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，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：TU58 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)范對結(jié)構(gòu)膠黏劑的使用給出了環(huán)境溫度限值，但是對環(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)境溫度升高對結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響。Klamer等對結(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)度的測試（剛性材料對剛性材料）》（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號鋼，單個(gè)鋼片尺寸為100 min×30 mm×2.5 mm，黏接長度為12.5 mm，夾持長度為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測試方法

試驗(yàn)加載設(shè)備采用德國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。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量試件所受拉力和夾頭間相對位移，采用testX-pert II材料試驗(yàn)智能測試軟件進(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)前首先對該膠黏劑的玻璃化溫度采用熱流型DSC儀TAQ20進(jìn)行測試，測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)后再次測試，其最終玻璃化溫度值為74.54℃。DSC測試中膠黏劑產(chǎn)生的熱流量隨測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。對比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，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)動加劇，應(yīng)力集中減少，滲透能力升高，也在一定程度上對黏結(jié)強(qiáng)度有提高效果。

目前，對環(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)中無測試結(jié)果采用力學(xué)性能退化區(qū)段中心對應(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，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，這對黏鋼或粘貼CFRP加固結(jié)構(gòu)的抗火性能是有利的。