的应变分布。可知：(1) 在界面剥离发生前，仅在钢板自由端附近出现较大应变；随荷载增加，应变曲线水平段逐渐减短，应力传递长度逐渐变长；(2) 基于单一缩胺105固化剂的GY31-T1.4-CT90-ST70试件仅在钢板自由端的小范围内出现较大应变梯度(图13(a))，距钢板自由端5 mm处，最大应变为4564×10−6，距钢板自由端15 mm处，最大应变迅速降为3806×10−6，距钢板自由端90 mm之后，应变曲线基本水平；而基于单一聚醚胺D230固化剂的GY35-T1.4-CT90-ST70试件，除极限荷载下钢板自由端应变分布出现平台段外，整个搭接范围内均出现较大应变梯度(图13(e))，距钢板自由端5 mm处，最大应变为3753×10−6，距钢板自由端35 mm处，最大应变增加到4057×10−6，然后随距钢板自由端距离的增加，最大应变逐渐减小；钢板自由端附近应变分布出现平台段，说明胶黏界面韧性较好，远离钢板自由端的应变分布水平段短，说明传递长度较长。当两种固化剂按不同的比例混掺时(图13(b)~13(d))，应变分布规律大体介于上述两者之间；(3) 当两种固化剂按1∶2的比例复配时，对应的GY34-T1.4-CT90-ST70试件具有最大的极限应变(距钢板自由端15 mm处达9180×10−6，分别为GY31、GY35的2.01倍和2.26倍)及应变传递长度，钢板自由端界面局部剥离时，应变会继续向CFRP板自由端传递，试件不会突然断裂，界面会发出小面积剥离的撕裂声，具有较好的延性变形；(4) 基于GY34胶黏剂的搭接试件在常温环境下CFRP板表面的应变传递长度明显减小(图13(f)、图13(g))，距钢板自由端120 mm之后，应变曲线基本水平，同时应变峰值也有小幅度减小。
2.2.3 CFRP板-钢板界面剪应力分布
通过布置在CFRP板表面的应变片可求取相邻测点i和测点i−1间的界面平均剪应力，公式为[20]
{\tau _{i - 1/2}} = \frac{{\Delta {\varepsilon _i}{E_{\rm{p}}}{t_{\rm{p}}}}}{{\Delta {l_i}}} = \frac{{({\varepsilon _i} - {\varepsilon _{i - 1}}){E_{\rm{p}}}{t_{\rm{p}}}}}{{{l_i} - {l_{i - 1}}}} (1) 式中：
Δε是测点i与测点i−1处应变的差值；Δli是测点i与测点i−1之间的距离；εi是CFRP板表面测点i处的应变；li是测点i距CFRP板端的距离；Ep与tp分别是CFRP板的弹性模量和厚度。 代表试件在加载过程中界面剪应力分布见图14。可知：(1) 在加载初期，仅在搭接区域的两端出现较大剪应力；随荷载的增加，钢板自由端剪应力逐渐增大，剪应力传递长度也逐渐变长；(2) GY31-T1.4-CT90-ST70试件仅在钢板自由端小范围内出现较大剪应力(图14(a))，距钢板自由端20 mm处，最大剪应力为18.64 MPa，距钢板自由端85 mm位置剪应力基本降为0，可见其有效粘结长度为85 mm；GY35-T1.4-CT90-ST70试件的剪应力在整个搭接长度内分布比较均匀(图14(e))，但剪应力峰值较小，距钢板自由端40 mm处，最大剪应力为7.58 MPa，距钢板自由端185 mm处，最大剪应力进一步增加到11.25 MPa，其有效粘结长度已超过200 mm；GY32-T1.4-CT90-ST70试件界面最大剪应力峰值出现在距钢板自由端52.5 mm处(图14(b))，为9.55 MPa，距钢板自由端105 mm处剪应力基本降为0，可见其有效粘结长度为105 mm；GY33-1.4-90-70试件的界面最大剪应力出现在距钢板自由端20 mm处(图14(c))，为16.90 MPa，距钢板自由端125 mm位置剪应力基本降为0，可见其有效粘结长度为125 mm；GY34-T1.4-CT90-ST70试件的剪应力在整个搭接长度内分布比较均匀(图14(d))，剪应力峰值也较大，距钢板自由端20 mm处，最大剪应力为18.18 MPa，距钢板自由端185 mm处，最大剪应力仍高达10.69 MPa，可见其有效粘结长度已超过200 mm。综上可知，基于单一缩胺105固化剂的胶粘搭接试件(GY31-T1.4-CT90-ST70)具有较大剪应力峰值，但有效粘结长度较短，基于单一聚醚胺D230固化剂的胶粘搭接试件(GY35-T1.4-CT90-ST70)具有较长的有效粘结长度，但剪应力峰值显著降低，仅为GY31-T1.4-CT90-ST70试件的0.60倍，当两种固化剂按不同的比例混掺时，随聚醚胺D230比例的增加，搭接试件的有效粘结长度显著增加，且剪应力峰值基本不降低，GY34-T1.4-CT90-ST70试件的剪应力峰值与GY31-T1.4-CT90-ST70试件基本相当，但有效粘结长度为其2.5倍以上；(3) 基于GY34胶黏剂的搭接试件常温环境下的有效粘结长度为120 mm (图14(f))，70℃高温环境下有效粘结长度已超过200 mm (图14(g))。后者大于前者，是由于70℃环境下胶黏剂发生软化，但并未超过胶黏剂的玻璃化转变温度所致。
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图 14 CFRP板-钢板界面剪应力分布Figure 14. Shear stress distribution at the CFRP plate-steel plate interface2.2.4 黏结-滑移曲线
黏结-滑移关系为界面粘结性能的本构模型。假定搭接试件CFRP板自由端滑移量为0，并忽略钢板的轴向变形，依据实测应变数据，从CFRP板自由端端部到测点i对CFRP板表面应变进行数值积分，可得测点i与测点i-1之间中点处的界面局部滑移量Si-1/2:
\begin{split} {S_{i - 1/2}} = & \frac{{{\varepsilon _i} + {\varepsilon _{i - 1}}}}{4}\left( {{l_i} - {l_{i - 1}}} \right) + \frac{{{\varepsilon _{i - 1}} + {\varepsilon _{i - 2}}}}{2}\left( {{l_{i - 1}} - {l_{i - 2}}} \right) + \\ & \sum\nolimits_{i = 3}^i {\frac{{{\varepsilon _{i - 2}} + {\varepsilon _{i - 3}}}}{2}\left( {{l_{i - 2}} - {l_{i - 3}}} \right)} \\[-12pt] \end{split} (2) 由式(1)与式(2)联合可获得试件相邻测点的中点处在加载过程中剪应力与滑移量的关系。距离钢板自由端20 mm处粘结层经历了整个损伤发展过程，且数据较稳定，故可选取距离20 mm处的剪应力和对应滑移量数据绘于图15，得到界面的黏结-滑移关系。
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图 15 CFRP板-钢板界面黏结-滑移曲线Figure 15. Bond-slip curves of CFRP plate-steel plate interface由图15可知，固化剂的种类与掺量对高温环境下搭接试件的黏结-滑移本构影响明显。基于单一缩胺105固化剂的搭接试件界面剪切强度较高，但相对滑移量较小，界面韧性较差；基于单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件界面滑移量明显增大，GY35-T1.4-CT90-ST70试件界面极限滑移较GY31-T1.4-CT90-ST70试件提升了59.25%，具有较好界面韧性，但剪切强度明显降低，降低了48.62%；当两者按1∶2的比例混掺时，搭接试件在保持较高界面剪切强度的同时，韧性大幅度提升，GY34-T1.4-CT90-ST70试件剪应力峰值较GY35-T1.4-CT90-ST70试件提升了78.56%，极限滑移较GY35-T1.4-CT90-ST70试件提升了18.84%。可见，采用缩胺105与聚醚胺D230按1∶2的比例混掺时，发挥了两种固化剂的协同作用，为固化剂的最佳混掺量。
高温环境下，GY31-T1.4-CT90-ST70试件的黏结-滑移本构可简化为双线性三角形模型；GY34-T1.4-CT90-ST70、GY34-T2.0-CT90-ST70及GY35-T1.4-CT90-ST70试件的黏结滑移本构可简化为三线性四边形模型，其第二阶段(屈服阶段)的剪应力存在小幅度上升，GY34-T1.4-CT90-ST70、GY34-T2.0-CT90-ST70试件的剪应力峰值τf较屈服剪应力τ1提升了30%左右，GY35-T1.4-CT90-ST70试件的剪应力峰值τf较屈服剪应力τ1提升了60%左右。
常温环境下，GY34-T2.0-CT90-ST25试件的黏结滑移曲线可简化成三线性梯形[21]，第二阶段为水平段，屈服剪应力与剪应力峰值基本相等。
将图15的拟合曲线汇于图16中。可计算搭接界面刚度K=τ1/δ1(式中，τ1为弹性段界面剪应力峰值，δ1为τ1对应的滑移量)，计算结果列入表4。
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图 16 CFRP板-钢板界面黏结-滑移曲线比较Figure 16. Comparison of the bond-slip curves at the CFRP-steel interface表 4 CFRP-钢界面黏结-滑移本构参数Table 4. Bond-slip constitutive parameters of CFRP-steel interfaceParameter GY31-T1.4-
CT90-ST70GY34-T1.4-
CT90-ST70GY35-T1.4-
CT90-ST70GY34-T2.0-
CT90-ST70GY34-T2.0-
CT90-ST25{\tau _1}/MPa − 13.52 6.06 15.62 24.58 {\tau _{\rm{f}}}/MPa 19.15 17.57 9.84 20.72 24.58 {\delta _1}/mm 0.215 0.185 0.115 0.164 0.211 {\delta _2}/mm − 0.580 0.453 0.560 0.401 {\delta _{\rm{f}}}/mm 0.400 0.575 0.637 0.758 0.518 K/(MPa·mm−1) 89.07 73.08 52.70 95.24 116.49 {G_{\rm{f}}}/(MPa·mm) 3.830 8.946 3.941 10.527 8.701 Notes: τ1—Peak elastic shear stress; τf—Peak shear stress; δ1—Maximum elastic slip; δ2—Maximum plastic slip; δf—Ultimate slip; K—Interfacial stiffness; Gf—Interfacial fracture energy. 由图16和表4可知，搭接试件采用1.4 mm厚度CFRP板时，随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，搭接试件的界面刚度逐渐降低，GY34-T1.4-CT90-ST70试件的界面刚度仅为GY31-T1.4-CT90-ST70试件的0.56倍；界面断裂能先增大后减小，GY34-T1.4-CT90-ST70试件具有最大界面断裂能9.304 MPa·mm，为GY31-T1.4-CT90- ST70试件的1.82倍。采用2.0 mm厚度CFRP板的GY34-2.0-90-70试件的黏结-滑移本构与采用1.4 mm厚度CFRP板的GY34-T1.4-CT90-ST70试件相比，表明增加CFRP板的厚度，搭接试件的界面刚度、剪应力峰值均有小幅度提升，但黏结-滑移本构形状不改变。GY34-T2.0-CT90-ST70试件的黏结-滑移本构与GY34-T2.0-CT90-ST25试件相比，表明高温环境会导致界面刚度、剪应力峰值减小，极限滑移显著增大。
2.3 研制胶黏剂的耐高温性能评价
2.3.1 胶黏剂胶体耐高温性能比较
上述研究可知，采用GY34胶黏剂的CFRP板-钢板搭接试件具有较好的界面性能，本节采用动态热机械分析仪(DMA)测试了该胶黏剂采用不同固化工艺(25℃、7天对应编号为GY34-25，90℃、2 h对应编号为GY34-90，110℃、2 h对应编号为GY34-110)，固化后的储能模量、损耗模量、损耗因子随温度的变化曲线见图17。可知，固化温度对胶黏剂的动态热力学性能有一定影响，从储能模量曲线可看出，胶黏剂由玻璃态转变为橡胶态时需要更高的环境温度，玻璃转变区间也增大。相应的损耗模量及损耗因子也在更高的环境温度下才达到峰值。根据切线法、损耗模量法及损耗因子法三种方法得到的玻璃转变温度Tg,S、Tg,L、Tg,T见表5。可知，三种方法得到的玻璃转变温度均表现为随固化温度的升高而增加，且存在Tg,S<Tg,L<Tg,T的关系。90℃固化2 h与110℃固化2 h胶黏剂的玻璃转变温度相差较小，而25℃固化7天的玻璃化转变温度稍低，固化时间相对较长，综合考虑加固应用时的技术与经济因素，可推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。
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图 17 胶黏剂的DMA动态热力学分析曲线Figure 17. DMA dynamic thermodynamic analysis curves of adhesives表 5 胶黏剂GY34的玻璃化转变温度Table 5. Glass transition temperature of adhesive GY34Curing temperature of adhesive Tangential method Tg,S/℃ E" method Tg,L/℃ tanδ method Tg,T/℃ GY34-25(25℃ 7 days) 68.1 70.7 79.5 GY34-90(90℃ 2 h) 71.0 72.6 85.8 GY34-110(110℃ 2 h) 70.4 75.3 89.8 图18为GY34-90胶黏剂在不同服役温度下的应力-应变曲线。可知，环境温度对胶黏剂的应力-应变曲线影响非常明显，随环境温度的升高，分子链运动加剧，胶黏剂逐步变软变韧，断裂强度下降，断裂伸长率先增加后减小，在25℃及40℃环境下，曲线在达到屈服点后，应变继续增加，应力反而有稍许下跌的现象，具有一定的应变软化阶段，随后达到极限应变，试件被拉断，属于强而韧型。在55℃及70℃环境下，曲线在达到屈服点后，具有较长的塑性变形，包括应变软化、冷拉、应变硬化三个阶段。在90℃环境下，试件在较小应力下，会产生持续增长的应变，曲线不存在明显屈服点，属于软而弱型。
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图 18 温度对GY34-90胶黏剂应力-应变曲线的影响Figure 18. Effect of temperature on stress-strain curve of GY34-90 adhesive不同环境温度下GY34-90胶黏剂的力学性能主要指标与常用商品胶黏剂[6,22-23]的比较，见图19及表6。由图19(a)可知，随环境温度的升高，胶黏剂的拉伸强度均逐渐降低，温度在20~55℃区间时，GY34-90胶黏剂的拉伸强度显著高于其他胶黏剂，常温环境下，拉伸强度为其他胶黏剂的1.82~3.77倍。由图19(b)和表6可知，当环境温度未超过玻璃化转化温度Tg,S时，随环境温度的升高，胶黏剂的断裂伸长率逐渐增大，温度在20~40℃区间时，胶黏剂的断裂伸长率相差不大，20℃环境下均在7%以下，40℃环境下均在20%以下，温度在40℃到Tg,S区间时，断裂伸长率均明显增大，50℃环境下S&P Resin 220胶黏剂具有最大断裂伸长率83.1%，70℃环境下GY34-90胶黏剂具有最大断裂伸长率67.33%，温度超过Tg,S后，胶黏剂由玻璃态进入高弹态，基本失去承受荷载的能力，在很小的荷载作用下即会断裂，因此断裂伸长率又明显降低。由图19(c)可知，随环境温度的升高，胶黏剂的应变能先增大后减小，GY34-90胶黏剂在不同温度下的应变能均明显大于其他胶黏剂，在55℃时应变能达最大值，为其他胶黏剂的1.75~43.22倍。
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图 19 温度对不同胶黏剂的力学性能指标的影响比较Figure 19. Comparison of the effect of temperature on the mechanical properties of different adhesives表 6 本文胶黏剂与商品胶黏剂的主要力学性能指标Table 6. Main mechanical properties of adhesives developed in this paper and commercial adhesivesName of
adhesiveService
temperature/℃Tensile
strength/MPaElongation
at break/%Elastic
modulus/MPaStrain energy/
(N·mm−2)Tg,T/℃ GY34 25 62.5 6.10 3 012.3 0.2936 85.8 40 42.2 9.01 2 903.5 0.3092 55 17.9 42.80 1 733.0 0.7175 70 12.1 67.33 1 191.9 0.6806 90 2.3 27.57 71.8 0.0391 S&P Resin 220[22] 20 16.6 2.25 8 205.3 0.0284 60.0 35 12.2 2.46 6 318.2 0.0188 50 5.2 83.10 183.2 0.3421 70 2.5 42.50 82.9 0.0568 90 1.8 33.90 73.0 0.0374 Mbraces Saturant[23] 20 24.8 3.27 1 322.9 0.0552 59.2 40 4.2 8.25 283.2 0.0256 60 0.3 0.55 100.1 0.0013 Araldite2014[6] 25 25.0 0.96 4 140.0 0.0086 68.3 40 20.1 1.17 3 010.0 0.0126 55 15.4 1.60 2 320.0 0.0166 70 8.4 2.45 1 090.0 0.0169 Araldite420[6] 25 28.6 4.09 2 260.0 0.0865 43.6 40 14.2 19.50 855.0 0.2720 55 5.2 23.30 171.0 0.1130 Sika30[6] 25 33.2 0.22 11 130.0 0.0098 47.8 40 20.7 1.81 4 550.0 0.0284 55 3.9 8.40 376.0 0.0385 Calle1[6] 25 34.2 1.49 3 520.0 0.0232 63.2 40 24.6 10.60 2 360.0 0.2380 55 19.1 20.90 1 710.0 0.4090 70 12.8 34.90 752.0 0.4120 2.3.2 胶粘CFRP板-钢板界面耐高温性能比较
本文研制的胶黏剂GY34与商品胶黏剂[24-26]连接的CFRP板-钢板搭接试件在不同环境温度下的界面粘结-滑移本构模型绘于图20，黏结-滑移本构参数列于表7。
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图 20 CFRP-钢界面黏结-滑移本构模型的比较Figure 20. Comparison of bond-slip constitutive models at CFRP-steel interface由图20可知，环境温度基本不改变搭接试件黏结-滑移本构形状，仅三线性梯形模型的第二价段在高温环境下存在斜率上升现象。所有胶黏剂胶粘的CFRP板-钢板搭接试件均表现出随环境温度升高，界面刚度及剪应力峰值减小。采用本文胶黏剂GY34的搭接接头在70℃环境下的界面断裂能高于常温环境下，采用其他胶黏剂的搭接试件在高温环境下的界面断裂能较常温环境下均明显降低，说明胶黏剂GY34具有更强的耐高温性能。胶黏剂GY34胶粘的搭接接头的界面剪应力峰值在常温及高温环境下均明显高于其他胶黏剂粘贴的搭接试件，常温环境下为其他胶黏剂粘贴的搭接试件的1.30~1.37倍，70℃环境下为其他胶黏剂粘贴的搭接试件的1.82~4.70倍。胶黏剂GY34粘贴的搭接试件的极限滑移在常温及高温下也均大于其他胶黏剂粘贴的搭接试件，表明本文胶黏剂GY34胶粘的搭接试件的界面具有更好的延性。
表 7 CFRP板-钢板界面黏结-滑移本构参数的比较Table 7. Comparison of bond-slip constitutive parameters of CFRP-steel interfaceSpecimen number {\tau _1}/MPa {\tau _{\rm{f}}}/MPa {\delta _1}/mm {\delta _2}/mm {\delta _{\rm{f}}}/mm K/(MPa·mm−1) {G_{\rm{f}}}/(MPa·mm) GY34-T2.0-CT90-ST25 24.58 24.58 0.211 0.401 0.518 116.49 8.701 GY34-T2.0-CT90-ST70 15.62 20.72 0.164 0.560 0.758 95.24 10.527 CS-35[24] - 18.90 0.068 - 0.201 277.53 0.190 CS-65[24] - 4.41 0.196 - 0.298 22.50 0.066 Sika30-22[25] - 18.00 0.046 - 0.138 388.77 1.242 Sika30-44[25] - 9.79 0.071 - 0.450 137.89 2.203 Araldite2015-23[26] 18.40 18.40 0.126 0.336 0.447 146.03 6.044 Araldite2015-42[26] 8.03 11.40 0.099 0.405 0.500 80.95 3.911 Araldite2015-82[26] 2.64 4.08 0.111 0.218 0.224 23.78 0.360 搭接长度不小于有效粘结长度的搭接试件的界面极限承载力的Taljsten公式可写为[26-27]
{P_{\max }}(T) = {b_{\rm{p}}}\sqrt {2{E_{\rm{p}}}{t_{\rm{p}}}{G_{\rm{f}}}(T)} (3) 式中：bp为CFRP板宽度；Ep为CFRP板弹性模量；tp为CFRP板厚度，bp、Ep、tp基本不随环境温度变化；Gf(T)为温度T下的界面断裂能。将式(3)的计算结果与相关实验数据进行比较，见表8及图21。计算值与试验值之比的平均值为0.984，方差为0.043。表明该式能有效预测CFRP板-钢板搭接试件在不同环境温度下的极限承载力。
表 8 CFRP板-钢板试件极限承载力的预测值与实验值比较Table 8. Comparison between the predicted and tested ultimate of CFRP-steel specimensSpecimen number {b_{\rm{p}}}/mm {E_{\rm{p}}}/GPa {t_{\rm{p}}}/mm {G_{\rm{f}}}(T)/(MPa·mm) {P_{\max ,{\rm{pre}}}}/kN {P_{\max ,\exp }}/kN {P_{\max ,{\rm{pre}}}}/{P_{\max ,\exp }} GY34-T2.0-CT90-ST25 50 162.8 2.00 8.701 119.02 102.10 1.16 CS-35-1[24] 20 180.5 1.46 1.899 20.01 16.20 1.24 CS-65-1[24] 20 180.5 1.46 0.657 11.77 11.80 1.00 Sika30-22-1[25] 50 165.0 1.20 1.242 35.07 54.00 0.65 Sika30-44-1[25] 50 165.0 1.20 2.203 46.70 39.00 1.19 Araldite2015-23-1[26] 25 185.0 1.44 6.500 45.87 53.40 0.86 Araldite2015-42-2[26] 25 185.0 1.44 4.300 37.31 47.40 0.79 Average 0.984 Variance 0.043 Notes: bp—Width of CFRP plate; Ep—Elastic modulus of CFRP plate; tp—Thickness of CFRP plate; Pmax,pre—Predicted value of bearing capacity; Pmax,exp—Experimental value of bearing capacity. ![]()
图 21 CFRP板-钢板试件极限承载力的预测值与实验值比较Figure 21. Comparison between the predicted and tested ultimate loads of CFRP-steel specimens3. 结 论
(1) 针对自研的纳米SiO2环氧胶黏剂，兼顾桥梁加固耐热性和韧性要求的缩胺105和聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2，推荐固化条件为90℃固化2 h。
(2) 推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO2环氧胶黏剂，基于储能模量、损耗因子的玻璃化转变温度分别为71.0℃、85.8℃，可满足桥梁加固耐热性要求。环境温度20~70℃之间的拉伸强度和断裂应变能均大大优于常见商品胶黏剂，断裂伸长率也大大优于大多数常见商品胶黏剂。
(3) 基于单一缩胺105固化剂的碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢搭接试件具有较大剪应力峰值，但有效粘结长度较短，基于单一聚醚胺D230固化剂的CFRP-钢搭接试件具有较长的有效粘结长度，但剪应力峰值显著降低，当两种固化剂按不同的比例混掺时，随聚醚胺D230比例的增加，搭接试件的有效粘结长度显著增加，且剪应力峰值基本不降低。胶黏剂在满足耐热性的同时，需尽可能提升其韧性，才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。
(4) 基于推荐比例与推荐固化工艺的胶黏剂的CFRP板-钢板搭接试件，在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段，承载能力和延性均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。相比于常用商品胶黏剂，研制的推荐胶黏剂粘贴的CFRP板-钢板搭接试件具有优越得多的承载能力和界面断裂能。
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图 3 CFRP-钢双搭接接头的形式及应变片布置
Figure 3. CFRP-steel double lap joint form and strain gauge arrangement
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图 8 70℃环境下胶黏剂基本力学指标随固化剂混掺比的变化
Figure 8. Change of basic mechanical index of adhesive with the mixing ratio of curing agent at 70℃
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图 10 胶黏剂的DMA动态热力学分析曲线
Figure 10. DMA dynamic thermodynamic analysis curves of adhesives
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图 12 CFRP-钢双搭接试件荷载-位移曲线
Figure 12. Load-displacement curves of CFRP-steel double lap test piece
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图 14 CFRP板-钢板界面剪应力分布
Figure 14. Shear stress distribution at the CFRP plate-steel plate interface
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图 15 CFRP板-钢板界面黏结-滑移曲线
Figure 15. Bond-slip curves of CFRP plate-steel plate interface
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图 16 CFRP板-钢板界面黏结-滑移曲线比较
Figure 16. Comparison of the bond-slip curves at the CFRP-steel interface
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图 17 胶黏剂的DMA动态热力学分析曲线
Figure 17. DMA dynamic thermodynamic analysis curves of adhesives
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图 18 温度对GY34-90胶黏剂应力-应变曲线的影响
Figure 18. Effect of temperature on stress-strain curve of GY34-90 adhesive
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图 19 温度对不同胶黏剂的力学性能指标的影响比较
Figure 19. Comparison of the effect of temperature on the mechanical properties of different adhesives
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图 20 CFRP-钢界面黏结-滑移本构模型的比较
Figure 20. Comparison of bond-slip constitutive models at CFRP-steel interface
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图 21 CFRP板-钢板试件极限承载力的预测值与实验值比较
Figure 21. Comparison between the predicted and tested ultimate loads of CFRP-steel specimens
表 1 胶黏剂配比
Table 1 Ratio of adhesive
g Composition Type and amount of curing agent Epoxy resin Nano-SiO2 Thixotropic agent Accelerator Defoaming agent GY31 C105 (35 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY32 C105 (23.33 g)+D230 (11.67 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY33 C105 (17.5 g)+D230 (17.5 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY34 C105(11.67 g)+D230 (23.33 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 GY35 D230 (35 g) 120 0.6 0.7 3 0.5 Notes: C105—Condensationamine 105; D230—Amino-terminated polyoxypropylene D230. 
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表 2 碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板及钢板材料参数
Table 2 Material parameters of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate and steel plate
Material
parameterCFRP1.4
laminateCFRP2.0
laminateSteel
plateThickness/mm 1.4 2.0 12 Width/mm 50 50 50 Tensile strength/MPa 2 263 2 433 514 Elasticity modulus/GPa 161.2 162.8 206 Elongation at break/% 1.65 1.62 -
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表 3 固化剂对CFRP板-钢板双搭接试件试验结果的影响
Table 3 Effect of curing agent on test results of CFRP plate-steel plate double lap test piece
Specimen
numberTa/mm Limit displacement/mm Ultimate load/kN Average bond strength/MPa Failure
mode{D_{{\rm{max}}}} Average {P_{{\rm{max}}}} Average {\overline p _{\max }} Average GY31-T1.4-CT90-ST70-1 1.09 2.29 109.30 5.5 b/d GY31-T1.4-CT90-ST70-2 1.12 2.28 2.11 92.99 101.87 4.7 5.1 b/d GY31-T1.4-CT90-ST70-3 1.05 1.76 103.32 5.2 b/d GY32-T1.4-CT90-ST70-1 1.05 2.02 96.98 4.9 d GY32-T1.4-CT90-ST70-2 1.08 1.97 1.89 95.08 90.43 4.8 4.5 d GY32-T1.4-CT90-ST70-3 1.10 1.69 79.24 4.0 d GY33-T1.4-CT90-ST70-1 1.04 3.56 160.11 8.0 d GY33-T1.4-CT90-ST70-2 1.09 4.31 4.02 179.24 171.12 9.0 8.6 d GY33-T1.4-CT90-ST70-3 1.12 4.20 174.02 8.7 d GY34-T1.4-CT90-ST70-1 1.06 5.16 211.18 10.6 d GY34-T1.4-CT90-ST70-2 1.09 4.85 4.99 205.64 207.85 10.3 10.4 d GY34-T1.4-CT90-ST70-3 1.12 4.98 206.73 10.3 d GY35-T1.4-CT90-ST70-1 1.11 3.92 135.84 6.8 d GY35-T1.4-CT90-ST70-2 1.05 3.61 3.76 115.38 126.41 5.8 6.3 d GY35-T1.4-CT90-ST70-3 1.07 3.75 128.01 6.4 b/d GY34-T2.0-CT90-ST70-1 1.06 6.71 225.40 11.3 b GY34-T2.0-CT90-ST70-2 1.09 7.46 7.06 232.59 229.15 11.6 11.5 a/b GY34-T2.0-CT90-ST70-3 1.03 7.02 229.46 11.5 a/b GY34-T2.0-CT90-ST25-1 1.02 4.42 204.20 10.2 d GY34-T2.0-CT90-ST25-2 1.10 4.69 4.01 208.99 205.10 10.5 10.3 d GY34-T2.0-CT90-ST25-3 1.06 4.11 202.11 10.1 d Notes: Specimen number GY**-**-**-**-**: GY—Initials of the phonetic alphabet of the curing agent, the character before the first “-”—Type of adhesive; Character after the first “-”—Thickness of CFRP board; Character after the second “-”—Curing temperature of specimens; Character after the third “-”—Service temperature of specimens; Character after the fourth “-”—Serial number of specimens in each group; Failure mode: a—CFRP and adhesive debonding failure; b—Steel and adhesive debonding failure; d—CFRP delamination.
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表 4 CFRP-钢界面黏结-滑移本构参数
Table 4 Bond-slip constitutive parameters of CFRP-steel interface
Parameter GY31-T1.4-
CT90-ST70GY34-T1.4-
CT90-ST70GY35-T1.4-
CT90-ST70GY34-T2.0-
CT90-ST70GY34-T2.0-
CT90-ST25{\tau _1}/MPa − 13.52 6.06 15.62 24.58 {\tau _{\rm{f}}}/MPa 19.15 17.57 9.84 20.72 24.58 {\delta _1}/mm 0.215 0.185 0.115 0.164 0.211 {\delta _2}/mm − 0.580 0.453 0.560 0.401 {\delta _{\rm{f}}}/mm 0.400 0.575 0.637 0.758 0.518 K/(MPa·mm−1) 89.07 73.08 52.70 95.24 116.49 {G_{\rm{f}}}/(MPa·mm) 3.830 8.946 3.941 10.527 8.701 Notes: τ1—Peak elastic shear stress; τf—Peak shear stress; δ1—Maximum elastic slip; δ2—Maximum plastic slip; δf—Ultimate slip; K—Interfacial stiffness; Gf—Interfacial fracture energy.
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表 5 胶黏剂GY34的玻璃化转变温度
Table 5 Glass transition temperature of adhesive GY34
Curing temperature of adhesive Tangential method Tg,S/℃ E" method Tg,L/℃ tanδ method Tg,T/℃ GY34-25(25℃ 7 days) 68.1 70.7 79.5 GY34-90(90℃ 2 h) 71.0 72.6 85.8 GY34-110(110℃ 2 h) 70.4 75.3 89.8
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表 6 本文胶黏剂与商品胶黏剂的主要力学性能指标
Table 6 Main mechanical properties of adhesives developed in this paper and commercial adhesives
Name of
adhesiveService
temperature/℃Tensile
strength/MPaElongation
at break/%Elastic
modulus/MPaStrain energy/
(N·mm−2)Tg,T/℃ GY34 25 62.5 6.10 3 012.3 0.2936 85.8 40 42.2 9.01 2 903.5 0.3092 55 17.9 42.80 1 733.0 0.7175 70 12.1 67.33 1 191.9 0.6806 90 2.3 27.57 71.8 0.0391 S&P Resin 220[22] 20 16.6 2.25 8 205.3 0.0284 60.0 35 12.2 2.46 6 318.2 0.0188 50 5.2 83.10 183.2 0.3421 70 2.5 42.50 82.9 0.0568 90 1.8 33.90 73.0 0.0374 Mbraces Saturant[23] 20 24.8 3.27 1 322.9 0.0552 59.2 40 4.2 8.25 283.2 0.0256 60 0.3 0.55 100.1 0.0013 Araldite2014[6] 25 25.0 0.96 4 140.0 0.0086 68.3 40 20.1 1.17 3 010.0 0.0126 55 15.4 1.60 2 320.0 0.0166 70 8.4 2.45 1 090.0 0.0169 Araldite420[6] 25 28.6 4.09 2 260.0 0.0865 43.6 40 14.2 19.50 855.0 0.2720 55 5.2 23.30 171.0 0.1130 Sika30[6] 25 33.2 0.22 11 130.0 0.0098 47.8 40 20.7 1.81 4 550.0 0.0284 55 3.9 8.40 376.0 0.0385 Calle1[6] 25 34.2 1.49 3 520.0 0.0232 63.2 40 24.6 10.60 2 360.0 0.2380 55 19.1 20.90 1 710.0 0.4090 70 12.8 34.90 752.0 0.4120
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表 7 CFRP板-钢板界面黏结-滑移本构参数的比较
Table 7 Comparison of bond-slip constitutive parameters of CFRP-steel interface
Specimen number {\tau _1}/MPa {\tau _{\rm{f}}}/MPa {\delta _1}/mm {\delta _2}/mm {\delta _{\rm{f}}}/mm K/(MPa·mm−1) {G_{\rm{f}}}/(MPa·mm) GY34-T2.0-CT90-ST25 24.58 24.58 0.211 0.401 0.518 116.49 8.701 GY34-T2.0-CT90-ST70 15.62 20.72 0.164 0.560 0.758 95.24 10.527 CS-35[24] - 18.90 0.068 - 0.201 277.53 0.190 CS-65[24] - 4.41 0.196 - 0.298 22.50 0.066 Sika30-22[25] - 18.00 0.046 - 0.138 388.77 1.242 Sika30-44[25] - 9.79 0.071 - 0.450 137.89 2.203 Araldite2015-23[26] 18.40 18.40 0.126 0.336 0.447 146.03 6.044 Araldite2015-42[26] 8.03 11.40 0.099 0.405 0.500 80.95 3.911 Araldite2015-82[26] 2.64 4.08 0.111 0.218 0.224 23.78 0.360
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表 8 CFRP板-钢板试件极限承载力的预测值与实验值比较
Table 8 Comparison between the predicted and tested ultimate of CFRP-steel specimens
Specimen number {b_{\rm{p}}}/mm {E_{\rm{p}}}/GPa {t_{\rm{p}}}/mm {G_{\rm{f}}}(T)/(MPa·mm) {P_{\max ,{\rm{pre}}}}/kN {P_{\max ,\exp }}/kN {P_{\max ,{\rm{pre}}}}/{P_{\max ,\exp }} GY34-T2.0-CT90-ST25 50 162.8 2.00 8.701 119.02 102.10 1.16 CS-35-1[24] 20 180.5 1.46 1.899 20.01 16.20 1.24 CS-65-1[24] 20 180.5 1.46 0.657 11.77 11.80 1.00 Sika30-22-1[25] 50 165.0 1.20 1.242 35.07 54.00 0.65 Sika30-44-1[25] 50 165.0 1.20 2.203 46.70 39.00 1.19 Araldite2015-23-1[26] 25 185.0 1.44 6.500 45.87 53.40 0.86 Araldite2015-42-2[26] 25 185.0 1.44 4.300 37.31 47.40 0.79 Average 0.984 Variance 0.043 Notes: bp—Width of CFRP plate; Ep—Elastic modulus of CFRP plate; tp—Thickness of CFRP plate; Pmax,pre—Predicted value of bearing capacity; Pmax,exp—Experimental value of bearing capacity.
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