Effect of high temperature on mechanical properties of CFRP plate-steel plate lapping interface based on developed adhesive
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摘要: 针对夏季钢桥面温度高达60℃左右，而温度对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构黏结界面力学性能影响显著的现象。基于研制的高性能胶黏剂GY34，制作了21个胶黏剂拉伸试件、15个CFRP板-钢板双搭接试件，进行了不同温度下的准静态拉伸试验、剪切拉伸试验，揭示了高温(≤90℃)对胶黏剂力学性能及CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响规律，建立了考虑温度影响的搭接界面极限承载力预测模型，得到了黏结-滑移关系模型随温度的变化趋势。研究结果表明：随温度的升高，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时达到峰值。随温度升高，基于研制胶黏剂的CFRP-钢搭接试件的极限承载力先增大后减小，破坏模式由CFRP板层离逐渐过渡为钢-胶层界面破坏。小于胶黏剂玻璃化转变温度Tg,S的高温下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段。随温度升高搭接试件的应变分布更加均匀，剪应力传递范围及有效黏结长度显著增加。基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移关系的形状在不同温度下均为三线性梯形。高温环境不会改变黏结-滑移关系模型的形状，会导致界面剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小。
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关键词:
- 纳米SiO2环氧胶黏剂 /
- CFRP-钢搭接接头 /
- 破坏模式 /
- 黏结-滑移关系 /
- 抗剪承载力
Abstract: According to the phenomenon that the temperature of the steel bridge deck reached about 60℃ in summer, and significantly affect the mechanical properties of the bonding interface of carbon fiber reinforced composite (CFRP)-reinforced steel structure, a total of 21 adhesive tensile test pieces and 15 CFRP plate-steel double-lap joints were fabricated, and quasi-static tensile tests and shear tests at different ambient temperatures were performed, based on developed high-performance adhesive GY34. The influence of high temperature (≤90℃) on the mechanical properties of adhesive and the mechanical properties of bonded CFRP plate-steel lap joints was obtained. A prediction model for the bearing capacity of the lap joint interface considering the effect of tempera-ture was established, and the trend of the bond-slip relationship model with the increasing of the temperature was obtained. The results show that the tensile strength and elastic modulus of the adhesive GY34 gradually decreases, and the elongation at break and the strain energy first increase and then decrease with the increasing of tempera-ture, and reaching a peak when the temperature is close to the glass transition temperature Tg,S of the adhesive. With the increase of temperature, the bearing capacity of CFRP-steel lap joints based on the developed adhesive first increases and then decreases, and the failure mode gradually transits from CFRP plate delamination to steel adhesive interface failure. The load-displacement curve has a significant ductile development stage at high tempera-ture below the Tg,S of the adhesive. With the increase of temperature, the strain distribution of lap joints becomes more uniform, and the shear stress transfer range and the effective bonding length increase significantly. The shapes of bond-slip relationship model of lap joints based on the developed adhesives are trilinear trapezoids at different temperatures. The shape of the bond-slip relationship model remains constant at high temperature, but the maximum shear stress and stiffness gradually decrease, and the relative slip and interface fracture energy first increase and then decrease with the increasing of temperature. -
采用胶黏剂将碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴于疲劳损伤钢结构表面进行加固与修复，是一种新兴、快捷、耐久的加固技术，但加固结构长期暴露在自然环境中，会受到环境温度变化、冻融及干湿循环等因素影响[1-5]，会导致加固结构界面力学性能发生变化。研究表明，钢桥面夏季温度高达60℃左右[6]，而胶黏剂对温度敏感，当服役温度超过胶黏剂玻璃化转变温度时，胶黏剂会由玻璃化态转变为高弹态，导致胶黏剂的力学性显著变化，而目前常用的商品胶黏剂玻璃化转变温度较低，Araldite2014、Araldite420、Sika30的玻璃化转变温度分别为56.3℃、31.6℃、32.8℃，难以满足钢桥加固对耐热性能的要求[7-8]。
目前，关于高温对CFRP加固钢结构的界面力学性能影响的相关研究还非常有限。Li等[9]使用Dai等[10]提出的原始模型，得到了在10~90℃温度范围内用于CFRP-钢界面黏结-滑移关系的指数函数模型，但是指数函数模型更适合纤维增强复合材料(FRP)与混凝土(而非钢)之间的界面行为[11]。对于CFRP-钢的搭接接头，双线性[11-13]或三线性[13-16]黏结-滑移关系更加适用。例如，Fernando等[14]提出了三线性梯形模型来拟合CFRP-钢界面的黏结-滑移关系，采用的胶粘剂具有非线性行为。然而，这项工作仅考虑了机械载荷，温度对粘结-滑移关系的影响未包括在该研究中。Nguyen等[17]进行了不同环境温度下CFRP布-钢双搭接试件剪切试验研究，发现温度低于玻璃化转变温度Tg时失效模式为CFRP布的层离，随温度升高变为胶层内聚破坏，且有效黏结长度增大，在Tg附近有效黏结长度为室温条件下的2倍，但界面刚度下降了20%，Tg超过20℃时，刚度下降了80%，极限承载能力的退化与刚度相似。Yao等[18]研究表明在一定温度范围内，搭接接头的极限承载力和界面断裂能随温度升高而增大，但当温度超过胶黏剂玻璃化转变温度(63.1℃)时，接头的极限承载力与界面断裂能急剧下降。Al-Shawaf等[19]使用商业粘合剂(Araldite420、Sika30和Mbrace Saturant)进行了不同温度下的CFRP-钢界面黏结性能试验，采用Araldite420和Sika30胶粘的试件在20℃和40℃温度下破坏模式均为CFRP层离，但当温度高于胶黏剂的Tg时，失效模式变为胶黏剂与钢板界面破坏，且采用不同的胶黏剂都有这种现象。该文献表明搭接界面的承载能力与胶粘剂的微观结构特征相关，采用Araldite420胶黏剂的搭接接头具有最高的承载能力，而采用MBrace Saturant胶黏剂的搭接接头承载能力最低，两种胶黏剂微观结构特征的区别可进一步研究。
Liu等[20]用扫描电镜(SEM)从CFRP板和钢黏结界面获得的图像表明，用于浸渍碳纤维的树脂中形成了孔隙，这些孔隙促进了黏结界面的破坏，并且温度从20℃升高到40℃或50℃会导致孔的尺寸增大，从而降低界面的强度。还发现温度升高增加了有效黏结长度，这与Nguyen等[17]得出的结论一致。Korayem等[21]发现碳纳米管的添加，可以提高胶黏剂的玻璃化转变温度及搭接试件在高温下的承载力，但还未研究其对搭接界面的应力分布及黏结-滑移关系的影响。Zhou等[22]进行了不同温度下(22℃、39℃、44℃和79℃)CFRP-钢的界面承载力试验，发现形状为双线性三角形的粘结-滑移本构的初始刚度及最大界面剪应力随温度的升高而降低。当温度在22~44℃(低于Tg)时，CFRP-钢接头的界面断裂能和承载能力会随着温度的升高而增加，而在79℃时(高于Tg)断裂能和承载能力与22℃时相比明显降低。综上分析可知，搭接接头的界面黏结性能受温度的影响较大，温度一旦超过胶黏剂的玻璃化转变温度，界面承载能力便明显下降。为了更好地表征温度对CFRP与钢搭接接头的黏结-滑移关系的影响，应该进行更多的研究。目前，基于纳米材料改性胶黏剂的CFRP-钢搭接接头在不同服役温度下的界面力学性能研究还十分匮乏。胶黏剂的耐热性能与CFRP-钢界面的耐热性能之间的关系有待明确。高温对搭接界面剪应力分布的影响规律及搭接界面黏结-滑移关系曲线的形状及相关参数随温度的变化趋势等问题还有待深入探索。
前期研究了纳米SiO2掺量及固化剂种类与掺量对胶黏剂力学性能及CFRP板/钢板界面性能的影响[8, 23-24]，得出了优选配比的纳米SiO2改性环氧胶黏剂。基于前期研究工作，本文进一步研究高温(≤90℃)对纳米SiO2环氧胶黏剂的基本力学性能(应力-应变关系、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率、应变能等)的影响；并对CFRP板-钢板双搭接试件进行了不同环境温度下的承载能力、破坏模式、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究，揭示了温度对基于纳米SiO2胶黏剂的CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响规律，通过对不同温度下搭接试件极限承载力及黏结-滑移关系参数(剪应力峰值、界面刚度、相对滑移、界面断裂能等)进行线性拟合，建立了考虑温度影响的极限承载力预测模型，得到了黏结-滑移关系模型的形状及参数随温度的变化趋势。
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E51、固化剂S105、固化剂D230、纳米SiO2、硅烷偶联剂KH-560、促进剂DMP-30、气相二氧化硅HB-139、消泡剂D240等。本文自主研制的胶黏剂配方见表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，缩胺105固化剂分子链较短且含有苯环结构，固化后的胶黏剂耐温性能较好，但呈脆性，聚醚胺D230固化剂分子链较长，具有较好的柔韧性，但耐温性能较差，高温下易软化。前期工作研究表明，GY34胶黏剂高温90℃固化2 h为较好的固化工艺，固化后具有较好的力学性能[6]。本文制作的胶黏剂胶体及CFRP/钢搭接试件均采用此固化工艺。
表 1 研制胶黏剂的配方Table 1. Formulas for developing adhesivesName Type and amount of curing agent/g Epoxy resin/g Nano-SiO2/g GY34 Amine 105(11.67)+
D230(23.33)120 0.6 搭接试件的钢板为桥梁结构钢Q345 D，CFRP板为单向板CFP2.0-50(南京海拓公司生产)。厂家提供的CFRP板及钢板材料参数见表2。
表 2 碳纤维增强复合材料(CFRP)板及钢板材料参数Table 2. Material properties of carbon fiber reinforced composite (CFRP) plate and steel plateParameter of material CFRP 2.0 laminate Steel plate Thickness/mm 2.0 12 Width/mm 50 50 Tensile strength/MPa 2433 514 Elasticity modulus/GPa 162.8 206 Elongation at break/% 1.62 – 1.2 试件设计与制备
1.2.1 环氧树脂胶黏剂
纳米SiO2胶黏剂的制备过程见参考文献[24]。胶黏剂拉伸力学性能测试按照ASTM D638-10[25]标准制作，试件尺寸如图2所示。
1.2.2 CFRP-钢搭接接头
胶接CFRP-钢板双搭接接头的试件设计与制作参考美国标准ASTM D3528-96(2008)[26]。图3为接头试件形式、尺寸及CFRP板表面应变片布置，搭接长度为200 mm。钢板表面采用打磨机进行打磨除锈，然后先用酒精清洗。CFRP表面采用砂纸打磨，除去表层树脂，再采用酒精擦拭干净。胶层厚度采用洒小钢珠进行控制(厚度1 mm)。
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图 3 CFRP-钢双搭接接头的尺寸及应变片布置示意图Figure 3. Dimensions of CFRP-steel double-lap joints and the arrangement of strain gauges1.3 试验方法
1.3.1 胶黏剂动态热力学试验
采用美国TA公司的DMAQ850动态热机械分析仪测试胶黏剂的储能模量、损耗模量及损耗因子随温度的变化情况。采用双悬臂夹具(试件及夹具如图4所示)，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。
1.3.2 胶黏剂拉伸试件
采用50 kN高低温电子万能试验机(LS100G，艾滕仪器(上海)有限公司)测试胶黏剂在不同温度下的准静态拉伸性能，拉伸速率为2 mm/min，加载装置见图5。
1.3.3 CFRP-钢搭接接头
采用配有高低温箱的300 kN准静态拉伸试验机进行CFRP-钢搭接接头拉伸试验，采用位移控制进行加载，速率为0.3 mm/min。采用静态应变测试仪进行应变数据采集。加载装置见图6，试件对中后，先用液压夹具夹住试件下端，待温度上升至测试温度20 min后再夹住上端，以确保温度荷载释放，测试过程中密切关注试件界面剥离及损伤情况。
2. 试验结果及分析
2.1 温度对胶黏剂基本力学性能影响
2.1.1 动态热力学性能
图7给出了GY34胶黏剂的储能模量、损耗模量、损耗因子随温度的变化曲线。根据切线法[27](即储能模量曲线上拐角切线的交点对应的温度)、损耗模量法[28](即损耗模量曲线峰值对应的温度)及损耗因子法[29](即损耗因子曲线峰值对应的温度)3种方法可得到GY34胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S、Tg,L、Tg,T分别为71.0℃、72.6℃、85.8℃，可满足土木工程钢桥加固对耐热性的要求(夏季钢桥面温度60℃左右)。
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图 7 胶黏剂GY34的动态热力学分析曲线Figure 7. Dynamic thermodynamic analysis curve of adhesive GY34Tg,S, Tg,L, Tg,T—Glass transition temperature of storage modulus, loss modulus, loss tangent2.1.2 静力拉伸性能
图8给出了GY34胶黏剂在不同服役温度下的应力-应变曲线。可知，温度对胶黏剂的应力-应变曲线影响非常明显，在0℃环境下，因温度远低于胶黏剂玻璃化转变温度Tg，胶黏剂分子链处于冻结状态，应力随应变近似线性增长，胶黏剂强度较大，断裂伸长率较小，属于高强型；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，胶黏剂的小运动单体出现次级松弛，应力-应变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3个阶段；在90℃环境下，温度超过玻璃化转变温度，分子链大部分解冻，胶黏剂在较小应力下，会产生持续增长的应变，基本失去承载能力，属于软而弱型。
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图 8 GY34胶黏剂试样在不同温度下的拉伸应力-应变曲线Figure 8. Tensile stress-strain curves of GY34 adhesive samples at different temperaturesSpecimen number GY34-90-25: GY34—Type of adhesive; “90”—Curing temperature of specimen; “0”—Service temperature of specimen图9给出了不同温度下胶黏剂GY34的力学性能主要指标的变化趋势。可知，随温度的升高胶黏剂GY34的拉伸强度及弹性模量均逐渐降低，55℃环境下拉伸强度与弹性模量比25℃环境下分别下降了71.43%和42.47%。另外，随温度的升高胶黏剂GY34的断裂伸长率及应变能均先增大后减小，55℃环境下断裂伸长率与应变能比25℃环境下分别提升了601.64%和144.38%，90℃环境下断裂伸长率降与应变能比55℃环境下分别下降了35.58%和94.55%。综上可知，当温度低于胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时，随温度的升高，胶黏剂强度逐渐降低，但韧性显著提升；当温度接近Tg,S时，胶黏剂具有极大的塑性变形能力；温度一旦超过胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,T，强度及韧性均大幅降低，基本失去承载能力。
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图 9 胶黏剂GY34在不同温度下的力学性能指标Figure 9. Mechanical properties of adhesive GY34 at different temperatures2.2 温度对CFRP-钢界面黏结性能影响
2.2.1 搭接试件破坏模式
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10。
表 3 CFRP-钢双搭接接头拉伸试验结果Table 3. Tensile test results of CFRP-steel double lap jointsNumber of specimen Limit displacement/mm Ultimate load/kN Average bond strength/MPa Failure mode Dmax Average Pmax Average −pmax Average GY34-2.0-90-25-1 4.42 204.20 10.21 d GY34-2.0-90-25-2 4.69 4.01 208.99 205.10 10.45 10.26 d GY34-2.0-90-25-3 4.11 202.11 10.11 d GY34-2.0-90-55-1 7.62 231.51 11.58 d GY34-2.0-90-55-2 7.65 7.61 226.80 228.48 11.81 11.63 d GY34-2.0-90-55-3 7.55 227.13 11.51 d GY34-2.0-90-70-1 6.71 225.40 11.27 d/b GY34-2.0-90-70-2 7.46 7.06 232.59 229.15 11.63 11.46 d/b GY34-2.0-90-70-3 7.02 229.46 11.47 d/b GY34-2.0-90-80-1 5.20 199.48 9.97 b/a GY34-2.0-90-80-2 5.24 5.18 202.15 199.14 10.11 9.96 b/a GY34-2.0-90-80-3 5.11 195.79 9.79 b GY34-2.0-90-90-1 2.86 110.27 5.51 b GY34-2.0-90-90-2 2.56 2.70 100.31 106.37 5.02 5.32 b GY34-2.0-90-90-3 2.67 108.54 5.43 b Notes: Specimen number GY34-2.0-90-25-1: GY34 stands for the type of adhesive, “2.0” indicates the thickness of CFRP plate, “90” indicates the curing temperature of specimen, “25” indicates the service temperature of the specimen, “1” indicates the serial number of specimens in each group; Dmax—Limit displacement. It represents variation of the distance between A1 and B1 points when specimens failed, as shown in Fig.3; Pmax—Ultimate load; −pmax—Average bond strength; Failure mode: a—CFRP and adhesive debonding failure; b—Steel and adhesive debonding failure; d—CFRP delamination. 由图10可知，温度对搭接接头的界面破坏模式有显著影响。25℃环境下，破坏模式为CFRP板层离，小于玻璃化转变温度Tg,S的高温环境下为CFRP板层离及钢-胶层界面破坏的混合形式，玻璃化转变温度Tg,T附近的高温环境下为钢-胶层界面破坏及CFRP板-胶层界面破坏的混合形式，随温度进一步升高，整个搭接面为钢-胶层界面破坏。说明在温度低于胶黏剂及CFRP板树脂基体玻璃化转变温度Tg,S的情况下，随温度的升高，CFRP的层间抗剪强度比胶黏剂粘接钢板的界面抗剪强度增长更快，因此破坏模式由25℃下的CFRP板层离破坏变为CFRP板层离及钢与胶层界面破坏的混合形式，极限承载力较室温下更大。温度一旦超过胶黏剂玻璃化转变温度Tg,T，胶黏剂与基材界面的黏结强度明显降低，特别是胶层与钢板的界面黏结性能被显著劣化，成为搭接接头界面的薄弱层，导致极限承载力显著降低。
2.2.2 搭接试件荷载-位移关系
图11为搭接试件在拉伸过程中的荷载-位移曲线。在25℃环境下，随荷载增加，荷载与位移基本呈线性关系，具有较大极限荷载，但极限位移较小；在55℃和70℃环境下(小于胶黏剂Tg,S的高温环境下)，加载初期，荷载随位移呈线性增长，与25℃环境下的荷载-位移曲线基本相同，加载后期，荷载随位移的增长速率减慢，发生了明显的塑形变形，极限位移显著增大，搭接界面具有更好的延性；当温度进一步升高到90℃(大于胶黏剂Tg,T)，极限荷载与极限位移均明显减小，荷载-位移曲线不再具有明显的延性段。
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图 11 CFRP-钢双搭接试件荷载-位移曲线Figure 11. Load-displacement curves of CFRP-steel double-lap joint2.2.3 搭接试件极限承载力
由表3可知，随温度的升高，CFRP-钢搭接接头的极限承载力及最大位移先增大后减小，胶黏剂GY34黏结的搭接接头在70℃环境下具有最大极限承载力，比25℃环境下提升了11.73%；80℃环境下，极限承载力比25℃环境下仅降低了2.91%；当温度达90℃时，极限承载能力比25℃环境下降低了48.14%。由图7可知，采用切线法获得的胶黏剂GY34的玻璃化转变温度Tg,S为71.0℃。可见，若温度不超过胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时，搭接接头的极限承载力随温度的升高而增加。若温度高于胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S，搭接接头的极限承载力随温度的升高而降低。另外，采用损耗因子法获得的GY34胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,T为85.8℃，可见，温度一旦超过Tg,T，搭接接头的极限承载力急剧下降。从图5可知，小于玻璃化转变温度Tg,S的高温环境下，胶黏剂拉伸强度虽有所降低，但断裂伸长率会显著增加，使胶黏剂的应变能比25℃环境下大。在CFRP板宽度、厚度、弹模及胶层厚度不变的情况下，搭接试件极限承载力仅与胶黏剂应变能有关[23]，小于玻璃化转变温度Tg,S的高温环境下胶黏剂具有比室温下更大的应变能，导致搭接试件具有比室温下更大的极限承载力。当温度高于玻璃化转变温度Tg,S时，胶黏剂拉伸强度进一步降低的同时断裂伸长率也显著减小，导致应变能减小，从而使搭接试件的极限承载力较25℃下更低。
图12给出了采用GY34胶黏剂的搭接接头与采用商品胶黏剂的搭接接头的极限承载力随温度的变化趋势。图12(a)中横坐标为温度T与胶黏剂玻璃化转变温度Tg,T的比值，纵坐标为某温度下搭接接头的极限承载力Pmax(T)与室温环境下的极限承载力Pmax的比值。采用GY34胶黏剂的搭接接头的试验数据见表2，采用商品胶黏剂的CFRP-钢板搭接接头的试验数据见附表1。对试验数据进行分段线性拟合，可得到搭接试件极限承载力随温度的变化趋势。由图12(a)可知，随温度的升高，采用GY34胶黏剂的搭接接头的极限承载力先增大后减小；采用商品胶黏剂的搭接接头的极限承载力则随温度的升高逐渐减小。采用GY34胶黏剂时，温度的适当提高(不超过胶黏剂Tg,T的0.92倍)会提升搭接界面的承载能力，说明胶黏剂GY34具有良好的耐热性能。
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图 12 温度对CFRP-钢双搭接试件承载力影响Figure 12. Effect of temperature on bearing capacity of CFRP-steel double-lap jointsPmax(T)—Ultimate bearing capacity of lap joint at T temperature下式为采用本文GY34胶黏剂的搭接接头的极限承载力随温度的变化趋势的拟合公式和参考文献采用商品胶黏剂的搭接接头的极限承载力随温度的变化趋势的拟合公式，根据公式计算的理论值与实验值的比较见图12(b)，拟合精度较高，可用于不同温度下搭接接头的极限承载力预测。
Pmax(T)Pmax={0.244TTg,T+0.051,0.2⩽ (1) \dfrac{{P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left(T\right)}{{P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}=\left\{\begin{gathered}-0.112\dfrac{T}{{T}_{\mathrm{g},\mathrm{ }\mathrm{T}}}+0.130, 0.2\leqslant \dfrac{T}{{T}_{\mathrm{g},\mathrm{ }\mathrm{T}}}\leqslant 0.88\\ -2.288\dfrac{T}{{T}_{\mathrm{g},\mathrm{ }\mathrm{T}}}+0.638, 0.88 < \dfrac{T}{{T}_{\mathrm{g},\mathrm{ }\mathrm{T}}}\leqslant 1.2\end{gathered}\right. (2) 式中：Pmax(T)为T温度下搭接接头的极限承载力；Pmax为室温环境下搭接接头的极限承载力。
2.2.4 CFRP表面应变分布
图13为不同温度下代表试件在加载过程中CFRP表面的应变分布。可知，随温度的升高，CFRP板表面的极限应变先增大后减小。25℃下，应变主要集中在钢板自由端附近(传递长度为120 mm)；随温度的升高，应变的分布更加均匀，传递长度逐渐增长，这是由于温度升高胶黏剂软化导致的，表明搭接接头的有效黏结长度随温度升高而增长。因此，对处于高温下的钢结构进行加固时，应适当增加CFRP板的搭接长度，使搭接长度大于或等于有效黏结长度，以提高构件的承载力。
2.2.5 CFRP-钢界面剪应力分布
通过布置在CFRP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[30]
{\tau }_{i-1/2}=\frac{\Delta {\varepsilon }_{i}{E}_{\mathrm{P}}{t}_{\mathrm{P}}}{\Delta {L}_{i}}=\frac{({\varepsilon }_{i}-{\varepsilon }_{i-1)}{E}_{\mathrm{P}}{t}_{\mathrm{P}}}{{l}_{i}-{l}_{i-1}} (3) 式中： {\varepsilon }_{i} 为CFRP板表面测点i处的应变； {l}_{i} 为测点i距CFRP板端的距离；Δε为测点i与测点i-1处应变的差值； {E}_{\mathrm{p}} 与 {t}_{\mathrm{p}} 分别为CFRP板的弹性模量和厚度； {\Delta l}_{i} 为测点i与测点i−1之间的距离。
不同温度下搭接试件在加载过程中的界面剪应力分布见图14。可知，在加载初期，剪应力仅分布在距钢板自由端约120 mm范围内，超过120 mm剪应力基本为0，且剪应力最大值位于钢板自由端；继续加载，由于钢板自由端附近的剪应力达到了胶黏剂的黏结强度，CFRP板与钢板界面开始发生剥离，此处剪应力迅速降低，剪应力峰值逐渐向CFRP板自由端转移，承担剪应力的界面长度进一步增大，但25℃下，剪应力有效传递长度为120 mm，而随温度升高，传递长度明显增加，在加载末期，剪应力的峰值已靠近CFRP板自由端，整个搭接面能有效发挥作用。说明在荷载作用下，CFRP-钢搭接试件的界面剪应力传递长度随温度的升高而增大，因高温环境下，胶黏剂变软，当温度未超过玻璃化转变温度时，胶黏剂在保持一定强度的条件下，断裂伸长率显著增加，使整个搭接面受力更加均匀，从而提高了界面剪应力的传递长度，提高了搭接界面的承载能力，但当温度超过胶黏剂的玻璃化转变温度后，胶黏剂拉伸强度及断裂伸长率均大幅下降，导致搭接界面承载力显著降低。
2.3 温度对CFRP-钢界面黏结-滑移关系的影响
黏结-滑移关系模型描述了界面局部剪应力和相对滑移的变化规律，是CFRP-钢界面性能研究中的关键问题。根据实测应变结果，假定搭接接头尾端(CFRP自由端)滑移量为0，从CFRP自由端端部到测点i对CFRP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 {S}_{i-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)+\\ &\qquad\sum _{i=3}^{i}\frac{{\varepsilon }_{i-2}+{\varepsilon }_{i-3}}{2}\left({l}_{i-2}-{l}_{i-3}\right) \end{split} (4) 由式(3)与式(4)联合可获得试件相邻测点间中点处在加载过程中剪应力与滑移量的关系。选取距钢板自由端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。
由图15可知，不同温度下搭接试件的粘结-滑移关系显示出相似的发展趋势，均为三线性梯形。可分为“线性增长”、“屈服平台”、“下降段”3个发展阶段。“屈服平台”和“下降段”的存在，表明该界面损伤过程中存在一个缓慢的损伤发展和“软化”过程，说明界面具有良好的韧性。
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图 15 CFRP-钢界面黏结-滑移曲线Figure 15. Bond-slip curve of CFRP-steel interfaceτ—Shear stress; τf—Maximum shear stress; δ1—Maximum elastic slip; δ2—Maximum plastic slip; δf—limit of slip; δ—Slip三线性梯形的黏结-滑移关系模型可用下式表达：
\left\{\begin{gathered} {\tau =\frac{{\tau }_{\mathrm{f}}}{{\delta }_{1}}\delta ,\qquad\qquad\qquad\qquad\delta \leqslant {\delta }_{1}} \\ {\tau ={\tau }_{\mathrm{f}},\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad{\delta }_{1} < \delta \leqslant {\delta }_{2}} \\ {\tau =\frac{{\tau }_{\mathrm{f}}}{{\delta }_{\mathrm{f}}-{\delta }_{2}}\left({\delta }_{\mathrm{f}}-\delta \right),\qquad\qquad{\delta }_{2} < \delta \leqslant {\delta }_{\mathrm{f}}} \\ {\tau =0,\qquad\qquad\qquad{\delta }_{\mathrm{f}} < \delta } \end{gathered}\right. (5) 可以看出，梯形黏结-滑移关系由四个特征参数组成：最大界面剪应力 {\tau }_{\mathrm{f}} 和相对滑移参数 {\delta }_{1} 、 {\delta }_{2} 和 {\delta }_{\mathrm{f}} 。通过线性拟合可得到简化的黏结-滑移关系模型。将不同温度下的黏结-滑移关系模型绘于图16。可知，温度的升高不会改变黏结-滑移曲线的形状，仅会改变关键参数值的大小，如界面剪应力峰值、界面断裂能和滑移值等。表4给出了不同温度下黏结-滑移关键参数的定量值。可知，温度的升高会导致搭接试件的剪应力峰值降低，这与高温环境下胶黏剂的拉伸强度变化趋势相同。而相对滑移则先增加后减小，当温度低于胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时，随温度的升高，相对滑移逐渐增大，温度一旦超过胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,T，相对滑移将大幅减小，这与胶黏剂胶体的断裂伸长率随温度的变化趋势相同。
表4中 {K}_{\mathrm{E}} 为简化模型上升段斜率(可反应黏结界面的刚度)，即 {K}_{\mathrm{E}}={\tau }_{\mathrm{f}}/{\delta }_{1} 。 {K}_{\mathrm{S}} 为简化模型下降段斜率，即 {K}_{\mathrm{S}}={\tau }_{\mathrm{f}}/\left({\delta }_{\mathrm{f}}-{\delta }_{2}\right) 。由表4可知，随温度的升高，黏结界面的刚度 {K}_{\mathrm{E}} 、 {K}_{\mathrm{S}} 均逐渐降低，由于温度升高胶黏剂逐渐软化，从而导致界面刚度下降。表4列出了搭接接头的界面断裂能 {G}_{\mathrm{f}} ， {G}_{\mathrm{f}} 是研究CFRP-钢界面粘结-滑移行为的重要参数，它等于黏结-滑移曲线所包围的面积。可以看出，随温度的升高， {G}_{\mathrm{f}} 也呈现先增加后降低的变化趋势。
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图 16 CFRP-钢界面的黏结-滑移关系简化模型Figure 16. Bond-slip simplified model of CFRP-steel interface表 4 CFRP-钢界面黏结-滑移简化模型相关参数Table 4. Relevant parameters of bond-slip simplified model of CFRP-steel interfaceName {\tau }_{\mathrm{f}} /MPa {\delta }_{1} /mm {\delta }_{2} /mm {\delta }_{\mathrm{f}} /mm {K}_{\mathrm{E}} /(MPa·mm−1) {K}_{\mathrm{S}} /(MPa·mm−1) {G}_{\mathrm{f}} /(MPa·mm) GY34-2.0-90-25 24.58 0.211 0.401 0.518 116.49 210.09 8.701 GY34-2.0-90-55 19.06 0.202 0.549 0.641 94.36 207.17 9.416 GY34-2.0-90-70 16.36 0.178 0.621 0.758 91.91 119.42 9.824 GY34-2.0-90-80 12.16 0.141 0.507 0.613 86.24 114.72 5.952 GY34-2.0-90-90 3.63 0.086 0.185 0.230 42.21 80.67 0.597 Notes: τf—Peak of shear stress; {\delta }_{1} −Maximum elastic slip; {\delta }_{2} −Maximum plastic slip; δf—Limit of slip; KE—Slope of ascending section; Ks—Slope of descent section; Gf—Interface fracture energy. 3. 结 论
(1) 随温度的升高(≤90℃)，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的切线法获得的玻璃化转变温度Tg,S时达到峰值。GY34的Tg,S(71℃)可满足钢桥加固对耐热性的要求。
(2) 在25℃温度下，碳纤维增强复合材料(CFRP)/钢搭接试件的荷载-位移基本呈线性关系，界面破坏模式为CFRP板层离；小于胶黏剂Tg,S的高温环境下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段，破坏模式为CFRP板层离及钢-胶层界面破坏的混合形式，极限承载力较25℃下更大；温度超过损耗因子法获得的玻璃化转变温度Tg,T时，破坏模式为钢-胶层界面破坏，极限承载力显著降低。
(3) 随温度升高，搭接试件的有效黏结长度增加，应变分布更加均匀，剪应力传递范围显著增加。
(4) 基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移本构形状均为三线性梯形，分为“线性增长”、“屈服平台”、“下降段”3个发展阶段，界面具有良好的韧性。
(5) 环境温度升高不会改变黏结-滑移曲线的形状，会导致剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小，当温度低于胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时，随温度的升高，相对滑移与界面断裂能逐渐增大，温度一旦超过Tg,T，相对滑移与界面断裂能均大幅减小，这与高温环境下胶黏剂胶体的断裂伸长率及应变能的变化趋势一致。
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图 3 CFRP-钢双搭接接头的尺寸及应变片布置示意图
Figure 3. Dimensions of CFRP-steel double-lap joints and the arrangement of strain gauges
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图 7 胶黏剂GY34的动态热力学分析曲线
Figure 7. Dynamic thermodynamic analysis curve of adhesive GY34
Tg,S, Tg,L, Tg,T—Glass transition temperature of storage modulus, loss modulus, loss tangent
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图 8 GY34胶黏剂试样在不同温度下的拉伸应力-应变曲线
Figure 8. Tensile stress-strain curves of GY34 adhesive samples at different temperatures
Specimen number GY34-90-25: GY34—Type of adhesive; “90”—Curing temperature of specimen; “0”—Service temperature of specimen
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图 9 胶黏剂GY34在不同温度下的力学性能指标
Figure 9. Mechanical properties of adhesive GY34 at different temperatures
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图 11 CFRP-钢双搭接试件荷载-位移曲线
Figure 11. Load-displacement curves of CFRP-steel double-lap joint
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图 12 温度对CFRP-钢双搭接试件承载力影响
Figure 12. Effect of temperature on bearing capacity of CFRP-steel double-lap joints
Pmax(T)—Ultimate bearing capacity of lap joint at T temperature
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图 15 CFRP-钢界面黏结-滑移曲线
Figure 15. Bond-slip curve of CFRP-steel interface
τ—Shear stress; τf—Maximum shear stress; δ1—Maximum elastic slip; δ2—Maximum plastic slip; δf—limit of slip; δ—Slip
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图 16 CFRP-钢界面的黏结-滑移关系简化模型
Figure 16. Bond-slip simplified model of CFRP-steel interface
表 1 研制胶黏剂的配方
Table 1 Formulas for developing adhesives
Name Type and amount of curing agent/g Epoxy resin/g Nano-SiO2/g GY34 Amine 105(11.67)+
D230(23.33)120 0.6 
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表 2 碳纤维增强复合材料(CFRP)板及钢板材料参数
Table 2 Material properties of carbon fiber reinforced composite (CFRP) plate and steel plate
Parameter of material CFRP 2.0 laminate Steel plate Thickness/mm 2.0 12 Width/mm 50 50 Tensile strength/MPa 2433 514 Elasticity modulus/GPa 162.8 206 Elongation at break/% 1.62 –
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表 3 CFRP-钢双搭接接头拉伸试验结果
Table 3 Tensile test results of CFRP-steel double lap joints
Number of specimen Limit displacement/mm Ultimate load/kN Average bond strength/MPa Failure mode {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} Average {P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} Average {\stackrel{-}{p}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} Average GY34-2.0-90-25-1 4.42 204.20 10.21 d GY34-2.0-90-25-2 4.69 4.01 208.99 205.10 10.45 10.26 d GY34-2.0-90-25-3 4.11 202.11 10.11 d GY34-2.0-90-55-1 7.62 231.51 11.58 d GY34-2.0-90-55-2 7.65 7.61 226.80 228.48 11.81 11.63 d GY34-2.0-90-55-3 7.55 227.13 11.51 d GY34-2.0-90-70-1 6.71 225.40 11.27 d/b GY34-2.0-90-70-2 7.46 7.06 232.59 229.15 11.63 11.46 d/b GY34-2.0-90-70-3 7.02 229.46 11.47 d/b GY34-2.0-90-80-1 5.20 199.48 9.97 b/a GY34-2.0-90-80-2 5.24 5.18 202.15 199.14 10.11 9.96 b/a GY34-2.0-90-80-3 5.11 195.79 9.79 b GY34-2.0-90-90-1 2.86 110.27 5.51 b GY34-2.0-90-90-2 2.56 2.70 100.31 106.37 5.02 5.32 b GY34-2.0-90-90-3 2.67 108.54 5.43 b Notes: Specimen number GY34-2.0-90-25-1: GY34 stands for the type of adhesive, “2.0” indicates the thickness of CFRP plate, “90” indicates the curing temperature of specimen, “25” indicates the service temperature of the specimen, “1” indicates the serial number of specimens in each group; Dmax—Limit displacement. It represents variation of the distance between A1 and B1 points when specimens failed, as shown in Fig.3; Pmax—Ultimate load; {\stackrel{-}{p}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} —Average bond strength; 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-滑移简化模型相关参数
Table 4 Relevant parameters of bond-slip simplified model of CFRP-steel interface
Name {\tau }_{\mathrm{f}} /MPa {\delta }_{1} /mm {\delta }_{2} /mm {\delta }_{\mathrm{f}} /mm {K}_{\mathrm{E}} /(MPa·mm−1) {K}_{\mathrm{S}} /(MPa·mm−1) {G}_{\mathrm{f}} /(MPa·mm) GY34-2.0-90-25 24.58 0.211 0.401 0.518 116.49 210.09 8.701 GY34-2.0-90-55 19.06 0.202 0.549 0.641 94.36 207.17 9.416 GY34-2.0-90-70 16.36 0.178 0.621 0.758 91.91 119.42 9.824 GY34-2.0-90-80 12.16 0.141 0.507 0.613 86.24 114.72 5.952 GY34-2.0-90-90 3.63 0.086 0.185 0.230 42.21 80.67 0.597 Notes: τf—Peak of shear stress; {\delta }_{1} −Maximum elastic slip; {\delta }_{2} −Maximum plastic slip; δf—Limit of slip; KE—Slope of ascending section; Ks—Slope of descent section; Gf—Interface fracture energy.
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百度学术
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其他类型引用(2)
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目的
采用胶黏剂将碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴于疲劳损伤钢结构表面进行加固与修复，是一种新兴、快捷、高效的加固技术。但加固结构长期暴露在自然环境中，会受到环境温度变化、冻融及干湿循环等因素影响，会导致加固结构界面力学性能发生变化。研究表明，钢桥面夏季温度高达60℃左右，胶黏剂对温度十分敏感，当服役温度超过胶黏剂玻璃化转变温度时，胶黏剂会由玻璃态转变为高弹态，导致加固界面承载能力明显下降。常用的商品胶黏剂玻璃化转变温度较低，难以满足钢桥加固对耐温性能的要求。目前，基于纳米材料改性胶黏剂的CFRP-钢搭接接头在不同服役温度下的界面力学性能研究还十分匮乏。胶黏剂的耐热性能与CFRP-钢界面的耐热性能之间的关系有待明确。高温对搭接界面剪应力分布的影响规律，搭接界面黏结-滑移关系曲线的形状与相关参数随温度的变化趋势等相关问题还有待深入探索。
方法通过两种固化剂混掺制备高性能纳米SiO环氧胶黏剂，基于研制胶黏剂，制作21个胶黏剂拉伸试件、15个CFRP板-钢板双搭接试件。通过动态热力学试验，测试胶黏剂的储能模量、损耗模量、损耗因子随温度的变化曲线，得到胶黏剂的玻璃化转变温度，通过胶黏剂胶体静力拉伸试验测试胶黏剂在不同温度下的拉伸力学性能，获取关键力学指标随温度的变化情况。通过双搭接接头静力拉伸试验，得到不同温度下搭接界面得承载能力、破坏模式、传力模式、黏结-滑移本构等。依据试验数据，对不同温度下搭接试件极限承载力及黏结-滑移关系进行线性拟合，得到考虑温度影响的搭接界面极限承载力预测模型，及搭接界面黏结-滑移关系模型随温度的变化趋势。
结果得到了高温(≤90℃)对高性能纳米SiO环氧胶黏剂的基本力学性能(应力-应变关系、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率、应变能等)的影响规律；揭示了温度对基于纳米SiO胶黏剂的CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响规律；建立了考虑温度影响的极限承载力预测模型，得到了黏结-滑移关系模型的形状及参数随温度的变化趋势。
结论(1)随温度的升高(≤90℃)，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的玻璃化转变温度时达到峰值。GY34的(71℃)可满足钢桥加固对耐热性的要求。(2)在25℃温度下，CFRP/钢搭接试件的荷载-位移基本呈线性关系，界面破坏模式为CFRP板层离；小于胶黏剂的高温环境下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段，破坏模式为CFRP板层离及钢-胶层界面破坏的混合形式，极限承载力较25℃下更大；温度超过时，破坏模式为钢-胶层界面破坏，极限承载力显著降低。(3)随温度升高，搭接试件的有效黏结长度增加，应变分布更加均匀，剪应力传递范围显著增加。(4)基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移本构形状均为三线性梯形，分为“线性增长”、“屈服平台”、“下降段”三个发展阶段，界面具有良好的韧性。(5)环境温度升高不会改变黏结-滑移曲线的形状，会导致剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小，当温度低于胶黏剂的玻璃化转变温度时，随温度的升高，相对滑移与界面断裂能逐渐增大，温度一旦超过，相对滑移与界面断裂能均大幅减小，这与高温环境下胶黏剂胶体的断裂伸长率及应变能的变化趋势一致。
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采用胶黏剂将碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴于疲劳损伤钢结构表面进行加固与修复，是一种新兴、快捷、高效的加固技术。胶黏剂对温度十分敏感，当服役温度超过胶黏剂玻璃化转变温度时，胶黏剂会由玻璃态转变为高弹态，导致加固界面承载能力明显下降。常用的商品胶黏剂玻璃化转变温度较低，难以满足钢桥加固对耐温性能的要求。目前，基于纳米材料改性胶黏剂的CFRP-钢搭接接头在不同服役温度下的界面力学性能研究还十分匮乏。胶黏剂的耐热性能与CFRP-钢界面的耐热性能之间的关系有待明确。高温对搭接界面剪应力分布的影响规律，及搭接界面黏结-滑移关系曲线的形状与相关参数随温度的变化趋势等相关问题还有待深入探索。
本文研究表明自研的纳米SiO2改性胶黏剂GY34的玻璃化转变温度Tg,S为71.0℃，可满足土木工程钢桥加固对耐热性能的要求。在25℃温度下，CFRP-钢搭接界面破坏模式为CFRP板层离；温度超过胶黏剂玻璃化转变温度Tg,T，破坏模式为钢与胶层界面破坏，极限承载力显著降低。高温环境下，搭接试件的有效黏结长度会显著增加，应变分布更加均匀，剪应力传递范围显著增加。不同温度下基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移曲线形状均为三线性梯形，分为“线性增长”、“屈服平台”、“下降段”三个发展阶段，界面具有良好的韧性。高温环境不会改变黏结-滑移曲线的形状，会导致剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小，当温度低于胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时，随温度的升高，相对滑移与界面断裂能逐渐增大，温度一旦超过Tg,T，相对滑移与界面断裂能均大幅减小，这与高温环境下胶黏剂胶体的断裂伸长率及应变能的变化趋势一致。
Effect of temperature on bearing capacity of lap joints
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