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氯盐侵蚀环境下液体橡胶改性CFRP-钢界面耐久性

庞育阳, 吕远晨, 王强

庞育阳, 吕远晨, 王强. 氯盐侵蚀环境下液体橡胶改性CFRP-钢界面耐久性[J]. 复合材料学报, 2024, 41(6): 3219-3231. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231110.001
引用本文: 庞育阳, 吕远晨, 王强. 氯盐侵蚀环境下液体橡胶改性CFRP-钢界面耐久性[J]. 复合材料学报, 2024, 41(6): 3219-3231. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231110.001
PANG Yuyang, LYU Yuanchen, WANG Qiang. Durability of CFRP-steel interface modified by liquid rubber under chlorine salt erosion[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(6): 3219-3231. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231110.001
Citation: PANG Yuyang, LYU Yuanchen, WANG Qiang. Durability of CFRP-steel interface modified by liquid rubber under chlorine salt erosion[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2024, 41(6): 3219-3231. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231110.001

氯盐侵蚀环境下液体橡胶改性CFRP-钢界面耐久性

基金项目: 国家自然科学基金(52008377);中国博士后科学基金(2021M692940);河北省自然科学基金(E2023202048)
详细信息
    通讯作者:

    王强,博士,讲师,研究方向为FRP筋增强混凝土结构、3D打印混凝土轻量化结构 E-mail: wangqiang@hebut.edu.cn

  • 中图分类号: TB333

Durability of CFRP-steel interface modified by liquid rubber under chlorine salt erosion

Funds: National Natural Science Foundation of China (52008377); China Postdoctoral Science Foundation (2021M692940); Natural Science Foundation of Hebei Province (E2023202048)
  • 摘要: 设计了54个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢双搭接试件,研究了液体橡胶改性剂掺量和腐蚀龄期对CFRP-钢改性界面在高温水浴和常温干湿循环两种氯盐侵蚀作用后力学性能的影响。结果表明:在高温水浴及常温干湿循环作用下未改性试件分别呈现CFRP层间剥离破坏和钢/粘结剂界面剥离破坏,而液体橡胶改性试件可将破坏模式转变为粘结剂内聚破坏,其中10wt%液体橡胶提升界面耐久性效果最优,在高温水浴和常温干湿循环氯盐侵蚀180天后,试件极限荷载保留率相较未改性试件分别提升了28.11%和29.94%。基于试验结果,建立了适用于两种氯盐侵蚀环境下的改性界面粘结-滑移模型,模型预测结果与试验结果吻合较好。

     

    Abstract: Fifty-four carbon fiber reinforced resin composite (CFRP)-steel double lap specimens were designed to study the effects of liquid rubber modifier content and corrosion age on the mechanical properties of CFRP-steel modified interface under the erosion of two kinds of chlorine salts: High temperature water bath and dry-wet cycles at normal temperature. The results show that under the action of high temperature water bath and dry-wet cycles at normal temperature, the unmodified specimens show CFRP interlayer stripping failure and steel/binder interface stripping failure, respectively, while the liquid rubber modified specimens could transform the failure mode into adhesive cohesion failure, among which 10wt% liquid rubber has the best effect on improving interface durability. After 180 days of high temperature water bath and dry-wet cycles chloride salt erosion at normal temperature, the ultimate load retention rates of the specimens increase by 28.11% and 29.94%, respectively, compared with that of the unmodified specimens. Based on the experimental results, modified interface bond-slip models are established which are suitable for two kinds of chlorine salt erosion environments, and the predicted results are in good agreement with the experimental results.

     

  • 碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber rein-forced polymer,CFRP) 因其轻质高强、耐久性优异[1-5],已被尝试应用于钢结构的粘结加固领域[6-8]。CFRP与钢板间的粘结界面作为加固体系中的薄弱环节[9-13],其耐久性能易受到高温和腐蚀性溶液的侵入而产生显著退化[14-20]。特别是在沿海地区,由于氯离子的侵蚀,CFRP-钢界面常出现滑移或脱胶等现象,从而导致加固体系失效[21-23]

    为提升CFRP-钢板界面耐久性,有学者提出将液体橡胶掺入粘结剂进行改性增韧。梅雪[24]采用液体橡胶对环氧树脂进行增韧改性,并对改性树脂进行冻融、湿热和盐浸等环境下的力学性能试验,发现改性后环氧树脂的剪切和正拉粘结强度相较于改性前均有显著增长。Pang等[25]研究了常温环境下液体橡胶掺入环氧树脂对CFRP板与钢粘结性能的影响。发现CFRP板的脱粘应变随粘结剂中液体橡胶质量百分比的增加而减小,最终导致CFRP-钢试件极限荷载减小。粘结剂中液体橡胶的掺入使粘结剂的粘接能力下降,但在其含量不超过10wt%的情况下,粘结剂的粘结性能保留率可达到87.9%~103.7%。祁彪[26]研究了冻融循环下液体橡胶改性CFRP-钢界面耐久性能。结果表明,经过200次冻融循环后,不同液体橡胶掺量(0wt%、5wt%、10wt%、15wt%)下试件的极限荷载分别下降了16%、10%、4%和6%。

    本文采用Pang等[25]的方法制备液体橡胶改性CFRP-钢界面试件,继续开展了氯盐侵蚀环境下的CFRP-钢界面耐久性研究。然后,基于试验结果和理论分析,建立了两种侵蚀环境下CFRP-钢改性界面粘结-滑移模型,为CFRP加固钢结构在氯盐侵蚀下耐久性的提升和设计提供依据。

    试验所采用的钢板为热轧Q235B,厚度为20 mm,CFRP板由天津卡本科技集团股份有限公司提供,厚度和宽度分别为3 mm和20 mm。粘结剂采用天津卡本科技集团股份有限公司生产的碳纤维板胶,环氧树脂与固化剂的质量比为2∶1,试件的胶层厚度均为1 mm,改性胶中液体橡胶的添加量按照环氧树脂胶主剂质量百分比,分别为0wt%、5wt%、10wt%和15wt%,下文中分别用P0、P5、P10和P15表示。粘结剂拉伸试件按照GB/T 2567—2021[27]制作,参考规范GB/T 228.1—2021[28]、ASTM D3039/D3039M—08[29]、ASTM D638—10[30]分别对CFRP板、钢板和粘结剂进行性能测试,结果如表1所示。

    表  1  材料参数
    Table  1.  Material parameters
    Material Yield strength/
    MPa
    Tensile strength/
    MPa
    Young's modulus/
    GPa
    Elongation/%
    Q235 steel plate 272 414 199 29.40
    CFRP plate 2423 180 1.60
    P0 32.37 5.17 1.17
    P5 31.15 5.00 1.20
    P10 27.03 4.58 1.24
    P15 24.22 4.20 1.26
    Notes: CFRP—Carbon fiber reinforced polymer; The number 0, 5, 10, 15 after P indicates the amount of liquid rubber 0wt%, 5wt%, 10wt%, 15wt% in the modified rubber layer.
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    考虑了氯盐侵蚀的龄期(60天、120天、180天)和腐蚀环境(高温水浴、常温干湿)对液体橡胶改性CFRP-钢界面性能的影响。试件几何尺寸见图1,试验方案细节见表2。试件的制作过程为:制作试件前,对钢板表面进行喷砂处理,采用细砂纸对CFRP板粘贴面进行轻微打磨;使用无水乙醇清洗钢板粘贴面和CFRP板表面,清除砂粒。待固化3~4 h之后,清除CFRP板两侧多余的胶,并在室温下养护14天后将应变片粘贴于CFRP板两侧,应变片自持载端5 mm处开始,均匀设置8个,间距为25 mm。

    图  1  试件尺寸示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of specimen size
    表  2  试件参数和试验结果
    Table  2.  Scheme of test program and results
    Specimen Exposure time/d Liquid rubber content/
    wt%
    Ultimate load/kN Average load/kN Failure mode Specimen Exposure time/d Liquid rubber content/
    wt%
    Ultimate load/kN Average load/kN Failure mode
    A0-0-1 0 0 88.90 87.22 b B120-10-1 120 10 85.86 84.84 a
    a
    a
    A0-0-2 91.47 b B120-10-2 88.20
    A0-0-3 81.29 b B120-10-3 80.45
    A0-5-1 5 84.01 78.63 a+d
    a+d
    a+d
    B180-0-1 180 0 59.10 58.36 b
    b
    b
    A0-5-2 76.23 B180-0-2 58.97
    A0-5-3 75.65 B180-0-3 57.02
    A0-10-1 10 81.89 76.79 a B180-10-1 10 73.73 72.97 a
    a
    a
    A0-10-2 75.15 a B180-10-2 70.53
    A0-10-3 73.33 a B180-10-3 74.66
    A0-15-1 15 79.33 76.20 a
    a
    a
    C60-0-1 60 0 82.31 77.63 c
    c
    c
    A0-15-2 76.13 C60-0-2 70.83
    A0-15-3 73.15 C60-0-3 79.75
    B60-0-1 60 0 89.19 91.54 a+c C60-10-1 10 74.22 76.38 a+c
    a+c
    a+c
    B60-0-2 88.65 a+c C60-10-2 75.89
    B60-0-3 96.77 a+c C60-10-3 79.02
    B60-5-1 5 87.79 87.91 a+c
    a+c
    a+c
    C120-0-1 120 0 53.45 54.83 c
    c
    c
    B60-5-2 88.81 C120-0-2 56.37
    B60-5-3 87.12 C120-0-3 54.67
    B60-10-1 10 84.67 86.55 a
    a
    a
    C120-10-1 10 71.14 73.52 a+c
    a+c
    a+c
    B60-10-2 89.51 C120-10-2 75.06
    B60-10-3 85.48 C120-10-3 74.35
    B60-15-1 15 76.63 73.39 a
    a
    a
    C180-0-1 180 0 49.04 49.70 c
    B60-15-2 69.08 C180-0-2 50.80 c
    B60-15-3 74.47 C180-0-3 49.26 c
    B120-0-1 120 0 73.56 74.64 b
    b
    b
    C180-10-1 65.02 a+c
    B120-0-2 71.93 C180-10-2 10 66.76 66.75 a+c
    B120-0-3 78.43 C180-10-3 68.46 a+c
    Notes: Rules of specimen label "***-***-***": Characters before the first "-"—Chloride corrosion environments and corrosion time; Characters between the two "-"—Liquid rubber content; Character after the second "-"—Serial number of the specimen in each group; A—Normal temperature control group; B—High temperature water bath chloride environments; C—Normal temperature wet-dry cycles chloride environments; Failure modes: a—Cohesion failure in adhesive; b—CFRP plate delamination; c—Steel and adhesive debonding failures; d—CFRP plate and adhesive debonding failure.
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    氯盐侵蚀环境采用加速侵蚀[31]进行模拟,采用金城海澜仪器制造厂生产的HH-900型恒温水浴箱添加5%的NaCl溶液实现水浴氯盐侵蚀环境。其高温环境腐蚀制度为20℃氯盐溶液浸泡11 h、50℃浸泡11 h,温度循环周期为24 h,每个间隔的1 h以0.5℃/min的速率调整温度,确保恒温条件[18]。常温干湿循环环境制度设置为20℃氯盐溶液浸泡11 h,20℃烘干11 h,一个干湿循环周期为24 h,每个间隔的1 h用于抽水和放水。

    试验装置如图2所示,本文试件采用上海华龙测试仪器有限公司生产的量程为1000 kN的伺服液压万能试验机加载。加载制度为位移控制,速率为0.18 mm/min。

    图  2  试验装置
    Figure  2.  Experimental setup

    试件的极限荷载及失效模式等列于表2

    本文出现了粘结剂内聚破坏、CFRP层间剥离破坏、钢/粘结剂界面剥离破坏和CFRP板/粘结剂脱粘破坏。在常温未腐蚀环境下,对于未改性试件破坏模式为CFRP板层间剥离破坏,而改性试件则多为CFRP板/粘结剂脱粘和粘结剂内聚破坏,如图3所示。且随着液体橡胶掺量的增加,破坏模式由CFRP板层间剥离破坏向CFRP板/粘结剂界面混合破坏和粘结剂内聚破坏转变。这是由于掺入液体橡胶之后,粘结剂抗拉强度降低,界面破坏逐渐向粘结剂层发展[25]

    图  3  常温未腐蚀CFRP-钢界面破坏模式
    Figure  3.  Failure mode of CFRP-steel interface without corrosion at normal temperature

    图4为高温水浴氯盐侵蚀下的破坏模式,未改性试件随着腐蚀龄期的增加,破坏模式由钢/粘结剂界面混合破坏转变为CFRP板层间剥离破坏,这是由于试件在溶液中浸泡,水分对于钢/粘结剂界面的影响小于后文的干湿循环环境中;改性试件破坏模式以粘结剂内聚破坏为主,且在粘结节点自由端附近的小区域存在少量CFRP层间剥离破坏。

    图  4  高温水浴氯盐侵蚀下CFRP-钢界面破坏模式
    Figure  4.  Failure mode of CFRP-steel interface after high temperature water bath chloride erosion

    图5为常温干湿循环氯盐侵蚀下的破坏模式。未改性试件均为钢/粘结剂界面剥离破坏,而改性试件呈现出钢/粘结剂界面混合破坏,且随着腐蚀龄期的增加,粘结剂出现渗水并逐渐脱粘。干湿循环氯盐侵蚀下会导致水分渗入粘结剂/钢界面,进而影响胶体与钢板之间的粘结。

    图  5  常温干湿循环下的CFRP-钢界面破坏模式
    Figure  5.  Failure mode of CFRP-steel interface after normal temperature wet-dry cycles

    高温水浴氯盐侵蚀下腐蚀龄期和液体橡胶掺量对试件极限荷载的影响如图6所示。总体上,未改性试件和5wt%、10wt%液体橡胶掺量的改性试件的极限荷载随腐蚀龄期增加先上升后下降,15wt%液体橡胶掺量试件的极限荷载随腐蚀龄期增加而下降;60天后,未改性试件和5wt%、10wt%液体橡胶掺量改性试件的极限荷载分别上升4.95%、11.80%和12.71%,10wt%液体橡胶掺量对于试件极限荷载提升效果最优。极限荷载上升是由于水分进入粘结剂后促进了后固化,而15wt%液体橡胶掺量试件的极限荷载下降了3.68%,则是由于过高的掺量引起了液体橡胶团聚降低了界面粘结性能[25, 32];120天和180天后,改性试件相较于未改性试件的极限荷载保留率分别提升了24.91%和28.11%,这是由于橡胶颗粒能够与粘结剂分子链产生交联作用,延缓水分在粘结剂中的扩散速度[24]

    图  6  高温水浴氯盐侵蚀下CFRP-钢试件极限荷载
    Figure  6.  Ultimate load of CFRP-steel specimens after chlorinated salt erosion in high temperature water bath

    常温干湿循环氯盐侵蚀下腐蚀龄期和液体橡胶掺量对试件极限荷载的影响如图7所示。在60天、120天和180天后,改性试件的极限荷载保留率相比未改性试件分别提升了10.46%、32.88%和29.94%。改性试件有效延缓了CFRP-钢试件在常温干湿循环氯盐侵蚀下对极限荷载产生的不利影响。

    图  7  常温干湿循环下CFRP-钢试件极限荷载
    Figure  7.  Ultimate load of CFRP-steel specimens after normal temperature wet-dry cycles

    图8为常温未腐蚀CFRP板表面应变分布。荷载加载过程中,CFRP板应变分布主要集中在CFRP板端部,随着荷载增加,峰值应变和剪应力的传递范围也增大。当荷载达到稳定后,开始进入剥离阶段,此时荷载基本保持不变。在0wt%和5wt%液体橡胶掺量的试件中,CFRP板端部的峰值应变达到最大剥离应变后,界面发生剥离现象。而在10wt%和15wt%液体橡胶掺量的试件中,CFRP板峰值应变开始向自由端传递,表明界面剪应力传递范围增加,界面的延性明显提高。随着液体橡胶掺量的增加,界面峰值应变先减小后小幅上升,而10wt%液体橡胶掺量对应界面的剪应力传递范围最大。

    图  8  常温未腐蚀CFRP 板表面应变分布
    Figure  8.  Strain distributions on CFRP plates without corrosion at normal temperature

    图9为高温水浴氯盐侵蚀下CFRP板表面应变分布。在未剥离阶段所有类型试件规律与常温未腐蚀试件相同。在剥离阶段,10wt%液体橡胶掺量改性试件具有最高的剥离应变,并且在改性试件中界面剪应力传递范围增大有利于提高界面延性。随着腐蚀龄期的增长,未改性试件的剥离过程变短, 120天和180天后,未改性试件的最大剥离应变减小,改性试件的最大剥离应变基本不变,在远离CFRP板端部的粘结区域均存在更大的界面剪应力。

    图  9  高温水浴氯盐侵蚀下CFRP 板表面应变分布
    Figure  9.  Strain distributions on CFRP plates after chlorinated salt erosion after high temperature water bath

    图10为常温干湿循环下CFRP板表面应变分布。在未剥离阶段所有类型试件规律与常温未腐蚀和高温水浴氯盐侵蚀下的试件相同。在腐蚀60天后,所有试件在剥离阶段均出现剪应力向自由端传递的现象,随着腐蚀时间变长,钢/粘结剂界面损伤逐渐累积,导致CFRP板应变出现快速下降。120天和180天后,未改性试件中CFRP板应变在5 mm位置处出现下降,其他位置应变均匀上升的情况;改性后的试件剪应力向自由端传递,剥离应变的增大。由CFRP板应变分布及最大剥离应变的变化规律可知,远离加载端的粘结区域均存在更大的界面剪应力。液体橡胶改性界面剪应力传递范围提高,CFRP-钢界面粘结性能保留率提升。

    图  10  常温干湿循环下CFRP 板表面应变分布
    Figure  10.  Strain distribution on CFRP plates after wet-dry cycles at normal temperature

    本文对CFRP板应变进行差分和积分获取粘结界面的剪应力和相对滑移[33-35],由前文试验结果和分析并结合下式计算界面剪应力与CFRP-钢试件界面的相对滑移得到典型试件B120-0-1的粘结-滑移曲线:

    τ(x)=tfEfdεf(x)dx (1)

    式中:τ(x)是x位置处界面剪应力;tf是CFRP板的厚度;Ef是CFRP板的弹性模量;εf(x)是x位置处CFRP板应变。

    CFRP-钢试件界面的相对滑移:

    S(xi+1/2)=UCFRP(xi+1/2)Usteel(xi+1/2) (2)

    式中:S(xi+1/2)是第i个应变片和第i+1个应变片中间位置处的相对滑移;UCFRP(xi+1/2)和Usteel(xi+1/2)分别是第i个应变片和第i+1个应变片中间位置处的CFRP板滑移和钢板滑移。

    未改性试件破坏模式随腐蚀龄期的增加发生改变,且在界面达到最大剪应力后发生破坏,未能得到完整的粘结-滑移关系曲线,故本文不再讨论。而改性试件在高温水浴氯盐侵蚀下发生内聚破坏,可以利用式(1)与式(2)得到试件B120-10-1的粘结-滑移曲线,剪应力出现上升-不变-下降的趋势。

    由前文可知10wt%液体橡胶掺量提升界面粘结性能保留率效果最优,本文对具有相同破坏模式的改性试件随腐蚀龄期变化的粘结-滑移关系进行统一分析。

    图11是不同腐蚀龄期下改性界面典型的粘结-滑移关系,分为3个阶段:初始阶段,界面剪应力与相对滑移线性增加;平台阶段,剪应力基本不变而相对滑移增加;下降阶段,界面剪应力随着相对滑移的增加逐渐减小到0。

    图  11  高温水浴环境下典型CFRP-钢改性界面的粘结-滑移关系
    Figure  11.  Bond-slip relationship of typical CFRP-steel modified interface after high temperature water bath

    界面粘结-滑移关系简化为三折线模型,其关系式如下:

    τ={τmax (3)

    式中:τ是界面局部剪应力;S是界面相对滑移值;τmax是界面最大剪应力;S1S2Sf是界面相对滑移值的特征点。

    图11和式(3)可知,三折线粘结-滑移模型主要由界面最大剪应力和3个界面相对滑移值的特征点这4个关键参数来定义。基于不同腐蚀龄期作用下改性试件的粘结-滑移关系,采用分段线性拟合,得到了关键参数值,判定系数R2的平均值为0.9442。现有研究表明[36],界面断裂能决定了界面的极限荷载,其为粘结-滑移曲线对x轴的积分面积,两者关系可由下式表示:

    {P_{\text{u}}} = 2{b_{\text{f}}}\sqrt {2{G_{\text{f}}}{E_{\text{f}}}{t_{\text{f}}}\left( {1 + \xi } \right)} (4)

    式中:bf是CFRP板的宽度;Gf是界面的断裂能;ξ是CFRP板和钢板的刚度比,即tfbfEf/0.5tsbsEs (tsbsEs分别为钢板的厚度、宽度和弹性模量)。将试验得到的界面断裂能代入式(4)中即可求得试件的极限荷载预测值,表3列出了基于试验数据拟合得到的粘结-滑移关系中的关键参数值和极限荷载预测值。极限荷载试验值与预测值比值的平均值为0.96,变异系数为0.02。

    表  3  高温水浴下CFRP-钢改性界面模型参数
    Table  3.  Model parameters of CFRP-steel modified interface after high temperature water bath
    Specimen τmax/MPa S1/mm S2/mm Sf/mm Gf/(N·mm−1) {P}_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}} /kN {P}_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}} /kN P_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}/P_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}
    B0-10-1 25.16 0.0309 0.109 0.210 3.62 81.89 83.27 0.98
    B0-10-2 25.06 0.0308 0.108 0.209 3.60 75.15 83.04 0.91
    B0-10-3 25.26 0.0309 0.108 0.205 3.56 73.33 82.58 0.89
    B60-10-1 25.21 0.0362 0.124 0.252 4.28 84.67 90.55 0.94
    B60-10-2 25.12 0.0352 0.123 0.259 4.36 89.51 91.39 0.98
    B60-10-3 25.16 0.0358 0.123 0.258 4.35 85.48 91.28 0.94
    B120-10-1 24.93 0.0335 0.115 0.245 4.07 85.86 88.30 0.97
    B120-10-2 24.80 0.0328 0.117 0.248 4.11 88.20 88.73 0.99
    B120-10-3 24.85 0.0330 0.114 0.247 4.08 80.45 88.41 0.91
    B180-10-1 24.14 0.0324 0.093 0.193 3.06 73.73 76.56 0.96
    B180-10-2 24.28 0.0318 0.088 0.187 2.97 70.53 75.43 0.93
    B180-10-3 24.32 0.0320 0.095 0.182 2.98 74.66 75.55 0.99
    Notes: τmax—Interface maximum shear stress; S1, S2 and Sf—Characteristic points of the relative slip value of the interface; Gf—Fracture energy of the interface; Pu,exp—Experimental value of bearing capacity; Pu,pre—Predicted value of bearing capacity.
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    常温干湿循环氯盐侵蚀与高温水浴氯盐侵蚀类似,本文对具有相同破坏模式的10wt%液体橡胶掺量CFRP-钢界面随腐蚀龄期变化的粘结-滑移关系进行统一分析。

    图12为常温干湿环境下典型CFRP-钢改性界面的粘结-滑移关系曲线。常温干湿循环氯盐侵蚀下的改性界面的粘结-滑移曲线仍遵循上述三折线模型,由表4可知4个关键参数值试验结果与模型预测结果吻合较好,R2的平均值为0.9134。极限荷载预测值与试验值平均比值为0.94,变异系数为0.03。

    图  12  常温干湿环境下典型CFRP-钢改性界面的粘结-滑移关系
    Figure  12.  Bond-slip relationship of typical CFRP-steel modified interface after normal temperature wet-dry cycles
    表  4  常温干湿循环下CFRP-钢改性界面模型参数
    Table  4.  Model parameters of CFRP-steel modified interface after normal temperature wet-dry cycles
    Specimen τmax/MPa S1/mm S2/mm Sf/mm Gf/(N·mm−1) {P}_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}} /kN {P}_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}} /kN P_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}/P_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}
    C60-10-1 23.88 0.0284 0.107 0.198 3.31 74.22 79.63 0.93
    C60-10-2 23.84 0.0283 0.108 0.204 3.38 75.89 80.46 0.94
    C60-10-3 23.86 0.0283 0.106 0.205 3.37 79.02 80.35 0.98
    C120-10-1 23.45 0.0281 0.100 0.191 3.08 71.14 76.81 0.93
    C120-10-2 23.48 0.0280 0.101 0.194 3.15 75.06 77.68 0.97
    C120-10-3 23.51 0.0280 0.102 0.195 3.16 74.35 77.80 0.96
    C180-10-1 20.56 0.0281 0.095 0.182 2.59 65.02 70.44 0.92
    C180-10-2 20.53 0.0280 0.096 0.181 2.56 66.76 70.03 0.95
    C180-10-3 20.58 0.0279 0.096 0.179 2.54 68.46 69.75 0.98
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    (1) 在高温水浴氯盐侵蚀下,未改性试件的破坏模式为碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层间剥离破坏,界面性能尚未充分发挥,而掺液体橡胶的改性CFRP-钢试件破坏模式为粘结剂内聚破坏,界面剪应力分布更加均匀,传递范围增大,界面延性得到提升。在腐蚀龄期达到120天和180天后,改性试件极限荷载保留率分别提升了24.91%和28.11%。

    (2) 在常温干湿循环氯盐侵蚀下,未改性试件的破坏模式为钢/粘结剂界面剥离破坏,液体橡胶改性试件破坏模式为粘结剂内聚破坏和钢/粘结剂界面混合破坏。改性试件的界面剪应力分布与高温水浴环境下的改性试件相似,在腐蚀龄期60天、120天和180天后,改性试件的极限荷载保留率比未改性试件分别提升了10.46%、32.88%和29.94%。

    (3) 高温水浴及常温干湿循环氯盐侵蚀下液体橡胶改性试件的粘结-滑移关系均为三折线形状,根据试验结果建立了统一模型,并分别对其关键参数进行标定,为CFRP加固钢结构在氯盐侵蚀下耐久性的优化设计提供依据。

  • 图  1   试件尺寸示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of specimen size

    图  2   试验装置

    Figure  2.   Experimental setup

    图  3   常温未腐蚀CFRP-钢界面破坏模式

    Figure  3.   Failure mode of CFRP-steel interface without corrosion at normal temperature

    图  4   高温水浴氯盐侵蚀下CFRP-钢界面破坏模式

    Figure  4.   Failure mode of CFRP-steel interface after high temperature water bath chloride erosion

    图  5   常温干湿循环下的CFRP-钢界面破坏模式

    Figure  5.   Failure mode of CFRP-steel interface after normal temperature wet-dry cycles

    图  6   高温水浴氯盐侵蚀下CFRP-钢试件极限荷载

    Figure  6.   Ultimate load of CFRP-steel specimens after chlorinated salt erosion in high temperature water bath

    图  7   常温干湿循环下CFRP-钢试件极限荷载

    Figure  7.   Ultimate load of CFRP-steel specimens after normal temperature wet-dry cycles

    图  8   常温未腐蚀CFRP 板表面应变分布

    Figure  8.   Strain distributions on CFRP plates without corrosion at normal temperature

    图  9   高温水浴氯盐侵蚀下CFRP 板表面应变分布

    Figure  9.   Strain distributions on CFRP plates after chlorinated salt erosion after high temperature water bath

    图  10   常温干湿循环下CFRP 板表面应变分布

    Figure  10.   Strain distribution on CFRP plates after wet-dry cycles at normal temperature

    图  11   高温水浴环境下典型CFRP-钢改性界面的粘结-滑移关系

    Figure  11.   Bond-slip relationship of typical CFRP-steel modified interface after high temperature water bath

    图  12   常温干湿环境下典型CFRP-钢改性界面的粘结-滑移关系

    Figure  12.   Bond-slip relationship of typical CFRP-steel modified interface after normal temperature wet-dry cycles

    表  1   材料参数

    Table  1   Material parameters

    Material Yield strength/
    MPa
    Tensile strength/
    MPa
    Young's modulus/
    GPa
    Elongation/%
    Q235 steel plate 272 414 199 29.40
    CFRP plate 2423 180 1.60
    P0 32.37 5.17 1.17
    P5 31.15 5.00 1.20
    P10 27.03 4.58 1.24
    P15 24.22 4.20 1.26
    Notes: CFRP—Carbon fiber reinforced polymer; The number 0, 5, 10, 15 after P indicates the amount of liquid rubber 0wt%, 5wt%, 10wt%, 15wt% in the modified rubber layer.
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    表  2   试件参数和试验结果

    Table  2   Scheme of test program and results

    Specimen Exposure time/d Liquid rubber content/
    wt%
    Ultimate load/kN Average load/kN Failure mode Specimen Exposure time/d Liquid rubber content/
    wt%
    Ultimate load/kN Average load/kN Failure mode
    A0-0-1 0 0 88.90 87.22 b B120-10-1 120 10 85.86 84.84 a
    a
    a
    A0-0-2 91.47 b B120-10-2 88.20
    A0-0-3 81.29 b B120-10-3 80.45
    A0-5-1 5 84.01 78.63 a+d
    a+d
    a+d
    B180-0-1 180 0 59.10 58.36 b
    b
    b
    A0-5-2 76.23 B180-0-2 58.97
    A0-5-3 75.65 B180-0-3 57.02
    A0-10-1 10 81.89 76.79 a B180-10-1 10 73.73 72.97 a
    a
    a
    A0-10-2 75.15 a B180-10-2 70.53
    A0-10-3 73.33 a B180-10-3 74.66
    A0-15-1 15 79.33 76.20 a
    a
    a
    C60-0-1 60 0 82.31 77.63 c
    c
    c
    A0-15-2 76.13 C60-0-2 70.83
    A0-15-3 73.15 C60-0-3 79.75
    B60-0-1 60 0 89.19 91.54 a+c C60-10-1 10 74.22 76.38 a+c
    a+c
    a+c
    B60-0-2 88.65 a+c C60-10-2 75.89
    B60-0-3 96.77 a+c C60-10-3 79.02
    B60-5-1 5 87.79 87.91 a+c
    a+c
    a+c
    C120-0-1 120 0 53.45 54.83 c
    c
    c
    B60-5-2 88.81 C120-0-2 56.37
    B60-5-3 87.12 C120-0-3 54.67
    B60-10-1 10 84.67 86.55 a
    a
    a
    C120-10-1 10 71.14 73.52 a+c
    a+c
    a+c
    B60-10-2 89.51 C120-10-2 75.06
    B60-10-3 85.48 C120-10-3 74.35
    B60-15-1 15 76.63 73.39 a
    a
    a
    C180-0-1 180 0 49.04 49.70 c
    B60-15-2 69.08 C180-0-2 50.80 c
    B60-15-3 74.47 C180-0-3 49.26 c
    B120-0-1 120 0 73.56 74.64 b
    b
    b
    C180-10-1 65.02 a+c
    B120-0-2 71.93 C180-10-2 10 66.76 66.75 a+c
    B120-0-3 78.43 C180-10-3 68.46 a+c
    Notes: Rules of specimen label "***-***-***": Characters before the first "-"—Chloride corrosion environments and corrosion time; Characters between the two "-"—Liquid rubber content; Character after the second "-"—Serial number of the specimen in each group; A—Normal temperature control group; B—High temperature water bath chloride environments; C—Normal temperature wet-dry cycles chloride environments; Failure modes: a—Cohesion failure in adhesive; b—CFRP plate delamination; c—Steel and adhesive debonding failures; d—CFRP plate and adhesive debonding failure.
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    表  3   高温水浴下CFRP-钢改性界面模型参数

    Table  3   Model parameters of CFRP-steel modified interface after high temperature water bath

    Specimen τmax/MPa S1/mm S2/mm Sf/mm Gf/(N·mm−1) {P}_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}} /kN {P}_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}} /kN P_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}/P_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}
    B0-10-1 25.16 0.0309 0.109 0.210 3.62 81.89 83.27 0.98
    B0-10-2 25.06 0.0308 0.108 0.209 3.60 75.15 83.04 0.91
    B0-10-3 25.26 0.0309 0.108 0.205 3.56 73.33 82.58 0.89
    B60-10-1 25.21 0.0362 0.124 0.252 4.28 84.67 90.55 0.94
    B60-10-2 25.12 0.0352 0.123 0.259 4.36 89.51 91.39 0.98
    B60-10-3 25.16 0.0358 0.123 0.258 4.35 85.48 91.28 0.94
    B120-10-1 24.93 0.0335 0.115 0.245 4.07 85.86 88.30 0.97
    B120-10-2 24.80 0.0328 0.117 0.248 4.11 88.20 88.73 0.99
    B120-10-3 24.85 0.0330 0.114 0.247 4.08 80.45 88.41 0.91
    B180-10-1 24.14 0.0324 0.093 0.193 3.06 73.73 76.56 0.96
    B180-10-2 24.28 0.0318 0.088 0.187 2.97 70.53 75.43 0.93
    B180-10-3 24.32 0.0320 0.095 0.182 2.98 74.66 75.55 0.99
    Notes: τmax—Interface maximum shear stress; S1, S2 and Sf—Characteristic points of the relative slip value of the interface; Gf—Fracture energy of the interface; Pu,exp—Experimental value of bearing capacity; Pu,pre—Predicted value of bearing capacity.
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    表  4   常温干湿循环下CFRP-钢改性界面模型参数

    Table  4   Model parameters of CFRP-steel modified interface after normal temperature wet-dry cycles

    Specimen τmax/MPa S1/mm S2/mm Sf/mm Gf/(N·mm−1) {P}_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}} /kN {P}_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}} /kN P_{\mathrm{u},\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}/P_{\mathrm{u},\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}
    C60-10-1 23.88 0.0284 0.107 0.198 3.31 74.22 79.63 0.93
    C60-10-2 23.84 0.0283 0.108 0.204 3.38 75.89 80.46 0.94
    C60-10-3 23.86 0.0283 0.106 0.205 3.37 79.02 80.35 0.98
    C120-10-1 23.45 0.0281 0.100 0.191 3.08 71.14 76.81 0.93
    C120-10-2 23.48 0.0280 0.101 0.194 3.15 75.06 77.68 0.97
    C120-10-3 23.51 0.0280 0.102 0.195 3.16 74.35 77.80 0.96
    C180-10-1 20.56 0.0281 0.095 0.182 2.59 65.02 70.44 0.92
    C180-10-2 20.53 0.0280 0.096 0.181 2.56 66.76 70.03 0.95
    C180-10-3 20.58 0.0279 0.096 0.179 2.54 68.46 69.75 0.98
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  • 目的 

    由于CFRP与钢板间的粘结界面作为加固体系中的薄弱环节,其耐久性能易受到高温和腐蚀性溶液的侵入而产生显著退化。特别是在沿海地区,由于受到氯盐侵蚀界面易出现滑移或脱胶,导致结构承载能力降低,耐久性能不足,研究将液体橡胶掺入胶粘剂进行改性增韧对CFRP-钢耐久性的影响。

    方法 

    研究了液体橡胶改性剂掺量和侵蚀龄期对CFRP-钢改性界面在高温水浴和常温干湿循环两种氯盐侵蚀作用后力学性能的影响。

    结果 

    ①在高温水浴氯盐侵蚀下,未改性试件的破坏模式为CFRP层间剥离破坏,界面性能尚未充分发挥,而掺液体橡胶的改性CFRP-钢试件破坏模式为粘结剂内聚破坏,界面剪应力分布更加均匀,传递范围增大,界面延性得到提升。在腐蚀龄期达到120天和180天后,改性试件极限荷载保留率分别提升了24.91%和28.11%。②在常温干湿循环氯盐侵蚀下,未改性试件的破坏模式为钢/粘结剂界面剥离破坏,液体橡胶改性试件破坏模式为粘结剂内聚破坏和钢/粘结剂界面混合破坏。改性试件的界面剪应力分布与高温水浴环境下的改性试件相似,在腐蚀龄期60、120和180天后,改性试件的极限荷载保留率相比未改性试件分别提升了10.5%、32.9%和29.9%。③高温水浴及常温干湿循环氯盐侵蚀下液体橡胶改性试件的粘结-滑移关系均为三折线形状,根据试验结果建立了统一模型,并分别对其关键参数进行标定。

    结论 

    将液体橡胶掺入胶粘剂进行改性增韧可以提高CFRP-钢界面的耐久性,液体橡胶改性试件可将破坏模式转变为承载力更高的粘结剂内聚破坏,其中10%液体橡胶提升界面耐久性效果最优,能够显著提高试件的极限荷载保留率。基于试验结果,建立的适用于两种氯盐侵蚀环境下的改性界面粘结-滑移模型,为CFRP加固钢结构在氯盐侵蚀下耐久性的优化设计提供依据。

  • 碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 因其轻质高强、耐久性优异的特点,已被广泛尝试应用于钢结构的粘结加固领域。由于CFRP与钢板间的粘结界面作为加固体系中的薄弱环节,其耐久性能易受到高温和腐蚀性溶液的侵入而产生显著退化。特别是在沿海地区,由于受到氯盐侵蚀界面易出现滑移或脱胶,导致结构承载能力降低,耐久性能不足,而将液体橡胶掺入胶粘剂进行改性增韧可以提高界面的耐久性。

    本文通过采用高温水浴、常温干湿循环加速侵蚀的试验方法模拟氯盐侵蚀环境,通过掺入液体橡胶对CFRP-钢界面进行改性,设计制备了54个CFRP-钢双搭接试件。研究了不同腐蚀龄期下试件的破坏模式、极限荷载和粘结-滑移曲线,发现10%液体橡胶对提升界面耐久性效果最优,是因为橡胶颗粒能够与粘结剂分子链形成交联作用,延缓水分在粘结剂中的扩散速度,而过高掺量引起液体橡胶团聚现象,降低了界面粘结性能。因此后文对10%液体橡胶改性试件进行进一步研究,发现改性试件破坏模式在高温水浴和常温干湿循环的氯盐侵蚀环境下以粘结剂内聚破坏为主,在2种环境侵蚀180天后,极限荷载保留率相较未改性试件分别提升了28.11%和29.94%。从CFRP板表面应变分布分析,改性试件界面剪应力传递范围增大。基于试验数据发现两种氯盐侵蚀环境下改性试件的粘结滑移关系均为三线性模型,并根据试验结果对模型关键参数进行标定,建立了适用于两种氯盐侵蚀环境下的界面的粘结-滑移模型,为CFRP加固钢结构在氯盐侵蚀下耐久性的提升提供设计依据。

    氯盐侵蚀下试件极限荷载对比 (a) 高温水浴 (b) 常温干湿循环

图(12)  /  表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-18
  • 修回日期:  2023-11-01
  • 录用日期:  2023-11-02
  • 网络出版日期:  2023-11-12
  • 刊出日期:  2024-05-31

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