Effect of curing and ambient temperature on properties of epoxy resin and bond behavior of near-surface-mounted CFRP-concrete interface
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摘要: 表层嵌贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构中的环氧树脂粘结剂具有一定的温度敏感性，试验研究了不同固化温度和试验环境温度下环氧树脂力学性能及其在加固结构中的粘结性能，结果表明：(1) 固化温度的升高大幅缩短了环氧树脂固化时间，对其拉伸强度和剪切强度的影响较小，拉伸强度仅在固化温度超过80℃时小幅下降，降幅在10%以内；试验环境温度的升高会引起环氧树脂软化，导致其拉伸强度和剪切强度显著降低；固化温度更高的环氧树脂在60℃甚至更高试验环境温度下剪切性能更稳定；(2) 固化温度对表层嵌贴CFRP加固构件的界面粘结性能影响较小，但界面粘结性能随着试验环境温度的升高而显著下降，最大降幅约为58.89%，破坏模式也由混凝土内聚破坏转变为环氧树脂-混凝土界面破坏和CFRP-环氧树脂界面破坏；固化温度更高的试件在高试验环境温度下表现出更高的粘结强度。在试验基础上拟合了加固试件界面的粘结-滑移本构曲线，并建立了曲线特征参数与试验环境温度的关系。Abstract: Epoxy resin in near-surface-mounted (NSM) carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforced concrete structure has a certain temperature sensitivity. The properties of epoxy resin and its bond behavior in the reinforced structure were experimentally studied at different curing temperatures and ambient temperatures. The results show that: (1) The curing time of epoxy resin is greatly shortened with the increase of curing temperature, and has little effect on its tensile strength and shear strength, the tensile strength only decreases slightly by about 10% when curing temperature exceeds 80℃. But the tensile strength and shear strength of epoxy resin decrease obviously with the increase of ambient temperature. Epoxy resins with higher curing temperatures have more stable shear properties at 60℃ or higher ambient temperatures; (2) The effect of curing temperature on the CFRP-concrete interface bond property of NSM CFRP reinforced components is small, but the interfacial bond behavior decreases with the increase of ambient temperature, and the maximum reduction is about 58.89%. The failure mode also changes from concrete cohesive failure to epoxy resin-concrete interface failure and CFRP-epoxy interface failure. The specimen with higher curing temperature shows higher bonding strength at high ambient temperature. In addition, the bond-slip curves of the specimen interface are fitted on the basis of the test, and the relationship between the characteristic parameters of the curve and the ambient temperature is established.
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表层嵌贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固是一种将CFRP内嵌并粘结于混凝土结构表面凹槽中且无需永久锚具的技术，具有良好的抗损性和耐久性，在桥梁加固领域中有广阔的应用前景[1-3]。环氧树脂粘结强度高、耐腐蚀和收缩率小，被作为粘结剂广泛运用于表层嵌贴加固中[4-6]。梯度预应力技术[7-9]通过分段放张预应力的方式使CFRP端部预应力在一定长度内呈阶梯状降低，减小了预应力引起的剪切应力峰值，延缓甚至避免了端部破坏的发生。设置梯度预应力需要改变预应力大小并在相应区段填入粘结剂且完成固化，再次改变预应力并在下一区段填入粘结剂且完成固化，重复上述步骤直至完成所有梯度预应力段，采用常规固化方式会导致工期格外漫长，必须通过提高环氧树脂固化温度以提高加固效率。然而环氧树脂作为高温敏感性有机材料，温度对其性能的影响非常显著 [10-12]，因此探究固化温度和试验环境温度对环氧树脂与CFRP-混凝土界面粘结性能的演变规律十分必要。
彭勃等[13]研究了5种环氧树脂在不同固化温度和固化时间下的性能变化，发现提高固化温度和延长固化时间均可以大幅度提高环氧树脂耐高温性能；胡克旭等[14]对环氧树脂在23℃和100℃固化温度下的剪切性能进行了试验，结果表明高温固化可提高环氧树脂的玻璃化转变温度，改善其耐高温性能；王飞朋等[15]对50℃、70℃、90℃和110℃固化温度下环氧树脂的拉伸强度进行了试验，发现固化温度较低时试件结构断裂面相对光滑，且拉伸性能也高于固化温度较高的试件。Czaderski 等[16]进行了不同固化温度和固化时间下的单剪拉拔试验，结果表明固化温度对环氧树脂粘结强度的影响较大，其所需固化时间随固化温度的升高而缩短。
Gamage等[17]进行了环境温度20~150℃的CFRP-混凝土单剪试验，结果显示CFRP-混凝土界面粘结强度在试验环境温度36℃前较稳定，超过36℃后开始下降，在70℃时达到最小值；CFRP-混凝土界面破坏细节也有所不同，试验环境温度60℃以下时破坏发生在环氧树脂-混凝土界面，超过60℃时破坏发生在CFRP-环氧树脂界面。胡克旭等[18-19]对外贴纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土试件进行了试验环境温度为10~180℃的双剪试验，结果表明界面粘结强度以40℃为分界点先上升后下降，温度达到100℃时环氧树脂完全软化，粘结强度达到最低点。Leone等[20]研究了高温外贴FRP-混凝土界面粘结性能变化规律，指出试验环境温度对破坏模式、有效粘结长度和界面粘结强度均有显著影响。李传习等[21]在不同试验环境温度下对4种环氧树脂的性能进行研究，结果表明环氧树脂粘结强度及抗变形能力都随环境温度的升高而降低，材料储能模量在玻璃转化区间内急剧退化。
从上述研究可以看出，固化温度和试验环境温度对环氧树脂力学性能的影响显著，但研究中未将固化温度和试验环境温度对环氧树脂性能影响规律和其在加固结构中的界面粘结性能变化规律相结合。鉴于此，本文研究了Sikadur-30 CN环氧树脂在不同固化温度、固化时间和试验环境温度下的拉伸性能、剪切性能变化情况，并探究了表层嵌贴CFRP加固混凝土试件在不同固化温度和试验环境温度下界面粘结性能的演变规律，建立了界面的粘结-滑移本构关系。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
实验采用SIKA公司生产的Sikadur-30 CN环氧树脂粘结剂，采用DEXTRA公司生产的ASTEC CT124-2型矩形截面CFRP板条，截面尺寸2 mm×16 mm，材料各项力学性能见表1。
表 1 材料性能Table 1. Mechanical performanceMaterial parameter Epoxy resin CFRP Tensile strength/MPa 40 2564.3 Elasticity modulus/GPa 3.2 140.7 Elongation at break/% 1.5 1.96 Bonding strength/MPa 60 – Compressive strength/MPa 70 – Standard value of tensile shear strength of steel to steel/MPa 14 – Tensile strength of epoxy to
concrete/MPa2.5 – Notes: Epoxy resin was cured at 23℃ for 7 days, and then tested at 23℃; CFRP—Carbon fiber reinforced polymer. 1.2 环氧树脂力学性能试验
环氧树脂拉伸性能试验参照美国材料实验协会规范ASTM D638-10[22]进行设计，拉伸试件细节如图1(a)所示，通过分析拉伸强度和观察试验现象对试件固化情况进行判断，得出环氧树脂在不同固化温度下的最佳固化时间。环氧树脂剪切性能试验参照国家标准GB/T 7124—2008[23]进行设计，将两块100 mm×25 mm×2.5 mm的铝片通过环氧树脂粘结为如图1(b)所示的剪切试件，粘结区域面积为12.5 mm×25 mm，试验时在试件两端放入相同厚度的垫块以防止加载偏心。
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图 1 环氧树脂拉伸与剪切性能测试试件R—Chamfer radius between adjacent sections of the specimenFigure 1. Epoxy specimen for tensile and shear properties为研究不同固化温度对环氧树脂力学特性的影响，将试件浇筑好后放入巨为JW-2009可程式恒温恒湿试验箱中，设置不同温度和时间进行固化，固化完成脱模冷却后开始试验，具体试验工况见表2，每组拉伸试验和剪切试验各设置5个试件以减小个体误差。
表 2 试验工况Table 2. Test conditionsExperiment Curing temperature/℃ Curing time/h Ambient temperature/℃ Purpose Quasi static tensile test (Tensile test) 100 0.5, 1, 1.5, 2 20 The influence of curing temperature on the tensile properties of epoxy resin, and the optimum curing time corresponding to each curing temperature. 90 0.5, 1, 1.5, 2, 3 80 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4 70 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6 60 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 50 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 40 12, 16, 20, 24, 28 20 (Standard) 24, 36, 48, 60, 72, 96 0 24, 48, 72, 96 Quasi static tensile test (Shear test) 100 1.3 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 The effects of curing temperature and ambient temperature on shear properties of epoxy resin. 80 2 60 5 40 24 20 (Standard) 72 Note: Considering the weather condition during the test, the curing condition at room temperature was set at 20℃. 采用MTS Landmark-370.25带高低温箱的电液伺服测试系统进行准静态拉伸试验，试验机采用气动夹具夹持，下部夹头固定，上部夹头可上下移动。配套温度箱温度控制范围为−100~300℃，温度控制精度为±0.5℃；试验采用位移加载控制，拉伸试验加载速率为2 mm/min，剪切试验加载速率为0.3 mm/min。试验前先夹持试件上端并设定试验环境温度；待温度箱达到目标温度以下3℃左右，打开温度箱将下端夹持，关闭温度箱继续升温；待上升到指定温度后恒温15 min开始试验。试验中的荷载和位移由加载系统自带传感器测得，取当下温度的最大荷载作为破坏荷载，并测量试件实际破坏断面尺寸。
1.3 界面单剪拉拔试验
表层嵌贴CFRP加固混凝土单剪拉拔试件如图2(a)所示，实测混凝土28天平均抗压强度为42.8 MPa，试件尺寸200 mm×220 mm×300 mm，浇筑时在200 mm边长正中的混凝土表面预留截面10 mm×20 mm的通长矩形槽，在混凝土内部预留孔道以通过高强螺杆锚固于加载平台；为防止加载时混凝土槽端出现应力集中，槽内CFRP前后各留10 mm不进行粘结，嵌贴CFRP后放入温度控制箱中进行固化。单剪拉拔试验加载及升温装置如图2(b)所示，试件通过螺杆固定在台座上，在加载端CFRP水平高度布置空心千斤顶、传感器和CFRP锚具，通过千斤顶顶推CFRP锚具进行加载。在加载端CFRP上布置位移计，粘结长度内共设计6个间隔为40 mm和2个间隔为30 mm的CFRP应变测点。先以5 kN为级差进行加载，每级加载间隔5 min；混凝土开裂后将级差减小至2.5 kN，加载间隔不变，通过应变采集系统记录每级荷载下的CFRP应变值，手动记录加载端位移值和试验现象。
设置固化温度和试验环境温度均为20℃的试件P-C20-T20为对比试件，分别改变固化温度、试验环境温度，提高固化温度并改变试验环境温度进行试验，具体参数设计如表3所示。
表 3 试验参数设计Table 3. Design of test parametersSpecimen Curing temperature/℃ Curing time/h Ambient temperature/℃ P-C20-T20 20 96 20 P1-C40-T20 40 24 P1-C60-T20 60 5 P1-C80-T20 80 2 P1-C100-T20 100 1.3 P2-C20-T40 20 96 40 P2-C20-T60 60 P2-C20-T80 80 P3-C80-T40 80 2 40 P3-C80-T60 60 P3-C80-T80 80 Notes: P-C20-T20—Control specimen; P1—Curing temperature group; P2—Ambient temperature group; P3—Heat resistance group; C and T are curing and ambient temperature respectively, followed by the number is the specific value. 试验中需要测量试件在不同温度下的荷载和位移数据，但表层嵌贴CFRP加固试件的相关试验较少，没有标准的温度控制方法作为参照。本文温度控制流程如下：首先将混凝土试块固定在加载装置上，嵌入CFRP并填充环氧树脂；然后启动温度控制箱至指定固化温度，恒温固化一定时间(由环氧树脂性能试验得到)；固化完成后关闭温度控制箱，静置约2 h，待试件温度冷却至室温；再次启动温度控制箱至设计试验环境温度，恒温15 min后开始试验。共设置3个采集频率为1 Hz的温度传感器，其中1个置于顶面混凝土表层，另外2个分别埋设在加载端和自由端的环氧树脂内，温度控制时以环氧树脂内的温度为主。
2. 温度对环氧树脂力学性能影响
2.1 温度对环氧树脂拉伸性能的影响
环氧树脂在不同固化温度下的拉伸强度-养护时间关系如图3所示，其中养护时间为不同养护温度下的实际养护时间，拉伸强度由极限拉伸荷载除以破坏后试件实测横截面积得到。
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图 3 固化温度对环氧树脂拉伸强度的影响Figure 3. Effect of curing temperature on tensile strength of epoxy可以看出，环氧树脂拉伸强度随养护时间的增加逐渐增大，所有试件的最大拉伸强度均在35 MPa左右保持相对稳定，固化温度超过80℃试件的最大拉伸强度略有降低，最大降幅约为10%，观察发现其表面发黄并出现了微小且密集的气泡，这是由于固化温度过高时，环氧树脂在固化过程中反应速率过快放出大量的热，产生气泡和内应力变形降低了拉伸性能。以固化温度20℃时养护96 h后试件的拉伸强度作为环氧树脂完成固化的参照强度，所需的养护时间即为固化时间，其对应关系如图4所示，在本文研究范围(20~100℃)内，固化所需时间与固化温度关系如下式所示：
Tc=0.49+409.18×0.93Hc (1) 式中：Hc为养护环氧树脂时的环境温度(℃)；Tc为环氧树脂达到指定强度所需的养护时间(h)。
图5描绘了20℃下固化96 h的环氧树脂在不同试验环境温度下的拉伸强度和应力-应变曲线。可以看出，拉伸强度随着试验环境温度的升高呈下降趋势，温度达到40℃时，环氧树脂拉伸强度下降到20℃时的70%，此时的应力-应变曲线已经出现弹塑性段；温度达到60℃时，拉伸强度下降到20℃时的30%，由于此时温度已经超过其玻璃化转变温度，环氧树脂软化较严重并呈现明显的塑性特征，曲线出现较长的塑性段；温度达到80℃时，环氧树脂基本失去拉伸强度。
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图 5 试验环境温度对环氧树脂拉伸性能影响Figure 5. Effect of ambient temperature on tensile properties of epoxy2.2 温度对环氧树脂剪切性能的影响
在拉伸性能试验的基础上，综合不同固化温度和试验环境温度对环氧树脂剪切性能进行试验，结果如图6所示，其中剪切强度和剪切刚度分别为极限荷载与粘结面积和对应位移的比值。
对比不同固化温度下的试验结果可发现，固化温度为20℃时试件剪切强度较低，固化温度40~100℃的试件剪切强度都有明显的提升，说明较低的固化温度抑制了固化反应的进行，环氧树脂性能发挥不完全；合适或较高的固化温度会促进固化反应的进行，在一定范围内固化温度越高，固化反应速率越快，性能越好。随着试验环境温度的升高，各组试件的剪切强度都呈现先上升后下降的趋势，固化温度更高的试件剪切性能上升趋势更明显，下降趋势更平缓。
各组试件的剪切刚度随着试验环境温度升高呈下降趋势，但固化温度20℃的试件在试验环境温度50℃时刚度出现了上升，这是由于在试验环境温度升高过程中固化反应未完全的环氧树脂继续固化，但后固化的程度有限。固化温度在20~80℃时，剪切刚度大致随着固化温度的升高而增大，但60℃和40℃固化试件的剪切刚度差异较小；固化温度为100℃的试件剪切刚度反而低于固化温度为80℃的试件，推测与拉伸试件一样，环氧树脂在过高的固化温度下产生气泡，有效粘结面积减小，降低了试件的剪切性能。
由上述试验结果可知，使用环氧树脂作为粘结剂时，可采用高温固化的方式提升其粘结性能和耐高温性能，建议最高固化温度不宜超过80℃。
3. 温度对表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能影响
3.1 固化温度对表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的影响
对不同固化温度下的表层嵌贴 CFRP加固混凝土试件的界面粘结性能进行了单剪试验研究，结果如表4所示。
表 4 固化温度组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果Table 4. Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete in curing temperature groupSpecimen Curing temperature/℃ Curing time/h Failure load/kN Maximum shear stress/MPa Failure mode P-C20-T20 20 96 90.0 16.07 CC+RC P1-C40-T20 40 24 92.5 16.28 CC+RC P1-C60-T20 60 5 87.5 15.55 CC+RC P1-C80-T20 80 2 90.0 15.41 CC+RC P1-C100-T20 100 1.3 87.5 17.15 CC+RC Notes: CC—Cohesive failure of concrete; RC—Interface failure of epoxy resin to concrete. 对比表层嵌贴CFRP加固试件界面粘结性能时，将实测CFRP板条应变数据代入下式计算得到：
τ(xi+xi+12)=Efbftf2(bf+tf)εi+1−εixi+1−xi(i=1,2⋯) (2) 式中：xi、xi+1分别为CFRP板条上相邻两应变片的坐标；εi、εi+1分别为相邻两应变片坐标对应的应变值；Ef为CFRP板条弹性模量；bf、tf为板宽、板厚。
所有试件的破坏荷载都为90 kN左右，CFRP与环氧树脂均在加载端混凝土破坏后被整体拔出，典型破坏模式如图7所示，固化温度的升高未改变试件的破坏模式，这表明在槽尺寸为10 mm×20 mm的情况下，C40混凝土内聚破坏的强度小于环氧树脂-混凝土界面破坏的强度。由于破坏荷载和破坏模式都较接近，CFRP应变也呈现出相似的分布情况，以试件P1-C100-T20为例，可以从图8所示的CFRP板条应变分布图和粘结应力传递图中看到，粘结应力峰随着荷载的增加逐渐向自由端传递。加载过程中荷载应力由CFRP通过粘结剂传递至混凝土，加载初期荷载主要由靠近加载端的区段承担，该区段CFRP应变开始迅速增长；随着应力不断向自由端传递，距加载端较远的CFRP应变也开始逐渐增长；伴随荷载的不断增大，距加载端0~100 mm内测点的应变差值逐渐减小，此时加载端环氧树脂-混凝土界面出现纵向裂缝并发出轻微爆裂声，表明加载端部环氧树脂-混凝土界面开始退化并剥离，该处界面仅靠摩擦力和机械咬合力承受荷载；凹槽周围的混凝土不足以抵抗粘结应力时出现裂缝并退出工作，承受荷载的区段逐渐向自由端缩减；当剩余长度的混凝土无法抵挡荷载的继续增加时，试件破坏。
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图 7 表层嵌贴CFRP-混凝土典型破坏模式Figure 7. Typical failure mode of near-surface-mounted CFRP-concrete3.2 试验环境温度对表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的影响
对不同试验环境温度下的表层嵌贴CFRP-混凝土界面的粘结性能进行了单剪试验研究，结果如表5所示。
表 5 试验环境温度组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果Table 5. Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete in ambient temperature groupSpecimen Softening degree Failure
load/kNαL/% Maximum shear stress/MPa αS/% Failure mode Decrease P-C20-T20 No 90.0 0.00 16.07 0.00 CC 100.00% P2-C20-T40 Slight 60.0 33.33 12.27 23.65 RC+CC 66.67% P2-C20-T60 Significant 42.5 52.78 9.57 40.45 RC 47.22% P2-C20-T80 Severe 37.0 58.89 8.56 46.73 FR 41.11% Notes: FR—CFRP to epoxy resin interface failure; αL and αS—Decreasing amplitude of the failure load and shear stress of the specimen relative to P-C20-T20. 如图9所示，试件在不同试验环境温度下的破坏模式有所不同。试件P-C20-T20发生加载端的混凝土内聚破坏，并导致自由端少量环氧树脂-混凝土界面剥离破坏，混凝土破坏较明显。试件P2-C20-T40主要为环氧树脂-混凝土界面的剥离破坏，并伴随加载端混凝土内聚破坏，CFRP和环氧树脂被整体拔出，环氧树脂上附带了少许混凝土，混凝土破坏较小，破坏荷载和剪切应力较试件P-C20-T20减小了33.33%和23.65%。试件P2-C20-T60试件发生环氧树脂-混凝土界面剥离破坏，CFRP与环氧树脂整体被拔出，混凝土未出现破坏，此时环氧树脂已经明显软化且有少量残留在混凝土槽壁上，破坏荷载和剪切应力较试件P-C20-T20减小了52.78%和40.45%。试件P2-C20-T80发生CFRP-环氧树脂界面剥离破坏，此时环氧树脂在高温下已经严重软化，粘结性能的下降导致CFRP被直接拔出，破坏荷载和剪切应力较试件P-C20-T20减小了58.89%和46.73%。随着试验环境温度的升高，试件破坏荷载与剪切应力显著降低，试件破坏界面逐渐由混凝土转变为环氧树脂-混凝土界面，最终转变为CFRP-环氧树脂界面，具体如图9(d)所示。
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图 9 不同试验环境温度下表层嵌贴CFRP-混凝土试件破坏模式Figure 9. Failure modes of near-surface-mounted CFRP-concrete under different ambient temperatures以试件P2-C20-T80为例，从图10可以看出，CFRP应变和粘结应力都还主要集中在加载端附近区段，CFRP应变数值和粘结应力大小都表明该区段的混凝土仍未达到极限承载状态。
从图11可知，试验环境温度升高导致界面粘结刚度与环氧树脂对CFRP的约束能力显著降低，且粘结应力不能很好地向自由端传递，使试件承载潜力无法发挥而过早发生破坏。试验环境温度越高的试件破坏荷载越小，应力的传递效果也越差，试验环境温度80℃试件的破坏荷载和界面粘结强度仅为20℃试件的41.11%和57.93%，这与前述环氧树脂性能随试验环境温度的变化趋势一致。
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图 11 试验环境温度组表层嵌贴CFRP-混凝土数据分析Figure 11. Analysis of ambient temperature group data of near-surface-mounted CFRP-concrete3.3 固化温度对表层嵌贴CFRP-混凝土界面耐高温性能的影响
在环氧树脂性能试验中高温固化可以提高其耐热性能，为验证这一结论在表层嵌贴CFRP加固结构中是否成立，对高温固化的试件在不同试验环境温度下的界面粘结性能进行了试验，并与常温固化试件在相同试验环境温度下的结果对比，具体如表6所示。
表 6 耐高温性能组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果Table 6. Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete for heat resistance groupSpecimen Curing temperature/℃ Ambient temperature/℃ Failure load/kN αT/% Failure mode P-C20-T20 20 20 90.0 0.00 CC P3-C80-T20 80 90.0 CC P2-C20-T40 20 40 60.0 16.67 RC+CC P3-C80-T40 80 70.0 CC P2-C20-T60 20 60 42.5 11.76 RC P3-C80-T60 80 47.5 RC P2-C20-T80 20 80 37.0 8.11 FR P3-C80-T80 80 40.0 RC Note: αT—Increasing amplitude of specimen cured at 80℃ compared with those cured at 20℃. 对比试件在40、60、80℃试验环境温度下的破坏荷载可知，80℃固化试件较20℃试件的增大幅度为8.11%~16.67%。对比试件破坏模式可知，20℃固化试件在试验环境温度为40℃时发生了环氧树脂-混凝土界面破坏，而80℃固化试件在试验环境温度为60℃时才出现该破坏模式；20℃固化试件在试验环境温度为80℃时由于环氧树脂严重软化导致CFRP被直接拔出，而80℃固化试件在同样试验环境温度下未出现该破坏模式。
从图12可以看出，20℃固化试件和80℃固化试件的破坏荷载都随试验环境温度的升高而显著降低，但高温固化提高了环氧树脂的耐热性，性能下降程度有所减缓，粘结界面在高温环境下表现更好，这与环氧树脂剪切性能变化规律一致，但由于环氧树脂用量较多且仅有一个直接加热面，界面粘结性能的提升小于环氧树脂性能的提升。
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图 12 表层嵌贴CFRP-混凝土破坏荷载-试验环境温度曲线Figure 12. Failure load-ambient temperature curves of near-surface-mounted CFRP-concrete采用TA-DMA850动态热力学分析仪测量环氧树脂的热力学性能，通过损耗模量法计算其玻璃化转变温度[24]，如图13所示，玻璃化转变温度随固化温度的升高而升高，固化温度80℃试件的玻璃化转变温度约为68℃，相对20℃固化试件提升了15℃。提高固化温度使环氧链段运动能力增强，未反应的环氧基团进一步反应，交联密度增大、热变形温度升高，因此采用升温固化的方法，既可以提高结构胶的耐热性能，又可以缩短工期。
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图 13 固化温度对环氧树脂玻璃化转变温度影响Figure 13. Effect of curing temperature on epoxy glass transition temperature4. 考虑温度影响的表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结-滑移关系
界面粘结应力与对应滑移值的相互关系反映了在剪切应力作用下界面受力至破坏的行为，是分析表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的重要依据。选取距加载端100 mm处的应变测点为研究对象，既可以稳定反映界面完整的受力行为，又能够避免距离加载端过近，加载后期两相邻应变测点差值较小，导致计算粘结剪应力偏小，试件在不同试验环境温度下的局部粘结-滑移曲线可以分为两类[25-27]：
(1) 试验环境温度低于60℃时环氧树脂未软化，曲线在粘结剪应力达到峰值前处于上升段，之后开始下降并逐渐趋向于下界值。分别对上升段和下降段进行拟合，由界面粘结应力
τs 达到最大值时的粘结应力τm 和相对滑移值sm 采用正弦函数拟合得到上升段；由界面粘结应力达到最小值时的粘结应力τr 采用指数函数进行拟合得到下降段；具体如下式所示：{τs=τmsin(π2ssm) (s⩽ (3) 式中：s 为CFRP与混凝土相对滑移；
k 为拟合系数，k = \ln \left( {1 - {\tau _{{\rm{r}}}}/{\tau _{{\rm{m}}}}} \right) + 1 。(2) 试验环境温度达到和高于60℃时环氧树脂逐渐软化，试件达到粘结应力峰值时瞬间发生破坏，曲线仅有上升段，定义最大峰值粘结应力为
{\tau }_{\mathrm{m}} 和对应的滑移为{s}_{\mathrm{m}} ，采用线性函数简化得到其相对关系如下式所示：{\tau _{ {{\rm{s}}} }} = \frac{{{\tau _{{\rm{m}}}}}}{{{s_{{\rm{m}}}}}} s (4) 从图14可以看出，采用Levenberg-Marquardt非线性优化算法进行拟合得到的峰值粘结应力
{\tau }_{\mathrm{m}} 、其对应滑移值{s}_{\mathrm{m}} 和残余摩擦力{\tau }_{\mathrm{r}} 均较理想。20℃固化试件在试验环境温度60℃时就已失去下降段，而80℃固化试件则还存在一段下降区间；在试验环境温度达到80℃后所有试件均失去下降段。如图15所示，参数{\tau }_{\mathrm{m}} 和{s}_{\mathrm{m}} 随着试验环境温度h升高近似呈指数下降和指数上升的关系，采用下式对其进行描述：![]()
图 14 表层嵌贴CFRP-混凝土粘结-滑移曲线拟合Figure 14. Fitting of shear stress-slip curves of near-surface-mounted CFRP-concrete![]()
图 15 表层嵌贴CFRP-混凝土参数拟合Figure 15. Parameter simulation of near-surface-mounted CFRP-concrete{\tau _{{\rm{m}}}} = 3.7 + 7.55 \exp \left[ {\left( { - h - 20} \right)/27.41} \right] (5) {s_{{\rm{m}}}} = 0.29 + 0.03\exp \left( {0.027h} \right) (6) 式中，试验环境温度h取值范围为(20℃、80℃)。
可根据上式对表层嵌贴CFRP-混凝土界面的粘结性能进行估算，当试验环境温度远小于环氧树脂玻璃化转变温度时，如20℃和40℃，采用式(3)表征粘结-滑移关系；当试验环境温度大于其玻璃化转变温度时，如80℃，用式(4)表征；当试验环境温度接近其玻璃化转变温度时，如60℃时，建议采用式(4)更保守地表征粘结-滑移关系。
5. 结 论
对不同固化温度和试验环境温度下Sikadur-30 CN环氧树脂性能和表层嵌贴碳纤维增强复合材料(CFRP)-混凝土界面粘结性能进行了试验，研究了其性能变化规律及机制，提出了不同试验环境温度下CFRP-混凝土的界面粘结-滑移本构关系，主要结论如下：
(1) 环氧树脂达到强度所需的固化时间与固化温度呈指数关系下降。环氧树脂性能随固化温度的变化较小，仅在固化温度超过80℃后小幅下降，且降幅小于10%；试验环境温度对环氧树脂性能的影响较大，其拉伸强度和剪切强度随试验环境温度的升高而大幅下降，当试验环境温度超过80℃时，基本失去拉伸强度；
(2) 在表层嵌贴CFRP加固混凝土试件中，界面粘结性能随固化温度的变化较小，CFRP应变分布情况粘结剪应力变化规律都基本一致；界面粘结性能随试验环境温度的升高而显著降低，试验温度从20℃上升到80℃时，界面峰值剪应力下降了46.73%。试验环境温度明显低于环氧树脂玻璃化转变温度时主要发生加载端混凝土内聚破坏，随着温度的升高转变为混凝土内聚与环氧树脂-混凝土界面混合破坏，试验环境温度明显高于玻璃化转变温度时出现CFRP-环氧树脂界面破坏；
(3) 环氧树脂的耐高温性能随固化温度的升高而有所提升，在40~80℃试验环境温度下，80℃固化表层嵌贴CFRP加固混凝土试件的破坏荷载较20℃固化试件提高了8.11%~16.67%。在试验基础上分别拟合了20℃和80℃固化的表层嵌贴CFRP加固混凝土试件在不同试验环境温度下的界面粘结应力-对应滑移关系，并提出了界面峰值粘结应力和对应滑移值与试验环境温度的关系式；
(4) 合理升高环氧树脂的固化温度不仅提高了固化效率，也改善了其与混凝土粘结界面的耐高温性能，建议以80℃为固化温度对梯度预应力加固构件进行试验研究，进一步促进该技术的推广应用。
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图 1 环氧树脂拉伸与剪切性能测试试件
R—Chamfer radius between adjacent sections of the specimen
Figure 1. Epoxy specimen for tensile and shear properties
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图 3 固化温度对环氧树脂拉伸强度的影响
Figure 3. Effect of curing temperature on tensile strength of epoxy
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图 5 试验环境温度对环氧树脂拉伸性能影响
Figure 5. Effect of ambient temperature on tensile properties of epoxy
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图 7 表层嵌贴CFRP-混凝土典型破坏模式
Figure 7. Typical failure mode of near-surface-mounted CFRP-concrete
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图 9 不同试验环境温度下表层嵌贴CFRP-混凝土试件破坏模式
Figure 9. Failure modes of near-surface-mounted CFRP-concrete under different ambient temperatures
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图 11 试验环境温度组表层嵌贴CFRP-混凝土数据分析
Figure 11. Analysis of ambient temperature group data of near-surface-mounted CFRP-concrete
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图 12 表层嵌贴CFRP-混凝土破坏荷载-试验环境温度曲线
Figure 12. Failure load-ambient temperature curves of near-surface-mounted CFRP-concrete
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图 13 固化温度对环氧树脂玻璃化转变温度影响
Figure 13. Effect of curing temperature on epoxy glass transition temperature
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图 14 表层嵌贴CFRP-混凝土粘结-滑移曲线拟合
Figure 14. Fitting of shear stress-slip curves of near-surface-mounted CFRP-concrete
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图 15 表层嵌贴CFRP-混凝土参数拟合
Figure 15. Parameter simulation of near-surface-mounted CFRP-concrete
表 1 材料性能
Table 1 Mechanical performance
Material parameter Epoxy resin CFRP Tensile strength/MPa 40 2564.3 Elasticity modulus/GPa 3.2 140.7 Elongation at break/% 1.5 1.96 Bonding strength/MPa 60 – Compressive strength/MPa 70 – Standard value of tensile shear strength of steel to steel/MPa 14 – Tensile strength of epoxy to
concrete/MPa2.5 – Notes: Epoxy resin was cured at 23℃ for 7 days, and then tested at 23℃; CFRP—Carbon fiber reinforced polymer. 
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表 2 试验工况
Table 2 Test conditions
Experiment Curing temperature/℃ Curing time/h Ambient temperature/℃ Purpose Quasi static tensile test (Tensile test) 100 0.5, 1, 1.5, 2 20 The influence of curing temperature on the tensile properties of epoxy resin, and the optimum curing time corresponding to each curing temperature. 90 0.5, 1, 1.5, 2, 3 80 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4 70 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6 60 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 50 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 40 12, 16, 20, 24, 28 20 (Standard) 24, 36, 48, 60, 72, 96 0 24, 48, 72, 96 Quasi static tensile test (Shear test) 100 1.3 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 The effects of curing temperature and ambient temperature on shear properties of epoxy resin. 80 2 60 5 40 24 20 (Standard) 72 Note: Considering the weather condition during the test, the curing condition at room temperature was set at 20℃.
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表 3 试验参数设计
Table 3 Design of test parameters
Specimen Curing temperature/℃ Curing time/h Ambient temperature/℃ P-C20-T20 20 96 20 P1-C40-T20 40 24 P1-C60-T20 60 5 P1-C80-T20 80 2 P1-C100-T20 100 1.3 P2-C20-T40 20 96 40 P2-C20-T60 60 P2-C20-T80 80 P3-C80-T40 80 2 40 P3-C80-T60 60 P3-C80-T80 80 Notes: P-C20-T20—Control specimen; P1—Curing temperature group; P2—Ambient temperature group; P3—Heat resistance group; C and T are curing and ambient temperature respectively, followed by the number is the specific value.
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表 4 固化温度组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果
Table 4 Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete in curing temperature group
Specimen Curing temperature/℃ Curing time/h Failure load/kN Maximum shear stress/MPa Failure mode P-C20-T20 20 96 90.0 16.07 CC+RC P1-C40-T20 40 24 92.5 16.28 CC+RC P1-C60-T20 60 5 87.5 15.55 CC+RC P1-C80-T20 80 2 90.0 15.41 CC+RC P1-C100-T20 100 1.3 87.5 17.15 CC+RC Notes: CC—Cohesive failure of concrete; RC—Interface failure of epoxy resin to concrete.
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表 5 试验环境温度组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果
Table 5 Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete in ambient temperature group
Specimen Softening degree Failure
load/kNαL/% Maximum shear stress/MPa αS/% Failure mode Decrease P-C20-T20 No 90.0 0.00 16.07 0.00 CC 100.00% P2-C20-T40 Slight 60.0 33.33 12.27 23.65 RC+CC 66.67% P2-C20-T60 Significant 42.5 52.78 9.57 40.45 RC 47.22% P2-C20-T80 Severe 37.0 58.89 8.56 46.73 FR 41.11% Notes: FR—CFRP to epoxy resin interface failure; αL and αS—Decreasing amplitude of the failure load and shear stress of the specimen relative to P-C20-T20.
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表 6 耐高温性能组表层嵌贴CFRP-混凝土试验结果
Table 6 Test results of near-surface-mounted CFRP-concrete for heat resistance group
Specimen Curing temperature/℃ Ambient temperature/℃ Failure load/kN αT/% Failure mode P-C20-T20 20 20 90.0 0.00 CC P3-C80-T20 80 90.0 CC P2-C20-T40 20 40 60.0 16.67 RC+CC P3-C80-T40 80 70.0 CC P2-C20-T60 20 60 42.5 11.76 RC P3-C80-T60 80 47.5 RC P2-C20-T80 20 80 37.0 8.11 FR P3-C80-T80 80 40.0 RC Note: αT—Increasing amplitude of specimen cured at 80℃ compared with those cured at 20℃.
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