結(jié)構(gòu)膠黏劑在溫度作用—V的剪切性能試驗(yàn)研究

胡克旭　董坤　楊耀武

摘要：設(shè)計(jì)并進(jìn)行了2組采用不同條件固化的膠黏劑的拉伸剪切試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)膠黏劑的剪切強(qiáng)度和剪切剛度隨溫度升高的變化規(guī)律，以及不同溫度下膠黏劑剪切破壞模式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，室溫固化的膠黏劑再次經(jīng)歷高溫后，其玻璃化溫度T_g有了30℃左右的提高；隨著溫度的升高，膠黏劑剪切強(qiáng)度和剪切剛度總體上呈下降趨勢(shì)，且在其玻璃化溫度T_g前后20℃的區(qū)域內(nèi)變化最為明顯。研究表明，膠黏劑玻璃化溫度是影響膠黏劑溫度作用下剪切性能的關(guān)鍵因素，同時(shí)高溫固化方式可以提高膠黏劑玻璃化溫度，延緩膠黏劑剪切強(qiáng)度和剪切剛度的下降。在此基礎(chǔ)上，引入玻璃化溫度這一重要參數(shù)，給出了結(jié)構(gòu)膠黏劑的剪切強(qiáng)度及剪切剛度與溫度之間的關(guān)系模型，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：膠黏劑；溫度作用；玻璃化溫度；剪切性能；剪切試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU58 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作為一種方便快捷的黏結(jié)材料，結(jié)構(gòu)膠黏劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，其中包括黏鋼加固，粘貼碳纖維（CFRP）加固以及化學(xué)植筋等。目前最廣泛使用的結(jié)構(gòu)膠黏劑多為有機(jī)類樹脂材料，此類材料對(duì)于溫度具有較高的敏感性，在溫度超過其玻璃化溫度時(shí)，膠黏劑分解或軟化，逐步喪失傳遞剪力的作用，從而嚴(yán)重影響加固效果。雖然現(xiàn)有規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)膠黏劑的使用給出了環(huán)境溫度限值，但是對(duì)環(huán)境溫度改變時(shí)其力學(xué)性能的研究還不夠深入，力學(xué)性能與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）間的關(guān)系仍不明確。因此，研究結(jié)構(gòu)膠黏劑在溫度作用下黏結(jié)性能的影響因素及其變化規(guī)律，對(duì)于促進(jìn)黏鋼和粘貼碳纖維加固技術(shù)的推廣，就顯得十分必要。

針對(duì)結(jié)構(gòu)膠黏劑在不同溫度下的力學(xué)性能，部分學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)研究。吳波等進(jìn)行了7組碳纖維配套膠黏劑的拉伸剪切試驗(yàn)，研究分析了其黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系，指出當(dāng)溫度大于60℃時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度開始明顯下降，溫度大于120℃時(shí)即可認(rèn)為膠黏劑喪失黏結(jié)效果。劉凱、羅仁安等對(duì)加固結(jié)構(gòu)膠材料進(jìn)行了25～60℃溫度作用下黏結(jié)剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度升高至45℃后，剪切強(qiáng)度與模量急劇下降。彭勃等對(duì)加固用結(jié)構(gòu)膠黏劑耐熱性能進(jìn)行了研究，并建議應(yīng)重視環(huán)境溫度升高對(duì)結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響。Klamer等對(duì)結(jié)構(gòu)膠黏劑在20～80℃溫度作用下的彎曲強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中強(qiáng)度和彈性模量都隨著溫度的升高而降低。不同試驗(yàn)中，隨著溫度升高，膠黏劑的剪切強(qiáng)度存在2種不同的變化規(guī)律。一是先升后降，如文獻(xiàn)和中分別在40℃和45℃時(shí)出現(xiàn)剪切強(qiáng)度上升的現(xiàn)象；二是直接下降，且在40～80℃范圍內(nèi)降低幅度最大。但是，造成這種不同現(xiàn)象的原因并不十分明確。另外，本文作者前期進(jìn)行采用膠黏劑作為基體材料的CFRP混凝土界面雙面剪切試驗(yàn)中，同樣出現(xiàn)這2種不同的變化規(guī)律，但并不能很好地解釋2種規(guī)律的原因。

從上述研究中可以看出，不僅剪切強(qiáng)度隨溫度變化趨勢(shì)存在不同，而且不同試驗(yàn)中性能下降點(diǎn)出現(xiàn)的溫度也明顯不同。為了進(jìn)一步研究導(dǎo)致這些差異的原因，明確溫度作用下膠黏劑性能變化機(jī)理，本文進(jìn)行了溫度作用下不同固化條件的膠黏劑力學(xué)性能試驗(yàn)，進(jìn)一步探索溫度及固化條件對(duì)膠黏劑高溫剪切性能的影響，并結(jié)合膠黏劑玻璃化溫度這一參數(shù)，研究了膠黏劑剪切強(qiáng)度、剛度與溫度之間的變化關(guān)系。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參照《膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)試（剛性材料對(duì)剛性材料）》（GB/T 7124-2008）設(shè)計(jì)制備試件。拉伸剪切試件細(xì)部尺寸如圖1所示。試件中鋼片采用45號(hào)鋼，單個(gè)鋼片尺寸為100 min×30 mm×2.5 mm，黏接長(zhǎng)度為12.5 mm，夾持長(zhǎng)度為37.5mm，膠層厚度為0.2 mm。制作過程中，為減少加載偏心，在兩側(cè)夾持區(qū)域各黏結(jié)一根37.5 mm×30mm鋼墊片。膠黏劑采用新日本/辰日株式會(huì)社生產(chǎn)的TH系列結(jié)構(gòu)膠，由環(huán)氧樹脂主劑與固化劑按照2：1（質(zhì)量比）的比例混合而成。

為了研究不同固化條件對(duì)膠黏劑在溫度作用下性能的影響，試件分別采用2種不同的固化方式，其中A組試件在常溫下固化7 d后直接進(jìn)行試驗(yàn)，B組試件則在常溫固化7 d后，置于100℃恒溫箱中固化3 h，待完全恢復(fù)常溫后再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況見表1，原則上每個(gè)溫度下進(jìn)行3個(gè)試件的試驗(yàn)，由于試件數(shù)量限制，部分溫度下試驗(yàn)的試件個(gè)數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了酌減，2組總計(jì)29個(gè)試件。試件照片如圖2所示。

1.2測(cè)試方法

試驗(yàn)加載設(shè)備采用德國(guó)Zwick公司的Z020型高低溫電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。Z020型高低溫電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)采用氣動(dòng)夾具夾持，最大加載拉力為20 kN，兩夾頭間距112.5 mm，下部夾頭固定，上部夾頭可上下移動(dòng)。試驗(yàn)采用位移加載控制，加載速率為0.3 mm/min，當(dāng)荷載降至極限荷載的50%時(shí)停止加載。試驗(yàn)機(jī)采用自帶荷載和變形傳感器來捕捉測(cè)量試件所受拉力和夾頭間相對(duì)位移，采用testX-pert II材料試驗(yàn)智能測(cè)試軟件進(jìn)行處理，并于計(jì)算機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)中，取當(dāng)前溫度下所達(dá)到的最大荷載作為破壞荷載。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄試件破壞形態(tài)。

配套環(huán)境箱的溫度控制范圍為.80～250℃，溫度控制精度在1℃以內(nèi)。進(jìn)行不同溫度作用試驗(yàn)時(shí)，先設(shè)定試驗(yàn)溫度，當(dāng)環(huán)境箱溫度達(dá)到目標(biāo)溫度以下5℃左右時(shí)，打開環(huán)境箱，并放入試件夾緊，關(guān)閉環(huán)境箱，繼續(xù)升溫。待環(huán)境箱溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)，恒溫3 min后進(jìn)行加載。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在拉伸剪切試驗(yàn)前首先對(duì)該膠黏劑的玻璃化溫度采用熱流型DSC儀TAQ20進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得室溫固化條件下其玻璃化溫度值為44.36℃，經(jīng)歷.50～300～-20℃溫度循環(huán)后再次測(cè)試，其最終玻璃化溫度值為74.54℃。DSC測(cè)試中膠黏劑產(chǎn)生的熱流量隨測(cè)試溫度變化曲線如圖3所示，發(fā)現(xiàn)經(jīng)溫度循環(huán)后膠黏劑玻璃化溫度有30℃左右的提高，說明膠黏劑的實(shí)際玻璃化溫度值并不是固定的，實(shí)際玻璃化溫度值是受固化溫度和后續(xù)使用溫度影響的。

2組試件在不同溫度下的極限荷載、極限位移及破壞形態(tài)記錄見表2。圖4～圖10給出了不同溫度下各試件在拉伸剪切試驗(yàn)中的荷載位移曲線，忽略鋼片的變形，所測(cè)位移即為膠黏劑的剪切變形。

從表2中各試件破壞形態(tài)可看出，膠黏劑在溫度作用下有2種基本破壞形式：界面剝離破壞和膠層內(nèi)聚破壞。在溫度不高于45℃時(shí)，A組試件破壞形式主要為界面剝離破壞，高于45℃后則以膠層內(nèi)聚破壞為主；B組試件同樣在溫度不高于65℃時(shí)以界面剝離破壞為主，之后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層內(nèi)聚破壞。

結(jié)合表2和圖4～圖10發(fā)現(xiàn)，膠黏劑的強(qiáng)度和剛度都隨著溫度的升高總體呈下降趨勢(shì)。對(duì)比2組試件，25～35℃試驗(yàn)中2組曲線基本一致，A組試件平均強(qiáng)度值略高于B組試件；45℃試驗(yàn)時(shí)2組試件的試驗(yàn)曲線斜率基本一致，A組試件強(qiáng)度值明顯高于B組試件；當(dāng)試驗(yàn)溫度高于55℃時(shí)，B組試件的試驗(yàn)曲線斜率明顯高于A組試件，且極限荷載值也較高。這說明經(jīng)高溫固化過的B組膠黏劑要比常溫固化的A組膠黏劑具有更好的耐熱性。當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到100℃時(shí)，2組試件的強(qiáng)度和剛度再次趨近一致，但B組試件擁有更好的延性。

另外，從圖4～圖10中荷載位移曲線可看出：隨著試驗(yàn)溫度升高，A組和B組試驗(yàn)分別在45℃和80℃試驗(yàn)時(shí)曲線開始出現(xiàn)軟化段，此后曲線中可看到明顯的蠕變變形。軟化溫度與DSC測(cè)試結(jié)果中玻璃化溫度數(shù)據(jù)基本一致（44.36℃和74.54℃）。

將極限荷載值除以黏結(jié)面積可得到平均黏結(jié)強(qiáng)度，極限荷載值除以與其相對(duì)應(yīng)的位移得到平均剪切剛度。圖11和圖12分別為膠黏劑的平均剪切強(qiáng)度和平均剪切剛度隨溫度的變化情況。

根據(jù)圖11和圖12可發(fā)現(xiàn)，2組試件的黏結(jié)性能隨溫度變化趨勢(shì)主要有以下區(qū)別：

1）隨著溫度升高，材料性能均有下降的趨勢(shì)，但B組試件性能下降明顯晚于A組試件。說明經(jīng)過高溫固化的B組試件膠黏劑的耐熱性能得到了提高。

2）試驗(yàn)過程中，材料的剪切強(qiáng)度和剛度均在溫度達(dá)到各自玻璃化溫度（圖11和圖12中的虛線位置對(duì)應(yīng)的溫度）后下降最為劇烈，這說明玻璃化溫度是影響膠黏劑在溫度作用下力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。相比于常溫固化的A組試件，經(jīng)過3 h的高溫固化后B組試件的膠黏劑玻璃化溫度有了明顯的提高，因而延緩了材料性能的退化。

3）A組試件在45℃試驗(yàn)時(shí)剪切強(qiáng)度有明顯上升的現(xiàn)象，文獻(xiàn)中存在同樣的試驗(yàn)現(xiàn)象。這是由于A組試件膠黏劑在常溫下并未固化完全，固化程度不高，在低于玻璃化溫度的試驗(yàn)升溫和恒溫過程中繼續(xù)發(fā)生固化反應(yīng)，這種后固化反應(yīng)增強(qiáng)了膠黏劑內(nèi)部交聯(lián)度，從而提高了內(nèi)聚強(qiáng)度；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，膠黏劑性態(tài)轉(zhuǎn)變成為決定強(qiáng)度變化的主導(dǎo)因素，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的持續(xù)下降。隨溫度升高，膠黏劑分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，應(yīng)力集中減少，滲透能力升高，也在一定程度上對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度有提高效果。

目前，對(duì)環(huán)氧樹脂膠黏劑耐熱性能的提高主要從改進(jìn)環(huán)氧基結(jié)構(gòu)、采用改性固化劑等材料制備方面進(jìn)行，而在施工方面，固化條件對(duì)膠黏劑的耐熱性能也有顯著影響。根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，固化條件對(duì)后期溫度作用下膠黏劑黏結(jié)性能同樣有著重要影響。實(shí)際工程中，大多數(shù)環(huán)氧樹脂膠黏劑均采用室溫固化，其固化反應(yīng)并不完全，實(shí)際玻璃化溫度僅有50～60℃。在后期經(jīng)歷高于其最初的固化環(huán)境溫度時(shí)，會(huì)繼續(xù)發(fā)生固化反應(yīng)，內(nèi)聚力增強(qiáng)，從而可局部提高界面的高溫黏結(jié)性能。因此，本文建議在條件允許的情況下，可采用人工方式對(duì)常溫固化的膠黏劑進(jìn)行后期的高溫固化，或在施工時(shí)直接采用高溫固化，以提高耐熱性能。

3溫度作用下膠黏劑黏結(jié)性能變化規(guī)律

影響膠黏劑溫度作用下黏結(jié)性能的因素很多，其中玻璃化溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素。為合理表達(dá)膠黏劑在高溫下的性能變化，本文引入試驗(yàn)溫度與玻璃化溫度的差值（T-T_g）作為變量，采用強(qiáng)度折減系數(shù)η_τ和剛度折減系數(shù)η_k兩個(gè)參數(shù)來具體研究。

對(duì)已有試驗(yàn)以及本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新分析，各試驗(yàn)試件力學(xué)性能折減系數(shù)與試驗(yàn)溫度和玻璃化溫度差值（T-T_g）的關(guān)系如圖13和圖14所示。除文獻(xiàn)中無測(cè)試結(jié)果采用力學(xué)性能退化區(qū)段中心對(duì)應(yīng)的50℃為T_g值外，各膠黏劑的玻璃化溫度均采用各試驗(yàn)測(cè)試值。從圖13和圖14中可看出，大部分性能退化發(fā)生在玻璃化溫度T_g±20℃的范圍內(nèi)。

因?yàn)橥耆袒闆r下膠黏劑黏結(jié)強(qiáng)度上升不明顯，可不考慮玻璃化溫度前出現(xiàn)的增加情況。在此基礎(chǔ)上，可給出溫度作用下膠黏劑剪切強(qiáng)度折減系數(shù)和剪切剛度折減系數(shù)與溫度差值（T-T_g）之間的關(guān)系模型：

（1）

（2）式中：T為實(shí)際溫度值，T_g為膠黏劑實(shí)際的玻璃化溫度值，℃；τ_a（T）和τ_a，0分別為溫度為T和常溫（20℃）時(shí)的膠黏劑平均剪切強(qiáng)度，MPa；K_a（T）和K_a，0分別為溫度為T和常溫（20℃）時(shí)膠黏劑的平均剪切剛度，N·mm^-1。

回歸擬合曲線與試驗(yàn)點(diǎn)之間的比較如圖13和圖14所示。從圖中可看出，曲線與試驗(yàn)結(jié)果總體上吻合較好；經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式（1）和式（2）的相關(guān)系數(shù)分別為0.829 2和0.913 8，說明擬合曲線具有較好的代表性。因?yàn)楝F(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)只涉及常溫至T_g+60℃的溫度范圍，故回歸公式的適用溫度下限取為20℃，上限取T_g+60℃。實(shí)際情況中，膠黏劑在過高的溫度下會(huì)發(fā)生降解反應(yīng)而完全失去強(qiáng)度，為安全起見，可將溫度超過T_g+60℃時(shí)的膠黏劑剪切強(qiáng)度和剛度近似取為0。

4結(jié)論

通過膠黏劑力學(xué)性能試驗(yàn)研究，以及對(duì)比分析前人的試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）隨著溫度升高，膠黏劑的剪切強(qiáng)度和剛度整體上呈下降趨勢(shì)，在遠(yuǎn)離玻璃化溫度的區(qū)域變化不大，變化集中在玻璃化溫度T_g±20℃的范圍內(nèi)。

2）高溫固化有助于提高膠黏劑的實(shí)際玻璃化溫度。相比常溫固化，高溫固化通過提高膠黏劑的實(shí)際玻璃化溫度可以改善其高溫性能。

3）本文建立的膠黏劑在不同溫度作用下的剪切強(qiáng)度和剪切剛度關(guān)系模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可供實(shí)際工程應(yīng)用參考。

4）加固工程中，常溫下黏鋼或粘貼CFRP所用的結(jié)構(gòu)膠黏劑并不能完全固化，在經(jīng)歷后續(xù)較高溫度時(shí)會(huì)發(fā)生一定的后固化反應(yīng)。因此，粘貼施工時(shí)，若能采用人工方式對(duì)膠黏劑進(jìn)行高溫固化，可以有效提高其使用過程中的耐熱性能，這對(duì)黏鋼或粘貼CFRP加固結(jié)構(gòu)的抗火性能是有利的。