李傳習(xí), 李 游,2, 賀 君, 劉一鳴, 彭彥澤

(1.長沙理工大學(xué) 橋梁與建筑綠色建造與維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410114;2.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 株洲 412007)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)連接方法,如焊接、鉚接和螺栓連接等會(huì)對(duì)母材造成一定損傷[1-2].粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù)克服了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加固方法上的不足,能夠在結(jié)構(gòu)尺寸和自重幾乎不改變的前提下,有效提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,適用于鋼結(jié)構(gòu)承載能力修復(fù)、疲勞修復(fù)、腐蝕修復(fù)和脆性修復(fù)等[3].CFRP板與鋼板之間的界面黏結(jié)性能是該技術(shù)的關(guān)鍵問題之一[4-9].已有研究表明,膠黏劑的性能對(duì)其影響顯著.環(huán)氧樹脂和固化劑是膠黏劑組分中最主要的2個(gè)部分,兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后才能發(fā)揮膠黏劑的功能.當(dāng)主料確定后,固化劑對(duì)膠黏劑的性能起決定性作用[10-11].現(xiàn)有固化劑種類繁多,其中胺類固化劑是常用的環(huán)氧樹脂室溫固化劑,主要包括脂肪胺、脂環(huán)胺、芳香胺、聚酰胺及其改性胺等[12].脂肪胺、脂環(huán)胺和芳香胺屬于初級(jí)胺[13],初級(jí)胺直接作為固化劑時(shí)韌性較差,耐沖擊性不良,耐候性欠佳[14-16].為了克服這些缺點(diǎn)并擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,近年來國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了許多胺類的改性方法,出現(xiàn)了眾多性能各異的固化劑.

本文基于自研的環(huán)氧膠黏劑配方,改變其中固化劑的種類和摻量,研究了其對(duì)室溫固化膠黏劑基本力學(xué)性能的影響.采用該膠黏劑進(jìn)行室溫固化CFRP板/鋼板雙搭接接頭試件(以下簡稱搭接試件)的剪切試驗(yàn),研究了固化劑種類和摻量對(duì)搭接試件界面黏結(jié)性能(極限承載力、破壞模式、界面剪應(yīng)力和界面黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系等)的影響,得到了適用于CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的最佳固化劑種類和摻量,以期為結(jié)構(gòu)膠黏劑的制備及CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

納米SiO2環(huán)氧樹脂膠黏劑(以下簡稱膠黏劑)成分包括：雙酚A型環(huán)氧樹脂E51、固化劑(改進(jìn)芳香胺BD11、改進(jìn)酚醛胺GR07、縮胺105和聚醚胺D230)、增韌劑納米SiO2顆粒、偶聯(lián)劑KH-560、促進(jìn)劑DMP-30、觸變劑HB-139和消泡劑D240等.7種膠黏劑配比見表1.

表1 膠黏劑配比

CFRP板/鋼板搭接試件中的CFRP板采用南京海拓公司產(chǎn)單向板CFP1.4-50,鋼板采用橋梁結(jié)構(gòu)鋼Q345D.CFRP板及鋼板的材料參數(shù)見表2.

表2 CFRP板及鋼板的材料參數(shù)

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

1.2.1膠黏劑拉伸試件

膠黏劑拉伸試件按照ASTM D638-10《Standard test method for tensile properties of plastics》制作,試件尺寸如圖1所示.試件在室溫下養(yǎng)護(hù)7d.

圖1 膠黏劑拉伸試件的尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen of adhesive(size:mm)

1.2.2搭接試件

搭接試件的設(shè)計(jì)與制作參考ASTM D3528-96(2008)《Standard test method for strength properties of double lap shear adhesive joints by tension loading》.圖2為搭接試件尺寸及CFRP板表面應(yīng)變片布置.鋼板表面先用打磨機(jī)打磨除銹,然后用酒精清洗;CFRP表面先用砂紙打磨,除去表層樹脂,再用酒精擦拭干凈.采用灑小鋼珠方式,將膠黏劑膠層厚度控制在1mm 左右.試件在室溫下養(yǎng)護(hù)7d.

圖2 搭接試件尺寸及應(yīng)變片布置Fig.2 Size and strain gauge arrangement of CFRP laminate/steel plate double lap joint(size:mm)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1膠黏劑試件拉伸試驗(yàn)

采用50kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試膠黏劑試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能,拉伸速率為2mm/min.

1.3.2搭接試件剪切試驗(yàn)

搭接試件剪切試驗(yàn)在300kN準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用位移加載方式,加載速率為0.3mm/min.應(yīng)變數(shù)據(jù)采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集.

2 結(jié)果及分析

2.1 膠黏劑基本力學(xué)性能

圖3為7種膠黏劑拉伸試件的基本力學(xué)性能指標(biāo).由圖3(a)可知：(1)基于固化劑105和D230按質(zhì)量比1∶2復(fù)配的膠黏劑GY34的拉伸強(qiáng)度最大,為52.91MPa;基于固化劑105和D230按質(zhì)量比2∶1 復(fù)配的膠黏劑GY32的拉伸強(qiáng)度最小,僅為22.90MPa;7種膠黏劑的拉伸強(qiáng)度由高到低依次為GY34>GY35>GY31>GY2>GY33>GY1>GY32.(2)基于固化劑D230的膠黏劑GY35的彈性模量最大,為3705.94MPa;基于固化劑BD11的膠黏劑GY1和基于固化劑105的膠黏劑GY31的彈性模量相對(duì)較小,分別為2603.05、2380.02MPa.由圖3(b)可知：(1)膠黏劑GY1的斷裂伸長率最大,為2.80%;膠黏劑GY32的斷裂伸長率最小,為0.88%.(2)膠黏劑GY34的應(yīng)變能最大,為0.07296N/mm2.

圖3 7種膠黏劑拉伸試件的基本力學(xué)性能Fig.3 Basic mechanical properties of seven kinds of adhesive tensile specimens

2.2 搭接試件界面黏結(jié)性能

2.2.1搭接試件的破壞模式和荷載-位移關(guān)系

各搭接試件的固化溫度和工作溫度均為25℃.其膠層厚度(Ta)、破壞時(shí)夾持端與加載端間的最大位移(Dmax)、峰值荷載(Pmax)及破壞模式見表3.

表3 固化劑對(duì)搭接試件試驗(yàn)結(jié)果的影響

由表3可見：(1)固化劑的種類和摻量對(duì)搭接試件的極限承載能力和最大位移均有顯著影響;采用BD11或GR07作為固化劑時(shí),所對(duì)應(yīng)的搭接試件GY1-S和GY2-S的峰值荷載和最大位移分別為59.14kN、1.16mm和80.53kN、1.44mm,極限承載能力較小;而采用105或D230作為固化劑時(shí),所對(duì)應(yīng)的搭接試件GY31-S和GY35-S的峰值荷載和最大位移分別為102.31kN、2.11mm和95.09kN、1.71mm,極限承載能力較GY1-S提升了73.00%和60.79%,較GY2-S提升了27.05%和18.08%.(2)在固化劑總用量不變的情況下,采用105與D230進(jìn)行復(fù)配,當(dāng)兩者質(zhì)量比為1∶2時(shí),所對(duì)應(yīng)的搭接試件GY34-S的極限承載能力最大,峰值荷載和最大位移分別為106.89kN、1.90mm,其中峰值荷載較GY31-S和GY35-S分別提升4.48%和12.41%.

(1)

式中：bp為CFRP板寬度;Lb為搭接長度.

(2)

式中：Le為有效黏結(jié)長度.

部分搭接試件的典型破壞模式照片見圖4.

圖4 搭接試件的典型界面破壞模式Fig.4 Typical interface failure mode of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

由表3、圖4可知：固化劑種類及摻量對(duì)搭接試件的破壞模式有一定影響,當(dāng)搭接試件極限承載能力較小時(shí),破壞模式以膠層內(nèi)聚破壞(失效模式c)為主;隨著搭接試件極限承載能力的增大,破壞模式由膠層內(nèi)聚破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐?失效模式a和b);當(dāng)搭接試件極限承載能力進(jìn)一步增大后,破壞模式又轉(zhuǎn)變?yōu)镃FRP板層離破壞(失效模式d),此時(shí),搭接界面未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,說明搭接試件的界面黏結(jié)強(qiáng)度已超過CFRP板層間的剪切強(qiáng)度.

2.2.2搭接試件的界面剪應(yīng)力分布

通過布置在CFRP表面的應(yīng)變片可求取測(cè)點(diǎn)i和相鄰測(cè)點(diǎn)i-1間的界面平均剪應(yīng)力τi-1/2,其計(jì)算表達(dá)式[17-18]為：

(3)

式中：Δεi為測(cè)點(diǎn)i與i-1處的應(yīng)變差;Δli為測(cè)點(diǎn)i與i-1間的距離;εi和εi-1分別為CFRP板表面測(cè)點(diǎn)i和i-1處的應(yīng)變;li和li-1分別為測(cè)點(diǎn)i和i-1距CFRP板自由端的距離;Ep為CFRP板的彈性模量;tp為CFRP板厚度.

部分搭接試件在加載過程中的界面剪應(yīng)力分布見圖5.由圖5可知：(1)在加載初期,僅在搭接區(qū)域兩端出現(xiàn)較大剪應(yīng)力,隨著荷載的增加,搭接區(qū)域兩端面處剪應(yīng)力逐漸增加,剪應(yīng)力傳遞長度也逐漸變長.(2)在極限荷載作用下,搭接試件GY1-3的界面剪應(yīng)力峰值為15.84MPa,出現(xiàn)在距鋼板自由端10mm處;距鋼板自由端20mm處的界面剪應(yīng)力僅為7.49MPa,較鋼板自由端10mm處下降了52.71%,距鋼板自由端50mm處的界面剪應(yīng)力基本降為0.(3)搭接試件GY2-2的界面剪應(yīng)力距鋼板自由端10mm 處為17.92MPa;其剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距鋼板自由端20mm處,為20.33MPa,較距鋼板自由端10mm處增加了13.45%;距鋼板自由端70mm處,界面剪應(yīng)力基本降為0.(4)搭接試件GY31-4的界面剪應(yīng)力分布情況與GY2-2基本類似,距鋼板自由端10mm處的界面剪應(yīng)力為21.94MPa;剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距鋼板自由端20mm處,為23.49MPa,較鋼板自由端10mm處增加了7.06%;距鋼板自由端80mm處,界面剪應(yīng)力基本降為0.(5)搭接試件GY34-2的界面剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距鋼板自由端10mm處,為23.52MPa;距鋼板自由端20mm處的界面剪應(yīng)力為19.34MPa,較鋼板自由端10mm處降低了17.77%;距鋼板自由端80mm 處,界面剪應(yīng)力基本降為0.(6)搭接試件GY35-1的界面剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距鋼板自由端10mm處,為25.23MPa;距鋼板自由端20mm處的應(yīng)力為22.23MPa,較鋼板自由端10mm處降低了11.89%,降幅較小;距鋼板自由端70mm處,界面剪應(yīng)力基本降為0.綜上可知,采用基于縮胺105、聚醚胺D230、或按其質(zhì)量比1∶2混合的固化劑,所對(duì)應(yīng)的搭接接頭試件GY31-4、GY35-1、GY34-2均具有較好的界面承載力,適用于CFRP對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加固.

圖5 搭接試件界面剪應(yīng)力分布Fig.5 Interfaceshear stress distribution of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

2.2.3有效黏結(jié)長度

由上述試驗(yàn)可知：搭接試件界面剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在搭接區(qū)域兩端;搭接區(qū)域剛度大的端面附近(即鋼板自由端)界面剪應(yīng)力峰值較大,剛度小的端面附近(CFRP板自由端)界面剪應(yīng)力峰值較小;如果搭接區(qū)域足夠長,則中間某點(diǎn)的剪應(yīng)力必然降為0(或者可忽略不計(jì));若將界面剪應(yīng)力峰值點(diǎn)(兩端點(diǎn))與界面剪應(yīng)力降為0的點(diǎn)之間的距離定義為有效黏結(jié)長度,則剛度大的端面有效黏結(jié)長度較長,另一端則較小.由文獻(xiàn)[19-20]可知,有效黏結(jié)長度不但與膠層的性質(zhì)有關(guān),而且與搭接構(gòu)件的剛度有關(guān).

由圖5可知,搭接試件GY1-S、GY2-S、GY31-S、GY34-S、GY35-S的有效黏結(jié)長度分別為50、70、80、80、70mm.

3 黏結(jié)-滑移本構(gòu)

黏結(jié)-滑移(τ-δ)關(guān)系為界面黏結(jié)性能的本構(gòu)模型.假定搭接接頭CFRP自由端滑移量為零,并忽略鋼板的軸向變形,依據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù),從CFRP自由端端部到測(cè)點(diǎn)i,對(duì)CFRP表面應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值積分,可得測(cè)點(diǎn)i與測(cè)點(diǎn)i-1之間中點(diǎn)處的界面局部滑移量Si-1/2:

(4)

聯(lián)合式(3)、(4),可獲得搭接試件在加載過程中相鄰測(cè)點(diǎn)間中點(diǎn)處界面剪應(yīng)力與滑移量的關(guān)系.選取距離鋼板自由端20mm處的界面剪應(yīng)力和對(duì)應(yīng)滑移量數(shù)據(jù)繪于圖6,得到搭接試件界面的τ-δ關(guān)系.圖中τf為剪應(yīng)力峰值、δ1為本構(gòu)模型上升段峰值所對(duì)應(yīng)的滑移量、δf為極限滑移量.由圖6可知,固化劑的種類及摻量對(duì)搭接試件的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系影響顯著.

圖6 搭接試件的界面黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系Fig.6 Bond-slip constitutive of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

由圖6可見：(1)采用單一固化劑時(shí),搭接試件的黏結(jié)-滑移曲線均可簡化為雙線性三角形模型,如搭接試件GY1-S和GY31-S的黏結(jié)-滑移曲線存在一定的緩坡下降段,破壞過程相對(duì)緩慢,搭接界面具有一定的延性;搭接試件GY2-S和GY35-S的黏結(jié)- 滑移曲線不存在明顯緩坡下降段,界面剪應(yīng)力達(dá)到峰值后試件突然破壞,破壞時(shí)沒有明顯預(yù)兆,黏結(jié)- 滑移本構(gòu)模型為直角三角形.(2)采用復(fù)合固化劑時(shí),搭接試件GY34-S的黏結(jié)-滑移曲線可簡化為三線性直角梯形,黏結(jié)-滑移關(guān)系可分為2個(gè)階段：第1階段為上升段,界面剪應(yīng)力隨滑移量增加呈線性增長;第2階段為水平段,當(dāng)達(dá)到峰值剪應(yīng)力時(shí),CFRP板/鋼板界面損傷開始發(fā)展,但隨著滑移量的繼續(xù)增加,界面剪應(yīng)力基本不再增長,而是出現(xiàn)了“屈服平臺(tái)”,具有較長的軟化發(fā)展過程,未出現(xiàn)緩坡下降度,當(dāng)滑移量增大到某一值,搭接試件被拉斷.

將圖6中的各擬合曲線匯于圖7.由圖7計(jì)算出搭接試件界面的剛度K=τf/δ1,計(jì)算結(jié)果列于表4.

圖7 固化劑對(duì)搭接試件界面黏結(jié)-滑移本構(gòu)影響Fig.7 Effect of curing agent on the bond-slip constitutive behavior of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

表4 搭接試件界面黏結(jié)-滑移本構(gòu)參數(shù)的比較

由圖7和表4可知,搭接試件GY31-S和GY35-S的剪應(yīng)力峰值、極限滑移值、界面剛度、界面斷裂能分別為搭接試件GY1-S的1.65和2.02倍、1.72倍和0.63、1.20和1.36倍、2.85和1.26倍.綜上可知,固化劑的種類及摻量對(duì)CFRP板/鋼板搭接界面黏結(jié)- 滑移曲線具有一定影響,在常溫固化及常溫環(huán)境下使用時(shí),可優(yōu)先考慮采用縮胺105、聚醚胺D230或其按兩者質(zhì)量比1∶2混合的固化劑.若高溫固化或高溫環(huán)境下使用時(shí),固化劑的選型及摻量有待另文探討.

4 結(jié)論

(1)固化劑種類和摻量不同的7種膠黏劑的拉伸強(qiáng)度從高到低依次為GY34>GY35>GY31>GY2>GY33>GY1>GY32.各搭接試件的抗剪承載力從高到低依次為GY34-S>GY31-S>GY35-S>GY2-S>GY33-S>GY1-S>GY32-S.

(2)搭接試件GY31-S、GY35-S和GY34-S的界面膠層黏結(jié)強(qiáng)度大于CFRP板內(nèi)基體的剪切強(qiáng)度,其破壞模式均為CFRP板層離破壞.

(3)各搭接試件的有效黏結(jié)長度為50～80mm,按有效黏結(jié)長度計(jì)算的各搭接試件的名義剪應(yīng)力相差很小.

(4)基于4種單一固化劑的搭接試件GY1-S、GY2-S、GY31-S和GY35-S,其黏結(jié)-滑移曲線均為雙線性三角形模型;基于復(fù)合固化劑的搭接試件GY34-S,其黏結(jié)-滑移曲線可簡化為三線性直角梯形,當(dāng)界面剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí),滑移量會(huì)繼續(xù)增加,出現(xiàn)“屈服平臺(tái)”,但未出現(xiàn)緩坡下降度.