CFRP板/钢界面黏结性能水浴试验研究

王恺，罗南海

(1.现代投资股份有限公司，湖南 长沙 410004；2.株洲市城市建设发展集团有限公司)

近年来，碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)因具有比强度高、比模量大、耐久性能好等优点，被广泛应用于结构加固领域。在南方，很多受损的钢结构经常处于高温高湿的环境中，采用环氧胶黏剂将CFRP材料补片粘贴到钢板表面加固钢结构时，必须考虑环境因素对CFRP/钢界面性能的影响。该文采用一种新型高强度胶黏剂-环氧载体胶膜，其玻璃转化温度(Tg)为69.5 ℃，远大于结构加固中几种常用胶黏剂的玻璃转化温度(Araldite 420、Sika 30胶黏剂的Tg分别为41.7、49.5 ℃)，能够使用处于更高环境温度的受损钢结构中。此胶膜的耐高温性能虽好，但在温度和湿度同时作用下CFRP与钢之间界面耐久性能仍需进一步研究。

该文通过水浴试验研究在一定温度和水浴天数下CFRP板/钢界面黏结性能的变化规律，利用准静态拉伸试验方法得出各试件的极限承载力、界面破坏模式、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布等。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用某环氧载体胶膜以及拉挤成型CFRP单向板，钢板采用桥梁结构钢Q345qD。胶膜、CFRP板及钢板的材料参数见表1。图1为该胶膜的照片。

表1 胶膜、CFRP板及钢板的材料参数

1.2 试件设计与制备

CFRP板/钢双搭接接头的试件设计参考美国标准ASTM D3528—96(2008)及相关研究，水浴试验方法参考国家军用标准GJB 3383—1998《胶接耐久性试验方法》，试验分为3组：第一组为不水浴试件；第二组为25 ℃水浴20 d试件；第三组为70 ℃水浴20 d试件，每组试件各3个，共9个试件，试件参数详见表2。试件的形式、尺寸及CFRP板表面应变片布置如图2所示。应变片从接头CFRP板端(以下简称CFRP板端)到接头钢板端(以下简称钢板端)依次编号为1～7，其位置以钢板端为原点、以指向CFRP板端为x轴正向。钢板表面处理采用机械打磨，打磨程度至表面露出金属光泽即可，CFRP板的黏结面用砂纸轻轻打磨以去除表面树脂基体，所有CFRP板与钢板表面均用丙酮擦拭干净。制作时先将裁剪好的胶膜贴于待粘钢板上，然后在其上粘贴CFRP板，再用橡胶滚轮在试件上均匀滚压以使胶膜与CFRP板和钢板充分接触，两面粘贴完毕后，将试件移入恒温箱，在试件上施加约为0.05 MPa的压应力，然后在90 ℃高温下固化2 h。将固化完后的试件一组放置在25 ℃常温环境中，一组放入25 ℃水温的水浴箱中水浴20 d，第3组放入70 ℃水温的水浴箱中水浴20 d。

图1 胶膜照片

表2 水浴试验的试件参数与试验结果

图2 CFRP板/钢双搭接试件形式、尺寸及应变片布置示意图(单位：mm)

1.3 试验方法

试验在30 t微机控制电子万能试验机上进行，试验开始前先进行严格对中，采用位移加载控制，加载速率为0.4 mm/min，试验在常温25 ℃左右环境中进行。加载过程中采用JH7281多功能静态应变测试系统采集应变数据，采集频率为0.5 Hz。

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式

图3为3组试件的破坏模式照片。由图3可知：没有经过水浴的试件其破坏模式都为CFRP板层离；当水浴温度为25 ℃时，试件的破坏模式大都为CFRP板层离，只在钢板端部有少量的钢/胶层界面剥离；而水浴温度为70 ℃时，试件出现了钢/胶层界面剥离和CFRP板层离的混合破坏模式，分析认为，在较高水温的环境中水浴20 d时，钢板与胶层的黏结强度有所下降，从而出现了大面积的钢/胶层界面破坏。

图3 试件破坏后的照片

2.2 荷载位移曲线

图4为3组试件在加载过程中的荷载-位移曲线。

从图4可以看出：每一组中3个试件荷载-位移曲线的斜率基本相同，说明试件的拉伸刚度几乎一样。在加载前中期，荷载与位移几乎呈线性关系，在加载后期，由于界面出现了剥离，试件刚度下降，曲线斜率略有降低。有部分试件在加载后期出现了局部CFRP板剥离的现象，导致荷载瞬时下降。不水浴时，黏结长度为80 mm试件的平均极限荷载为150.97 kN，25 ℃水浴20 d试件的平均极限荷载为149.03 kN。

图5为不水浴试件与25 ℃水浴20 d试件极限荷载之间的关系。

由图5可知：两种情况下试件的极限荷载非常接近，说明在25 ℃的水温下，水浴20 d对试件的极限承载力并没有影响，CFRP板与钢的黏结强度没有降低。由表2可知：70 ℃水浴20 d试件的平均极限荷载为126.21 kN。图6为25 ℃水浴试件与70 ℃水浴试件极限荷载之间的关系，由图6可以看出：70 ℃水浴试件的极限荷载相对25 ℃水浴有所下降，平均极限荷载下降了15.3%，说明水温达到胶膜玻璃转化温度时，在一定的养护天数下，CFRP板与钢的黏结强度有所下降，但降低幅度不大。

2.3 应变分布

图7为3组试件中代表性试件的CFRP板表面应变分布。

图4 试件加载过程中荷载-位移曲线

图5 不水浴与25 ℃水浴20 d极限荷载变化

在加载前期，只有靠近钢板端的CFRP板产生应变，随着加载的进行，应变大致呈指数形式分布，峰值应变始终在钢板端处；在加载后期，不水浴试件CFRP板表面应变依然呈指数形式分布，而水浴试件钢板端的应变达到一定值后不再增加，峰值应变逐渐向CFRP板端转移，整个黏结长度上的CFRP板都参与了受力。不水浴试件的CFRP板表面极限应变为7 300 με，25 ℃水浴20 d试件的CFRP板表面极限应变为7 160 με，而70 ℃水浴20 d试件的CFRP板表面极限应变为6 364 με，比25 ℃水浴试件要小，这主要是由于70 ℃水浴试件的极限荷载较小。与不水浴试件CFRP板表面应变分布不同的是，水浴试件CFRP板表面峰值应变在后期有一个向CFRP板端传递的过程，从试件的破坏模式来看，这是因为水浴试件在钢板端附近出现了钢/胶层界面破坏的情况，使得CFRP板与钢产生了剥离，从而峰值应变会进一步向后传递。

图6 25 ℃水浴与70 ℃水浴极限荷载变化

图7 试件加载过程中CFRP板表面应变分布

2.4 剪应力分布

界面剪应力分布能够反映CFRP/钢界面应力沿黏结长度的传递规律，揭示界面剥离失效的过程。通过布置在CFRP板表面的应变片可求得相邻测点i和测点i-1间的界面平均剪应力：

(1)

式中：εi为CFRP板表面测点i处的应变；Δεi为测点i与测点i-1处应变的差值；Ep、tp分别为CFRP板的弹性模量、厚度；li为测点i距CFRP板端的距离；Δli为测点i与测点i-1之间的距离。

图8为3组试件中代表性试件在加载过程中CFRP板/钢界面的剪应力分布。

从图8可以看出：在加载前中期，剪应力最大值始终位于钢板端；加载后期，对于不水浴试件，当钢板端处剪应力达到峰值时有下降的趋势，但试件在此时突然破坏，峰值剪应力还来不及向后传递；对于水浴试件，当钢板端剪应力达到胶膜与钢板和CFRP板的黏结强度时，CFRP板/钢界面出现剥离，此时剪应力迅速下降到零，但剩余黏结长度部分仍能继续承载，峰值剪应力进一步向CFRP板端转移，剥离也进一步向后发展，直到试件破坏。25 ℃水浴与70 ℃水浴试件CFRP板/钢界面剪应力分布规律基本一致，不同的是，25 ℃水浴试件界面峰值剪应力略偏高一些，这可能是由于在70 ℃水浴环境中，胶膜与钢板和CFRP板的黏结强度有所降低。

3 结论

(1)不水浴与25 ℃水浴20 d试件的破坏模式均为CFRP板层离，70 ℃水浴20 d试件的破坏模式为钢/胶层界面剥离和CFRP板层离的混合破坏。

(2)25 ℃水浴20 d试件与不水浴试件极限承载力几乎相同，而70 ℃水浴20 d试件相对25 ℃水浴20 d试件其极限承载力下降了15.3%，但下降的幅度并不大，这说明在一定温度范围内此胶膜形成的黏结界面具备良好的耐久性能。

(3)在加载后期，与不水浴试件不同的是，水浴试件CFRP板表面峰值应变与界面峰值剪应力有进一步向CFRP板端传递的过程。