自研高性能膠膠粘CFRP-鋼界面性能的溫度影響機制

李傳習,高有為,王孝耀,李游,司睹英胡

（1.長沙理工大學 土木工程學院，長沙 410114；2.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530005；3.湖南工業(yè)大學 土木工程學院，株洲 412007）

膠粘碳纖維增強復合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)是鋼結構疲勞裂紋處治(即鋼結構加固)最具前景的方法[1-5]。膠粘CFRP的鋼結構，粘結界面是其薄弱環(huán)節(jié)，膠粘劑的性能很大程度上決定了CFRP加固鋼結構的效果[6-8]。膠粘劑屬于高分子聚合物，具有較高的溫度敏感性。

大多數商品膠粘劑在室溫下均具有良好性能，但當溫度低于或高于室溫時，膠粘劑的性能會發(fā)生顯著變化[9-11]，膠粘CFRP-鋼界面性能勢必也會隨之改變[12-15]。

李傳習等[16]測試了4種商品膠粘劑(Araldite 2014、Araldite420、Sika30、C1)在25～70℃內的力學性能，結果表明4種膠粘劑的強度和剛度均隨溫度升高呈線性下降。Biscaia等[17]、陳卓異等[18]基于Sika30膠(玻璃轉化溫度Tg=62℃)對20～95℃內CFRP-鋼界面性能進行了試驗研究。結果均表明，當溫度接近或超過膠粘劑Tg時，試件的極限承載力顯著降低。但當溫度低于Tg一定值時，試件的極限承載力隨溫度升高的變化規(guī)律不一，前者研究表明極限承載力隨溫度升高而下降，后者則正好相反。He等[19]研究了4種膠粘劑(T1、Sika30、Tc、Araldite2014)分別在各自Tg±15℃下CFRP-鋼界面性能，結果表明，溫度為Tg+15℃時，試件的極限承載力僅為室溫下的24%～36%；非線性膠粘劑試件的界面承載力要高于線性膠粘劑，同種膠粘劑(線性或非線性)拉伸強度大的試件界面性能優(yōu)于拉伸強度小的試件。Al-Shawaf等[20]基于3種膠粘劑(Araldite420、Sika30、Mbrace Saturant)研究了不同溫度下CFRP-鋼界面的破壞模式。結果表面，采用Araldite420和Sika30膠粘的試件在20℃和40℃溫度下破壞模式均為CFRP層離，但當溫度高于膠粘劑的Tg時，失效模式變?yōu)殇?膠界面破壞。Nguyen等[21]也得出相同結論。

上述研究均基于典型商品膠粘劑，其Tg普遍低于60℃，而夏季鋼橋內部溫度可超60℃，顯然難以滿足加固需求。盡管航天航空特供膠粘劑的Tg能超過200℃，但其固化條件苛刻(需經200℃以上高溫固化)，尚無法廣泛應用于鋼橋加固[22-23]。此外多數學者僅單獨研究了不同溫度下膠粘劑的性能或CFRP-鋼界面性能，對兩者性能均研究且建立聯系的較少。低溫環(huán)境下膠粘劑的脆性變大，抵抗裂紋擴展能力變差，關于低溫環(huán)境下CFRP-鋼界面研究較潰泛。因此，基于高性能膠粘劑膠粘CFRP-鋼界面性能的溫度影響機制仍需進一步探討。

本團隊已研配出一種耐高溫高性能非線性環(huán)氧膠粘劑G3[6,24-25]，其固化工藝簡單，拉伸強度大于50 MPa (商品膠粘劑拉伸強度在30 MPa左右[16,19,26])，Tg高于90℃，且在-20℃和70℃下均能保持較高的拉伸強度和斷裂韌性。為此本文基于G3膠和Tg較高的商品膠粘劑Sika30制作了28個CFRP-鋼雙搭接試件，開展了兩種膠粘劑在7種環(huán)境溫度(-20℃、-5℃、10℃、25℃、40℃、55℃和70℃)下的拉伸剪切試驗，并通過分析接頭試件的破壞模式、極限承載力、荷載-位移曲線、界面剪應力及粘結-滑移曲線等，揭示基于自研高性能膠G3的CFRP-鋼界面優(yōu)異的動態(tài)熱力學性能。

1 試 驗

1.1 原材料

膠粘劑采用自主研配的環(huán)氧膠粘劑G3和商品膠粘劑Sika30，后者由德國西卡公司生產；搭接試件的鋼采用橋梁結構鋼Q345 D，寬50 mm，厚12 mm；CFRP由上海悍馬公司生產，寬50 mm，厚1.4 mm。材料參數如表1所示。其中G3膠和Sika30膠參數由自測得到，測試溫度為25℃。CFRP和Q345 D數據由商家提供。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

1.2 試件設計與制備

膠粘劑膠體拉伸試件和剪切試件分別參照GB/T 2567-2021[27]和GB/T 7124-2008[28]制作，試件尺寸如圖1所示，其中圓弧段半徑R為76 mm，中間段寬度b為10 mm，測試段標距L0為 50 mm，直線段長度L1為60 mm，試件總長度L為200 mm，試件厚度h為4 mm。常溫常濕靜置4 h后，將膠粘劑拉伸試件和剪切試件放入高低溫試驗箱中進行90℃固化2.5 h (試驗箱溫度從室溫升至90℃，升溫速率10℃/min，溫度達到90℃后開始固化計時)。Sika30膠則在室溫下固化7天。兩者均在養(yǎng)護完成后立即開始拉伸測試。

圖1 膠粘劑試件尺寸Fig.1 Size of adhesive specimen

膠粘CFRP-鋼雙搭接接頭試件的設計與制作參考ASTM D3528-96(2016)[29]及相關研究[18,30]。試驗開展了由兩種膠粘劑(G3和Sika30)分別在7種工作溫度(-20℃、-5℃、10℃、25℃、40℃、55℃、70℃)下的雙搭接拉伸剪切試驗。本次試驗共制作28個試件，分為G3試件組和Sika30試件組，每組均在上述7種工作溫度下進行拉伸剪切試驗，同組每種溫度進行2個試件測試?？紤]到試驗的離散性，試驗過程中對部分結果相差較大的試件進行了補做和替換。雙搭接試件的幾何尺寸及應變片布置如圖2所示。

圖2 幾何尺寸及應變片布置Fig.2 Geometric dimensions and strain gauge arrangement

試件制作具體流程：鋼板表面采用帶百頁輪的打磨機進行打磨除銹，用酒精清洗后待用；CFRP采用水切割機按設計長度切割，并用砂紙對CFRP表面進行打磨，以去除表面樹脂和雜質，用酒精清洗后待用；按組分制備膠粘劑；在CFRP上的指定區(qū)域涂抹膠粘劑，并撒8～10顆1 mm小鋼珠控制膠層厚度，將鋼板指定區(qū)域涂抹一層膠粘劑后蓋于CFRP上，完成單面粘貼；在鋼板另一面繼續(xù)涂抹膠粘劑并撒鋼珠，將涂有膠粘劑的CFRP蓋上，完成雙面粘貼；最后采用鋼板進行壓重。固化條件同上。兩組試件均在養(yǎng)護完成后立即開始拉伸剪切試驗。

1.3 試驗方法

膠粘劑膠體測試在上海華龍測試儀器有限公司提供的帶高低溫箱的50 kN電子萬能試驗機上進行。試件拉伸前，將高低溫箱調至指定溫度，夾好試件后關閉溫度箱，待溫度穩(wěn)定在指定溫度30 min后開始測試。試件采用位移加載控制，加載速率為2 mm/min。每組有效試件不少于5個。加載裝置見圖3。

圖3 膠粘劑試驗Fig.3 Adhesive test

搭接試件測試在上海華龍測試儀器有限公司提供的帶高低溫箱的300 kN準靜態(tài)拉伸試驗機上完成。試件拉伸前，將高低溫箱調至指定溫度，試件與夾具進行對中，夾緊加載端后將試件調至合適高度。考慮溫度對試件的線膨脹影響，固定端暫不夾緊。關閉高低溫箱門，高低溫箱達到指定溫度30 min后夾緊固定端開始進行加載測試。試驗通過位移控制加載，加載速率為2 mm/min，采用靜態(tài)應變測試系統進行應變數據的采集。加載裝置見圖4。

圖4 雙搭接試件試驗Fig.4 Double lap test

2 試驗結果與分析

2.1 溫度對膠粘劑性能的影響

2.1.1 拉伸性能

圖5為兩種膠粘劑在不同工作溫度下拉伸應力-應變曲線。Sika30膠在55℃已基本失去結構強度，故其在55℃及以上的應力-應變曲線未示出；可知，當測試溫度低于25℃時，大部分分子鏈均處“凍結”狀態(tài)，膠粘劑的應力-應變曲線呈線性變化；當測試溫度升高，分子鏈逐漸“解凍”，應力開始減小，應變增加，應力-應變曲線存在明顯的屈服點。

圖5 不同工作溫度下膠粘劑的拉伸應力-應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of adhesives at different working temperatures

由圖5(a)的G3膠的拉伸應力-應變曲線可知，G3膠在-20～70℃下均具有良好的拉伸性能，其在70℃時強度仍保持36.1 MPa，比Sika30膠在25℃時的強度還要高。

2.1.2 剪切性能

圖6為兩種膠粘劑在不同工作溫度下的剪切荷載-位移曲線。由圖6(a)的G3膠的剪切荷載-位移曲線可知，在-20～70℃內，G3膠的剪切強度隨溫度升高而升高。由圖6(b)的Sika30膠的剪切荷載-位移曲線可知，在-20～40℃內。Sika30膠的剪切強度隨溫度升高而升高，但當溫度為55℃ (接近膠粘劑Tg)和70℃ (超過膠粘劑Tg)時，剪切強度急劇下降。

圖6 不同工作溫度下膠粘劑的剪切荷載-位移曲線Fig.6 Shear load-displacement curves of adhesives at different operating temperatures

2.2 溫度對CFRP-鋼界面性能的影響

本次試驗每組兩個試件破壞時的主要破壞模式、最大位移、極限承載力及其平均值均匯總于表2。

表2 CFRP-鋼雙搭接試件的拉伸剪切試驗結果Table 2 Tensile shear test results of CFRP-steel double lap specimens

2.2.1 破壞模式

CFRP-鋼雙搭接試件的主要破壞形態(tài)可分為5種：(a) CFRP材料破壞；(b) CFRP-膠界面破壞；(c) 膠粘劑內聚破壞；(d) 鋼-膠界面破壞；(e) 鋼材破壞，其中鋼材破壞的可能性較小。表2統計顯示：基于G3膠試件約72%的試件發(fā)生a型破壞；約14%的試件發(fā)生a+d型破壞；約14%的試件發(fā)生d型破壞；基于Sika30膠試件約72%的試件發(fā)生a型破壞；約28%的試件發(fā)生d型破壞。兩種膠粘劑試件的破壞模式均以a型破壞為主，說明兩種膠粘劑均具有良好的粘結性能。結合表2中試件的極限承載力可知，發(fā)生a型破壞試件的極限承載力較發(fā)生d型破壞試件的極限承載力高。由于鋼材的線膨脹系數和導熱系數分別是CFRP的10倍和30倍，因此當環(huán)境溫度發(fā)生改變時，鋼-膠界面相對于CFRP-膠界面更易發(fā)生破壞。

試件在不同工作溫度下的破壞形態(tài)如圖7所示(從上到下溫度逐漸升高)。由G3試件組的破壞形態(tài)(圖7(a))可知，溫度為-20℃時，試件的破壞形態(tài)為鋼-膠界面破壞；溫度稍許升高(-5℃)，試件的破壞形態(tài)為CFRP材料破壞和鋼-膠界面破壞的混合破壞；溫度高于25℃時，試件的破壞形態(tài)表現為CFRP材料破壞。由Sika30試件組的破壞形態(tài)(圖7(b))可知，溫度在-20～40℃區(qū)域內，試件的主導破壞形態(tài)為CFRP材料破壞，靠近間隙端存在局部的鋼-膠界面破壞；當溫度達到55℃(接近膠粘劑Tg)，試件的主要破壞形態(tài)為鋼-膠界面破壞，伴隨有局部膠粘劑內聚破壞和CFRP撕裂；當溫度達到70℃ (超過膠粘劑Tg)，試件的破壞形態(tài)為鋼-膠粘劑界面破壞。

圖7 CFRP-鋼雙搭接試件的界面破壞形態(tài)Fig.7 Interface failure mode of the CFRP-steel double lap specimens

由上可知，不同膠粘劑類型試件的破壞形態(tài)受溫度影響存在差異。原因之一可能是由于不同膠粘劑受溫度的影響程度不同，即膠粘劑Tg存在差異，當溫度接近或超過膠粘劑Tg時，膠粘劑的性能急劇下降。本文涉及的膠粘劑有3種，即結構膠G3膠、Sika30膠和制作CFRP板時所用的浸漬膠(下文簡稱J膠)，其中J膠的粘結性能決定了CFRP板的層間強度。當結構膠的強度高于CFRP板中J膠的強度時，破壞形態(tài)表現為CFRP材料破壞，相反則為結構膠內聚破壞或界面破壞。兩者強度接近時，破壞形態(tài)表現為上述幾種破壞形態(tài)的混合破壞。由此可推測：低溫環(huán)境下(-20～-5℃)，膠粘劑性能從大到小依次為Sika30膠＞J膠＞G3膠；中溫環(huán)境下(10～40℃)，膠粘劑性能為G3膠＞Sika30膠＞J膠；高溫環(huán)境下(55～70℃)，膠粘劑性能為G3膠＞J膠＞Sika30膠。

2.2.2 最大位移與極限承載力

CFRP-鋼雙搭接試件的最大位移與極限承載力隨溫度升高的變化規(guī)律如圖8所示?？芍?20～70℃溫度范圍內，G3試件的最大位移和極限承載力隨溫度升高而增大，而Sika30試件的最大位移與極限承載力則隨溫度升高呈先上升后下降的趨勢，與膠粘劑剪切強度隨溫度的變化趨勢一致；溫度小于或等于25℃時，G3試件與Sika30試件的極限承載力相當；溫度超過55℃時，G3試件的極限承載力顯著高于Sika30試件。

圖8 CFRP-鋼雙搭接試件最大位移(a)與極限荷載(b)隨溫度升高的變化趨勢Fig.8 Variation trend of maximum displacement (a) and ultimate load(b) of CFRP-steel double lap specimens with increasing temperature

結合表2中的最大位移與極限承載力數據可知，當溫度為-20℃時，G3試件和Sika30試件的極限承載力分別為68.9 kN和74.5 kN，相較于25℃下的98.2 kN和104.2 kN分別下降了29.8%和28.5%；當溫度為40℃時，Sika30試件的最大位移和極限承載力均達到最大值，分別為11.1 mm和161.6 kN，較室溫下的最大位移和極限承載力分別提高了54.2%和55.1%；當溫度達到55℃(接近Sika30膠粘劑Tg)時，Sika30試件的極限承載力驟降至78.9 kN，較25℃時下降了24.3%，但其最大位移9.7 mm仍高于25℃時的7.2 mm；當溫度為70℃時，Sika30試件的極限承載力為64.2 kN，僅為室溫下極限承載力的0.6倍，但其最大位移與室溫時的最大位移接近。

由Sika30試件的極限承載力隨溫度的變化趨勢可知，當溫度低于膠粘劑Tg且22℃以上時，試件的極限承載力隨溫度升高而升高，而當溫度接近或高于膠粘劑Tg時，試件的極限承載力急劇下降。由于本次最高試驗溫度為70℃，遠低于G3膠Tg(95℃)，故G3試件的極限承載力隨溫度的變化規(guī)律是否與也存在相同規(guī)律還有待進一步驗證。

由上可知，低溫環(huán)境下，試件的極限承載力較25℃顯著降低；在服役溫度可能超過40℃的鋼橋加固中，采用G3膠的效果要顯著優(yōu)于Sika30膠。

試件的荷載-位移曲線如圖9所示?？芍诩虞d初期，荷載增長速度較慢；隨荷載持續(xù)增加，荷載與位移呈線性變化；當荷載增加到某值時，G3試件在-20℃和-5℃溫度下出現“V”字形波動，Sika30試件在-20℃、-5℃、10℃和25℃溫度下均出現“V”字形波動，相應在實驗過程中也能聽到“嚓”的聲音。以上說明，當溫度低于25℃時，試件的脆性較大，易出現局部脫粘；當溫度高于25℃時，試件的延性增加；G3試件的溫度穩(wěn)定性高于Sika30試件。

圖9 CFRP-鋼雙搭接試件荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of CFRP-steel double lap specimens

2.2.3 CFRP表面軸向應變分布

圖10示出了-20℃、25℃和70℃下的CFRP表面軸向應變分布?？芍?，CFRP表面軸向應變集中分布于近間隙端，且離間隙端越近，應變越大。由圖10(a)的G3試件的CFRP表面軸向應變分布可知，升溫使試件的最大應變值增大。由圖10(b)的Sika30試件的CFRP表面軸向應變分布可知，當荷載接近或等于極限荷載時，各位置應變均顯著增加；當溫度為70℃時，同荷載值下應變與距間隙端距離線性相關，靠近間隙端應變大；最大應變隨溫度升高呈先增加后減小的趨勢。

圖10 CFRP表面軸向應變分布Fig.10 Axial strain distribution on CFRP surface

2.2.4 剪應力分布與有效粘結長度

界面剪應力反映了CFRP-鋼界面應力的傳遞規(guī)律。當剪應力接近于0時，認為該處無剪應力傳遞，從間隙端到該處的距離即為有效粘結長度。通過CFRP表面軸向應變分布可求得相鄰測點i和i-1測點之間中點處的界面剪應力，下式常用來計算粘結界面剪應力[8,18]：

式中：τi-1/2為測點i和測點i-1之間中點處的界面剪應力；εi為測點i處CFRP表面應變；li為測點i到CFRP自由端的距離；Ep、tP分別為CFRP的彈性模量和厚度。

剪應力分布和有效粘結長度如圖11所示?？芍?，G3試件在-20℃、25℃和70℃時的有效粘結長度分別為52.5 mm、67.5 mm和85 mm，說明溫度升高，G3試件的有效粘結長度增加；Sika30膠試件在-20℃和25℃時的有效粘結長度均為67.5 mm，但當溫度達到70℃時(超過Sika30膠粘劑Tg)，膠粘劑由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，試件的有效粘結長度超過200 mm或不存在有效粘結長度；剪應力主要分布在靠間隙端，初始剝離始于該區(qū)域，遠離該區(qū)域的界面剪應力迅速降低，超過有效粘結長度后基本無變化。

圖11 CFRP-鋼雙搭接試件剪應力分布Fig.11 Shear stress distribution of CFRP-steel double lap specimens

2.2.5 粘結-滑移本構

粘結-滑移本構即剪應力和滑移的關系，稱為τ-s曲線。它能夠描述界面受力情況和失效過程。針對CFRP-鋼搭接試件作如下假定：(1) 忽略鋼的軸向變形；(2) CFRP自由端滑移為0。從自由端對測得的CFRP表面應變進行積分，可得測點i-1與測點i之間中點處的界面局部滑移Si-1/2[26]：

聯立式(1)和式(2)可得試件在加載過程中不同位置處的粘結-滑移關系。由上文分析可知，剪應力主要分布在近間隙端，且大部分試件的破壞形態(tài)均存在間隙端局部混合破壞，認為該處膠層經歷了整個失效過程，因此選取離間隙端10 mm位置的粘結-滑移關系進行分析。

粘結-滑移曲線上升階段的斜率定義為剛度K，τ-s曲線與s軸圍成的面積定義為界面斷裂能Gf。界面剛度反映試件抵抗變形的能力，剛度越大，試件抵抗變形能力越強；斷裂能Gf反映抵抗裂紋擴展的能力，Gf越小，試件抵抗裂紋擴展能力越低，試件越易發(fā)生破壞。試件在不同工作溫度下的界面剛度K、斷裂能Gf、峰值剪應力τmax、極限滑移量Sf及峰值剪應力所對應的荷載P1、滑移量S1、滑移量S2列于表3?？芍?，在-20～70℃溫度范圍內，隨溫度升高，G3試件的極限滑移量Sf和斷裂能Gf增加，峰值剪應力和界面剛度K先增大后減小，滑移量S1變化不大；Sika30試件的所有本構參數均隨溫度升高呈先上升后下降的趨勢。由Sika30試件的本構參數還可知，當溫度為55℃(接近Sika30膠Tg)時，試件的峰值剪應力、界面剛度和斷裂能都顯著降低，較25℃分別降低了72.6%、82.8%和60.8%。

表3 CFRP-鋼雙搭接試件本構參數Table 3 Constitutive parameters of CFRP-steel double lap specimens

試件的粘結-滑移曲線如圖12所示。由圖12(a)可知，當溫度不超過25℃時，粘結-滑移曲線形狀近似為直角三角形，即當剪應力達到峰值后試件馬上發(fā)生破壞，破壞前無明顯征兆，為脆性破壞；當溫度達到40℃時，粘結-滑移曲線形狀近似為直角梯形，即存在一個“屈服平臺”，但無明顯下降段；當溫度高于40℃時，粘結-滑曲線形狀近似為梯形，即存在一個顯著的屈服平臺和下降段，屬于延性破壞。由圖12(b)可知，當溫度不超過25℃時，粘結-滑移曲線形狀近似為三角形，即存在上升段和下降段；當溫度為40℃時，粘結-滑移曲線形狀近似為二次拋物線；當溫度為55℃和70℃時，粘結-滑移曲線形狀近似為梯形。膠粘劑隨溫度升高韌性增強，故試件的界面韌性也隨之增加。界面劣化減緩，其粘結-滑移曲線形狀逐漸由三角形轉變?yōu)樘菪巍?/p>

圖12 CFRP-鋼雙搭接試件粘結-滑移關系Fig.12 Bond-slip relationship of CFRP-steel double lap specimens

3 結 論

(1) 隨溫度升高，膠粘劑強度下降，韌性增加。當溫度接近或超過膠粘劑玻璃轉化溫度Tg時，膠粘劑性能急劇下降，甚至直接失去結構強度；碳纖維增強復合材料(CFRP)-鋼搭接試件的破壞模式也由CFRP層離破壞轉變?yōu)殇?膠界面破壞。

(2) 在-20～70℃溫度范圍內，G3試件的極限承載力隨溫度升高而增大，而Sika30試件的極限承載力則隨溫度升高呈先上升后下降的趨勢；當溫度為-20℃時，G3試件和Sika30試件的極限承載力較25℃下分別下降了29.8%和28.5%，說明低溫環(huán)境使界面性能退化；當溫度達到55℃(接近Sika30膠粘劑玻璃轉化溫度Tg)時，Sika30試件的極限承載力較25℃時下降了24.3%；當溫度為70℃時，Sika30試件的極限承載力僅為室溫下極限承載力的0.6倍，而此時G3試件的極限承載力是Sika30試件2.3倍。

(3)試件的有效粘結長度隨溫度升高而增長。G3試件在-20℃、25℃和70℃時的有效粘結長度分別為52.5 mm、67.5 mm和85 mm；Sika30膠在-20℃和25℃時的有效粘結長度均為67.5 mm，但當溫度為70℃時，膠粘劑已軟化，有效粘結長度超過200 mm或不存在有效粘結長度；剪應力主要分布在靠間隙端，初始剝離始于該區(qū)域，遠離該區(qū)域的界面剪應力迅速降低，超過有效粘結長度后基本無變化。

(4) 溫度升高，界面延性增加，粘結-滑移曲線形狀逐漸由三角形轉變?yōu)樘菪巍?/p>