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節，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，失效模式變為鋼-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-鋼界面優異的動態熱力學性能。

1 試 驗

1.1 原材料

膠粘劑采用自主研配的環氧膠粘劑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?？紤]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，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%的試件發生a型破壞；約14%的試件發生a+d型破壞；約14%的試件發生d型破壞；基于Sika30膠試件約72%的試件發生a型破壞；約28%的試件發生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，發生a型破壞試件的極限承載力較發生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，因此當環境溫度發生改變時，鋼-膠界面相對于CFRP-膠界面更易發生破壞。

試件在不同工作溫度下的破壞形態如圖7所示(從上到下溫度逐漸升高)。由G3試件組的破壞形態(圖7(a))可知，溫度為-20℃時，試件的破壞形態為鋼-膠界面破壞；溫度稍許升高(-5℃)，試件的破壞形態為CFRP材料破壞和鋼-膠界面破壞的混合破壞；溫度高于25℃時，試件的破壞形態表現為CFRP材料破壞。由Sika30試件組的破壞形態(圖7(b))可知，溫度在-20～40℃區域內，試件的主導破壞形態為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，破壞形態表現為上述幾種破壞形態的混合破壞。由此可推測：低溫環境下(-20～-5℃)，膠粘劑性能從大到小依次為Sika30膠＞J膠＞G3膠；中溫環境下(10～40℃)，膠粘劑性能為G3膠＞Sika30膠＞J膠；高溫環境下(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律如圖8所示?？芍?，在-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律是否與也存在相同規律還有待進一步驗證。

由上可知，低溫環境下，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膠的效果要顯著優于Sika30膠。

試件的荷載-位移曲線如圖9所示?？芍?，在加載初期，荷載增長速度較慢；隨荷載持續增加，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)，膠粘劑由玻璃態轉變為高彈態，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，初始剝離始于該區域，遠離該區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為梯形。

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層離破壞轉變為鋼-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，初始剝離始于該區域，遠離該區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為梯形。