碳纖維增強建筑復合板材與鋼件的粘接效果及影響研究

戴辰陽

摘要：為了全面了解影響碳纖維增強復合板與鋼的界面粘接性能的因素，現(xiàn)使用非線性膠粘劑（Tc）和線性膠粘劑（T1），確保碳纖維增強復合板與鋼兩者之間的粘接效果。同時，研究影響碳纖維增強復合板與鋼的界面粘接性能的因素。結果表明，當膠粘劑厚度不斷增加時，Tc 膠粘劑試件界面所對應的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，該界面破壞模式先轉變?yōu)樘祭w維增強復合板層間剪切破壞模式，然后轉變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉變?yōu)樘祭w維增強復合板斷裂耦合層間剪切破壞模式。在膠粘劑厚度不斷增加下， T1膠粘劑試件界面所對應的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，該界面破壞模式始終保持碳纖維增強復合板層間剪切破壞模式。

關鍵詞：碳纖維增強復合板鋼件；界面；粘接效果；性能；破壞模式

中圖分類號：TU765；TQ437+.1文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0036-04

Study on the bonding properties and influencing factors of carbon fiber reinforced composite panelsand steel for construction

DAI Chenyang

（China Railway 11th Bureau Group Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China）

Abstract： In order to fully understand the factors affecting the interface bonding performance of carbon fiber rein- forced composite panels and steel，Tcnonlinear adhesives and T1 linear adhesives are now used to ensure the bond- ing effect between carbon fiber reinforced composite panels and steel. At the sametime，the factors affecting the in- terface bonding properties of carbon fiber reinforced composite panels and steel are also studied. The results show that when the thickness of the adhesive increases continuously，the average value of the bearing capacity corre- sponding to the interface of the Tcadhesive specimen shows a rising trend. At first it is changed into the interlami- nar shear failure mode of the carbon fiber reinforced composite panel，then into the adhesive coupling interlaminar shear failure mode，and finally into the fracture coupled interlaminar shear failure mode of the carbon fiber rein- forced composite panel. With the continuous increase of the adhesive thickness，the average bearing capacity of the T1 adhesive specimen interface corresponding to the value shows a decreasing trend，and the interface failure modealways maintains the interlaminar shear failure mode of carbon fiber reinforced composite plates.

Keywords： carbon fiber reinforced composite panel；interface；bonding effect；properties；failure mode

碳纖維增強復合板憑借著自身比強度高、比鋼性高等優(yōu)勢，被廣泛地應用于航空、建筑等領域中[1]。碳纖維增強復合板與鋼粘接結構的出現(xiàn)和應用，可以有效地解決傳統(tǒng)建筑加固模式存在的不足問題，如連接損傷、施工困難等問題，但是，碳纖維增強復合板與鋼兩者之間的粘接成為決定碳纖維增強復合板與鋼粘接結構應用效果的關鍵因素，因此，為了確保兩者粘接的穩(wěn)固性，加強對碳纖維增強復合板與鋼界面粘接性能的研究顯得尤為重要[2]。

1 試驗部分

1.1試驗原料

本試驗主要用到的原料：（1）方形鋼管。該鋼管的厚度、屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為5 mm、275 MPa、405 MPa、41%[3]。（2）拉擠型碳纖維復合板。該復合板的寬度、厚度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為25 mm、1.5 mm、1650 MPa、0.96%。（3）非線性膠粘劑（Tc）。（4）線性膠粘劑（T1）。膠粘劑的型號和力學性能如表1所示。

1.2 試驗儀器

本實驗所用到的實驗儀器為萬能拉伸試驗機。該試驗機主要是由工業(yè)系統(tǒng)有限公司生成的[4]。

1.3 試驗制備

使用砂紙，對碳纖維增強復合板與鋼進行打磨處理，并分別使用0.5、1.0和1.5 mm厚度的Tc 膠粘劑和T1膠粘劑粘接處理碳纖維增強復合板與鋼。同時，為各個單面剪切試件進行一一編號，如Tc-1.0-1代表 Tc 的膠粘劑的厚度為1.0，其試件編號為1；當粘接操作結束后，需要將其放置于常溫環(huán)境下[2]，對其進行固化處理[5]。碳纖維增強復合板與鋼加載裝置如圖1所示，該裝置的加載速率和數(shù)據采樣頻率分別為0.2 mm/min、2 Hz。

1.4測定或表征

嚴格按照所設置好的GB/T 7124—2008標準，對碳纖維增強復合板與鋼的拉伸剪切強度進行精確化測定[6]。

2 結果及討論

2.1剪切性能

對于碳纖維增強復合板與鋼而言，所獲得的單面剪切性能測試結果如表2所示。

由表2可知，當膠粘劑厚度從原來的0.5 mm上升至1.5 mm時，碳纖維增強復合板與鋼界面所對應的承載力平均值不斷上升[7]。當膠粘劑厚度上升至0.5 mm時，其界面承載力平均值達到54.12 kN；當膠粘劑厚度上升至1.0 mm時，其界面承載力平均值達到67.47 kN；當膠粘劑厚度上升至1.5 mm時，其界面承載力平均值達到69.59 kN。該界面破壞模式先轉變?yōu)樘祭w維增強復合板層間剪切破壞模式，然后轉變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉變?yōu)樘祭w維增強復合板斷裂耦合層間剪切破壞模式[8]。對于T1膠粘劑試件而言，當膠粘劑厚度不斷上升時，碳纖維增強復合板與鋼界面所對應的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，當膠粘劑厚度上升至0.5 mm時，其界面承載力平均值達到48.87 kN；當膠粘劑厚度上升至1.0 mm時，其界面承載力平均值達到48.75 kN；當膠粘劑厚度上升至1.5 mm時，其界面承載力平均值達到45.18 kN。其界面破壞模式始終保持碳纖維增強復合板層間剪切破壞模式。這一規(guī)律的研究，為后期全面地了解和把握該界面的粘接性能提供重要的數(shù)據支撐[9]。

本次試驗，所獲得的荷載-位移曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，Tc試件荷載隨著位移的不斷上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，當位移條件相同，在膠粘劑厚度不斷增加時，其荷載會不斷下降[10]。對于T1試件而言，其荷載隨著位移的不斷上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢；當位移條件相同時，在不同膠粘劑厚度下，所對應的荷載值幾乎完全一致。與T1試件相比，Tc 試件具有較高的延性，這是由于該試件具有彈性模量小、塑性變形承受能力強等特點有關[11]。

2.2 粘接-滑移關系

Tc膠粘劑試件的粘接-滑移關系如圖3所示。

從圖3可以看出，在膠粘劑厚度為1.0 mm時，與加載端距離為30、50和70 mm的剪應力-相對滑移曲線也表現(xiàn)出不同的變化趨勢[12]。此時，如果繼續(xù)增加膠粘劑厚度，當膠粘劑厚度達到1.5 mm時，所對應的距離加載端為12.5、30和50 mm的剪應力-相對滑移曲線與0.5 mm膠粘劑厚度相比，出現(xiàn)明顯的差異。理想粘接-滑移關系曲線如圖3（d）所示，其變化階段主要包含彈性階段、彈塑性階段、軟化階段和脫粘階段[13]。經過全面對比分析可知，當膠粘劑厚度不同時，其Tc試件界面所對應的最大剪應力幾乎相同；同時，膠粘劑厚度的變化，會對曲線的滑移量產生顯著的影響。

T1膠粘劑試件的粘接-滑移關系如圖4所示。

從圖4可以看出，在膠粘劑厚度為1.0 mm時，與加載端距離為12.5、30、50 mm的剪應力-相對滑移曲線也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。此時，如果繼續(xù)增加膠粘劑厚度，當膠粘劑厚度達到1.5 mm時，所對應的距離加載端為12.5、30和50 mm的剪應力-相對滑移曲線與0.5 mm膠粘劑厚度相比，出現(xiàn)明顯的差異[14]。理想粘接-滑移關系曲線如圖4（d）所示，其變化階段主要包含彈性階段、軟化階段和脫粘階段。另外，經過全面分析對比發(fā)現(xiàn)，T1膠粘劑試件主要包含以下2種變化趨勢：（1）當位移不斷上升時，其界面剪應力不斷上升；當剪應力達到最大值時，即可進入到彈性階段。（2）當界面剪應力不斷減小時，一旦其荷載出現(xiàn)上升現(xiàn)象，其剪應力會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，并出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象[15]。對于Tc 膠粘劑試件而言，主要包含上升階段、平緩階段、下降階段；對于T1膠粘劑試件而言，主要包含上升階段和下降階段。

2.3 粘接界面強度

對于碳纖維增強復合板與鋼而言，其界面斷裂能能夠真實、有效地反映出預測界面粘接強度，通過利用粘接-滑移曲線所獲得的界面斷裂能，借助界面極限承載力計算公式[16]。對不同膠粘劑厚度的碳纖維增強復合板與鋼的極限承載力進行精確化計算，其計算結果如表3所示。

由表3可知，當極限承載力預測值與實測值的比值平均值達到0.93時，其預測結果可以表現(xiàn)出較高的準確性[17-18]。

碳纖維增強復合板與鋼的極限承載力預測值與試驗值的關系曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，結合線性擬合情況[19]，預測值與試驗值之間的關系算式為y=0.93x，其中y 代表預測值；x代表試驗值。根據表3所示的測試結果，通過全面地觀察和了解界面斷裂能，可以精確地預測所對應的界面粘接強度[20]。

3結語

（1）當膠粘劑厚度不斷增加時，Tc 膠粘劑試件界面所對應的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，該界面破壞模式先轉變?yōu)樘祭w維增強復合板層間剪切破壞模式；然后轉變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉變?yōu)樘祭w維增強復合板斷裂耦合層間剪切破壞模式。在膠粘劑厚度不斷增加時，T1膠粘劑試件界面所對應的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，該界面破壞模式始終保持碳纖維增強復合板層間剪切破壞模式；

（2）Tc膠粘劑試件呈現(xiàn)出先增加，后平穩(wěn)，再下降的趨勢；而T1膠粘劑呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。

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