CFRP板/鋼界面黏結(jié)性能水浴試驗(yàn)研究

王愷，羅南海

(1.現(xiàn)代投資股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.株洲市城市建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司)

近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)因具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。在南方，很多受損的鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于高溫高濕的環(huán)境中，采用環(huán)氧膠黏劑將CFRP材料補(bǔ)片粘貼到鋼板表面加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮環(huán)境因素對(duì)CFRP/鋼界面性能的影響。該文采用一種新型高強(qiáng)度膠黏劑-環(huán)氧載體膠膜，其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)為69.5 ℃，遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)加固中幾種常用膠黏劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Araldite 420、Sika 30膠黏劑的Tg分別為41.7、49.5 ℃)，能夠使用處于更高環(huán)境溫度的受損鋼結(jié)構(gòu)中。此膠膜的耐高溫性能雖好，但在溫度和濕度同時(shí)作用下CFRP與鋼之間界面耐久性能仍需進(jìn)一步研究。

該文通過(guò)水浴試驗(yàn)研究在一定溫度和水浴天數(shù)下CFRP板/鋼界面黏結(jié)性能的變化規(guī)律，利用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)方法得出各試件的極限承載力、界面破壞模式、CFRP板表面應(yīng)變分布、界面剪應(yīng)力分布等。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用某環(huán)氧載體膠膜以及拉擠成型CFRP單向板，鋼板采用橋梁結(jié)構(gòu)鋼Q345qD。膠膜、CFRP板及鋼板的材料參數(shù)見(jiàn)表1。圖1為該膠膜的照片。

表1 膠膜、CFRP板及鋼板的材料參數(shù)

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

CFRP板/鋼雙搭接接頭的試件設(shè)計(jì)參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3528—96(2008)及相關(guān)研究，水浴試驗(yàn)方法參考國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 3383—1998《膠接耐久性試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)分為3組：第一組為不水浴試件；第二組為25 ℃水浴20 d試件；第三組為70 ℃水浴20 d試件，每組試件各3個(gè)，共9個(gè)試件，試件參數(shù)詳見(jiàn)表2。試件的形式、尺寸及CFRP板表面應(yīng)變片布置如圖2所示。應(yīng)變片從接頭CFRP板端(以下簡(jiǎn)稱CFRP板端)到接頭鋼板端(以下簡(jiǎn)稱鋼板端)依次編號(hào)為1～7，其位置以鋼板端為原點(diǎn)、以指向CFRP板端為x軸正向。鋼板表面處理采用機(jī)械打磨，打磨程度至表面露出金屬光澤即可，CFRP板的黏結(jié)面用砂紙輕輕打磨以去除表面樹(shù)脂基體，所有CFRP板與鋼板表面均用丙酮擦拭干凈。制作時(shí)先將裁剪好的膠膜貼于待粘鋼板上，然后在其上粘貼CFRP板，再用橡膠滾輪在試件上均勻滾壓以使膠膜與CFRP板和鋼板充分接觸，兩面粘貼完畢后，將試件移入恒溫箱，在試件上施加約為0.05 MPa的壓應(yīng)力，然后在90 ℃高溫下固化2 h。將固化完后的試件一組放置在25 ℃常溫環(huán)境中，一組放入25 ℃水溫的水浴箱中水浴20 d，第3組放入70 ℃水溫的水浴箱中水浴20 d。

圖1 膠膜照片

表2 水浴試驗(yàn)的試件參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果

圖2 CFRP板/鋼雙搭接試件形式、尺寸及應(yīng)變片布置示意圖(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在30 t微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)中，采用位移加載控制，加載速率為0.4 mm/min，試驗(yàn)在常溫25 ℃左右環(huán)境中進(jìn)行。加載過(guò)程中采用JH7281多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，采集頻率為0.5 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

圖3為3組試件的破壞模式照片。由圖3可知：沒(méi)有經(jīng)過(guò)水浴的試件其破壞模式都為CFRP板層離；當(dāng)水浴溫度為25 ℃時(shí)，試件的破壞模式大都為CFRP板層離，只在鋼板端部有少量的鋼/膠層界面剝離；而水浴溫度為70 ℃時(shí)，試件出現(xiàn)了鋼/膠層界面剝離和CFRP板層離的混合破壞模式，分析認(rèn)為，在較高水溫的環(huán)境中水浴20 d時(shí)，鋼板與膠層的黏結(jié)強(qiáng)度有所下降，從而出現(xiàn)了大面積的鋼/膠層界面破壞。

圖3 試件破壞后的照片

2.2 荷載位移曲線

圖4為3組試件在加載過(guò)程中的荷載-位移曲線。

從圖4可以看出：每一組中3個(gè)試件荷載-位移曲線的斜率基本相同，說(shuō)明試件的拉伸剛度幾乎一樣。在加載前中期，荷載與位移幾乎呈線性關(guān)系，在加載后期，由于界面出現(xiàn)了剝離，試件剛度下降，曲線斜率略有降低。有部分試件在加載后期出現(xiàn)了局部CFRP板剝離的現(xiàn)象，導(dǎo)致荷載瞬時(shí)下降。不水浴時(shí)，黏結(jié)長(zhǎng)度為80 mm試件的平均極限荷載為150.97 kN，25 ℃水浴20 d試件的平均極限荷載為149.03 kN。

圖5為不水浴試件與25 ℃水浴20 d試件極限荷載之間的關(guān)系。

由圖5可知：兩種情況下試件的極限荷載非常接近，說(shuō)明在25 ℃的水溫下，水浴20 d對(duì)試件的極限承載力并沒(méi)有影響，CFRP板與鋼的黏結(jié)強(qiáng)度沒(méi)有降低。由表2可知：70 ℃水浴20 d試件的平均極限荷載為126.21 kN。圖6為25 ℃水浴試件與70 ℃水浴試件極限荷載之間的關(guān)系，由圖6可以看出：70 ℃水浴試件的極限荷載相對(duì)25 ℃水浴有所下降，平均極限荷載下降了15.3%，說(shuō)明水溫達(dá)到膠膜玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，在一定的養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，CFRP板與鋼的黏結(jié)強(qiáng)度有所下降，但降低幅度不大。

2.3 應(yīng)變分布

圖7為3組試件中代表性試件的CFRP板表面應(yīng)變分布。

圖4 試件加載過(guò)程中荷載-位移曲線

圖5 不水浴與25 ℃水浴20 d極限荷載變化

在加載前期，只有靠近鋼板端的CFRP板產(chǎn)生應(yīng)變，隨著加載的進(jìn)行，應(yīng)變大致呈指數(shù)形式分布，峰值應(yīng)變始終在鋼板端處；在加載后期，不水浴試件CFRP板表面應(yīng)變依然呈指數(shù)形式分布，而水浴試件鋼板端的應(yīng)變達(dá)到一定值后不再增加，峰值應(yīng)變逐漸向CFRP板端轉(zhuǎn)移，整個(gè)黏結(jié)長(zhǎng)度上的CFRP板都參與了受力。不水浴試件的CFRP板表面極限應(yīng)變?yōu)? 300 με，25 ℃水浴20 d試件的CFRP板表面極限應(yīng)變?yōu)? 160 με，而70 ℃水浴20 d試件的CFRP板表面極限應(yīng)變?yōu)? 364 με，比25 ℃水浴試件要小，這主要是由于70 ℃水浴試件的極限荷載較小。與不水浴試件CFRP板表面應(yīng)變分布不同的是，水浴試件CFRP板表面峰值應(yīng)變?cè)诤笃谟幸粋€(gè)向CFRP板端傳遞的過(guò)程，從試件的破壞模式來(lái)看，這是因?yàn)樗≡嚰阡摪宥烁浇霈F(xiàn)了鋼/膠層界面破壞的情況，使得CFRP板與鋼產(chǎn)生了剝離，從而峰值應(yīng)變會(huì)進(jìn)一步向后傳遞。

圖6 25 ℃水浴與70 ℃水浴極限荷載變化

圖7 試件加載過(guò)程中CFRP板表面應(yīng)變分布

2.4 剪應(yīng)力分布

界面剪應(yīng)力分布能夠反映CFRP/鋼界面應(yīng)力沿黏結(jié)長(zhǎng)度的傳遞規(guī)律，揭示界面剝離失效的過(guò)程。通過(guò)布置在CFRP板表面的應(yīng)變片可求得相鄰測(cè)點(diǎn)i和測(cè)點(diǎn)i-1間的界面平均剪應(yīng)力：

(1)

式中：εi為CFRP板表面測(cè)點(diǎn)i處的應(yīng)變；Δεi為測(cè)點(diǎn)i與測(cè)點(diǎn)i-1處應(yīng)變的差值；Ep、tp分別為CFRP板的彈性模量、厚度；li為測(cè)點(diǎn)i距CFRP板端的距離；Δli為測(cè)點(diǎn)i與測(cè)點(diǎn)i-1之間的距離。

圖8為3組試件中代表性試件在加載過(guò)程中CFRP板/鋼界面的剪應(yīng)力分布。

從圖8可以看出：在加載前中期，剪應(yīng)力最大值始終位于鋼板端；加載后期，對(duì)于不水浴試件，當(dāng)鋼板端處剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)有下降的趨勢(shì)，但試件在此時(shí)突然破壞，峰值剪應(yīng)力還來(lái)不及向后傳遞；對(duì)于水浴試件，當(dāng)鋼板端剪應(yīng)力達(dá)到膠膜與鋼板和CFRP板的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，CFRP板/鋼界面出現(xiàn)剝離，此時(shí)剪應(yīng)力迅速下降到零，但剩余黏結(jié)長(zhǎng)度部分仍能繼續(xù)承載，峰值剪應(yīng)力進(jìn)一步向CFRP板端轉(zhuǎn)移，剝離也進(jìn)一步向后發(fā)展，直到試件破壞。25 ℃水浴與70 ℃水浴試件CFRP板/鋼界面剪應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，不同的是，25 ℃水浴試件界面峰值剪應(yīng)力略偏高一些，這可能是由于在70 ℃水浴環(huán)境中，膠膜與鋼板和CFRP板的黏結(jié)強(qiáng)度有所降低。

3 結(jié)論

(1)不水浴與25 ℃水浴20 d試件的破壞模式均為CFRP板層離，70 ℃水浴20 d試件的破壞模式為鋼/膠層界面剝離和CFRP板層離的混合破壞。

(2)25 ℃水浴20 d試件與不水浴試件極限承載力幾乎相同，而70 ℃水浴20 d試件相對(duì)25 ℃水浴20 d試件其極限承載力下降了15.3%，但下降的幅度并不大，這說(shuō)明在一定溫度范圍內(nèi)此膠膜形成的黏結(jié)界面具備良好的耐久性能。

(3)在加載后期，與不水浴試件不同的是，水浴試件CFRP板表面峰值應(yīng)變與界面峰值剪應(yīng)力有進(jìn)一步向CFRP板端傳遞的過(guò)程。