结构胶类型对CFRP板-钢界面粘结性能的影响

王海涛，吴 刚，庞育阳

（1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京210096）

结构胶类型对CFRP板-钢界面粘结性能的影响

王海涛1，吴 刚2，庞育阳2

（1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京210096）

应用外贴CFRP板加固钢结构正在引起研究者的关注，而CFRP板与钢界面的良好粘结是保证加固效果的关键。文章对两种类型结构胶粘结的CFRP板-钢界面的粘结性能进行了研究，采用三维数字图像相关（3D-DIC）方法测试界面相对滑移，分析了结构胶类型对失效模式、极限荷载、界面剪应力分布规律、粘结-滑移关系的影响。试验结果表明，结构胶类型对界面粘结性能影响很大，在文中条件下，采用Araldite-2015胶的界面粘结强度达到Sikadur-30胶界面粘结强度的2.2倍以上，两种结构胶界面具有显著不同的界面剪应力分布规律和粘结-滑移关系。

CFRP板；钢；界面；单剪节点；粘结性能

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳性好等一系列优点，过去二十多年，外贴CFRP加固技术已经被广泛应用于混凝土结构的加固修复中。近年来，应用CFRP加固钢结构正在引起研究者的兴趣，既有研究显示，外贴CFRP可以显著提高损伤钢结构的弯曲性能[1]、受压性能[2]、疲劳性能[3]等。

应用CFRP加固钢结构时，CFRP与钢表面的粘结性能是保证加固效果的关键，因此，对CFRP与钢界面的粘结性能进行研究非常必要。虽然国内外学者已经进行了一些研究[4-6]，但相比于CFRP-混凝土界面，目前对CFRP-钢界面的研究还比较有限。该文以CFRP板-钢单剪粘结节点为对象，重点研究结构胶类型对界面粘结性能的影响，对比分析了两种结构胶试件的失效模式、极限荷载、界面剪应力分布及粘结-滑移关系等。

1 试验方案

1.1 材料性能

试件采用热轧Q235B钢板作为基体，钢板厚度为20 mm。CFRP板采用普通弹模板，宽度和厚度分别为50 mm和1.4 mm。为了研究胶层类型对粘结性能的影响，该文采用了两种力学性能差异明显的结构胶，分别为Sikadur-30和Araldite-2015，前者具有较高的拉伸强度和弹性模量，但变形能力较差，而Araldite-2015胶虽然极限强度和弹性模量较低，但变形能力较好。所有材料的实测力学指标如表1所示。

表1 材料的主要力学性能

1.2 试件设计

试验共设计12个CFRP板-钢单剪试件，如表2所示，表2中试件编号的S代表Sikadur-30胶，A代表Araldite-2015胶，数字分别代表胶层设计厚度和试件的重复个数。所有试件的CFRP板粘结长度均为350 mm，两类结构胶试件的胶层设计厚度均从0.5 mm变化到2.0 mm。图1所示为单剪试件的几何示意图。钢板长度为380 mm，宽度为138 mm，厚度为20 mm，钢板上加工有8个螺栓孔，用来将试件固定在单剪加载装置上。锚板长度为250 mm，宽度为104 mm，厚度为8 mm，在锚板的内表面刻有凹槽以增强粘结力，锚板上的螺栓孔在锚板与CFRP板粘贴时起到定位作用，待锚固区胶层固化后去掉其中6个螺栓，留下的平面区域为试验机夹头夹持区域。在准备试件时，对钢板的粘贴面进行喷砂处理，采用细砂纸轻微打磨CFRP板的粘贴面，在粘贴CFRP板前，用丙酮清洗钢板和CFRP板的粘贴面。为了比较精确地控制胶层厚度，专门精加工了控制垫块，垫块厚度为CFRP板和胶层设计厚度之和，各试件的实测胶层厚度见表2。所有试件在室温下养护2周后进行测试。

表2 试件设计及主要测试结果

1.3 加载装置和测试程序

试验在1 000 kN的液压伺服试验机上进行，见图2，采用位移加载模式直至试件失效，加载速率为0.003 mm/s。DIC技术近年来开始应用于土木工程的试验测量中，相比于传统的位移计和应变片，该方法可获得试件表面连续的位移和应变场，并已经应用于CFRP-混凝土界面粘结性能研究中。文中采用三维数字图像相关 （3D-DIC）技术测量试件表面的位移和应变，采用两台相机同时采集试件表面照片，照片每秒采集一次。

图1 试件几何示意图（单位：mm）

图2 加载装置及测量仪器试件

2 试验结果与分析

2.1 失效模式

试验观察发现，无论对于Sikadur-30胶界面还是Araldite-2015胶界面，随着荷载的增加，剥离均首先在CFRP板加载端的胶层出现，然后逐渐向CFRP板自由端方向扩展，当CFRP的剩余粘结长度无法抵抗外荷载时，CFRP板突然从钢板表面完全剥离，试件失效，整个试验过程界面均显示一个逐渐的剥离过程。观察失效界面发现，除了在接近加载段和自由端的局部区域外，界面大部分区域均发生胶层失效，如图3所示。而对于CFRP板-钢界面，可能发生胶层失效、CFRP/胶界面失效、钢/胶界面失效、CFRP板层间剥离等多种失效模式，其中胶层失效被认为是最理想的失效模式[7]。

2.2 极限荷载

表2列出了所有试件的极限荷载。图4显示在胶层厚度为0.5～2.0 mm范围内，两种类型结构胶试件极限荷载的对比。可以看出，在相同的胶层厚度下，Araldite-2015胶试件和Sikadur-30胶试件的极限荷载明显不同，Araldite-2015胶试件的极限荷载达到Sikadur-30胶的2.2倍以上，说明结构胶类型对界面极限荷载有明显的影响。这主要是由于不同的结构胶具有不同的应变能，从而导致界面具有不同的断裂能[8]。

图3 试件典型失效图

图4 结构胶类型对极限荷载的影响

2.3 界面剪应力

界面剪应力可以反映界面受力发展和应力传递过程，可根据式（1）对CFRP表面应变进行差分计算：

式中：Ef和tf分别为CFRP板的弹模和厚度，εi为距加载端第i个应变值，xi为第i个应变值距加载端的距离，τ（xi+1/2）为第i个和第i+1个应变值之间的平均剪应力。由于DIC测出的应变数据具有明显的波动性，文中首先对应变进行平滑处理，采用平滑后的应变进行差分计算得到界面剪应力。图5和图6分别为试件S-1.0-1和A-1.0-1在不同剥离状态下的典型剪应力分布图。整体上看，Sikadur-30胶试件的界面剪应力呈先增大后降低的趋势，存在明显的峰值；而Aradite-2015胶试件的界面剪应力分布规律则明显不同，界面剪应力先增大，然后达到一个近似平台段，随后逐渐降低，而且Araldite-2015胶试件的界面剪应力分布范围明显大于Sikadur-30胶试件。

图5 Sikadur-30胶试件典型剪应力分布

2.4 界面粘结-滑移关系

界面粘结-滑移关系描述了界面剪应力和相对滑移的变化规律，其决定了界面的应力传递、极限荷载、应变分布、有效粘结长度等指标。粘结-滑移关系是界面性能研究中的关键问题，对于全面把握CFRP板-钢界面的性能非常重要。采用DIC方法测量时，可将CFRP板与钢板位移之差作为界面相对滑移。将界面剪应力和相对滑移联立，即可得到界面粘结-滑移关系，图7和图8分别为试验得到的试件S-1.0-1和试件A-1.0-1的粘结-滑移关系。由图可知，粘结-滑移关系数据虽然存在离散性，但也呈现出明显的规律。对于Sikadur-30胶试件，在起初阶段，剪应力随相对滑移的增加而逐渐增大，在达到峰值后，剪应力随滑移的增大而不断降低，可以将其简化为双线性关系，该特征与FRP-混凝土界面非常相似[9]。对比可发现，Araldite-2015胶界面的粘结-滑移关系则明显不同，其存在明显的剪应力平台段，可将其粘结-滑移关系简化为三折线关系；此外，Araldite-2015胶界面的最大剪应力明显小于Sikadur-30胶界面，相对滑移则远大于Sikadur-30胶界面，这主要由于Araldite-2015胶比Sikadur-30胶具有更低的极限强度，但有更好的变形能力。以上分析说明，结构胶类型对界面的粘结-滑移关系影响很大。

图7 Sikadur-30胶试件典型粘结-滑移关系

图8 Araldite-2015胶试件典型粘结-滑移关系

3 结论

该文通过单剪粘结节点，研究了CFRP板-钢界面的粘结性能，重点对比了两种结构胶界面的失效模式、极限荷载、界面剪应力分布、粘结-滑移关系等方面的影响，得到以下主要结论：（1）两种结构胶界面均为胶层失效控制，界面显示一个逐渐的剥离过程。结构胶类型对界面极限荷载有明显的影响，Araldite-2015胶界面的极限荷载达到Sikadur-30界面的2.2倍以上。（2）结构胶类型显著影响界面的剪应力分布规律，Sikadur-30胶界面剪应力呈现先增长后降低的分布特征，而Araldite-2015胶界面存在额外的平台段。（3）结构胶类型显著影响界面的粘结-滑移关系，Sikadur-30胶界面粘结-滑移关系可以简化为双线性，而Araldite-2015胶界面的粘结滑移关系则近似为三折线型。

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Effect of the adhesive type on the bond behavior of the CFRP plate-to-steel bonded interfaces

WANG Haitao1,WU Gang1,PANG Yuyang2
（1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China）

The application of externally bonded carbon fiber reinforced polymer（CFRP） plates to strengthen steel structures has attracted significant attention,and the bond behavior between CFRP plate and steel is crucial for the strengthening of steel structures using CFRP plates.This paper reports a study on the bond behavior between CFRP plates and steel using the single-shear testing method.Two types of the adhesive were used to investigate the effect of the adhesive type on the interfacial bond behavior.The three dimensional digital image correlation（3D-DIC） technique was used to measure the relative slip of the specimens.The effects of the adhesive type on the failure mode,ultimate load,interfacial shear stress distribution and bond-slip relationship were analyzed.Test results show that the adhesive has a significant effect on the interfacial bond behavior.The ultimate loads for the Araldite-2015 specimens are more than 2.2 times that of the Sikadur-30 specimens.The interfacial shear stress distribution and the bond-slip relationship are also quite different from the interfaces with two adhesives.

CFRP plate;steel;interface;single-shear joint;bond behavior

经朝明）

TU399

A

2096-3270（2017）04-0045-04

2017-08-31

国家自然科学基金项目（51708174）；江苏省自然科学基金项目（BK20170889）

王海涛（1987-），男，河南温县人，讲师，博士，主要从事纤维增强复合材料在钢结构中的应用研究，Email:wangyibo_212@163.com。

吴 刚（1976-），男，教授，博士，主要从事纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究，Email:g.wu@seu.edu.cn。