固化剂对室温胶黏CFRP板/钢板界面性能的影响

2021-05-15李传习刘一鸣彭彦泽

建筑材料学报 2021年2期

李传习, 李游,2, 贺君, 刘一鸣, 彭彦泽

(1.长沙理工大学桥梁与建筑绿色建造与维护湖南省重点实验室, 湖南长沙 410114;2.湖南工业大学土木工程学院, 湖南株洲 412007)

传统钢结构连接方法,如焊接、铆接和螺栓连接等会对母材造成一定损伤[1-2].粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固技术克服了传统钢结构加固方法上的不足,能够在结构尺寸和自重几乎不改变的前提下,有效提高结构的强度和刚度,适用于钢结构承载能力修复、疲劳修复、腐蚀修复和脆性修复等[3].CFRP板与钢板之间的界面黏结性能是该技术的关键问题之一[4-9].已有研究表明,胶黏剂的性能对其影响显著.环氧树脂和固化剂是胶黏剂组分中最主要的2个部分,两者发生化学反应后才能发挥胶黏剂的功能.当主料确定后,固化剂对胶黏剂的性能起决定性作用[10-11].现有固化剂种类繁多,其中胺类固化剂是常用的环氧树脂室温固化剂,主要包括脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺及其改性胺等[12].脂肪胺、脂环胺和芳香胺属于初级胺[13],初级胺直接作为固化剂时韧性较差,耐冲击性不良,耐候性欠佳[14-16].为了克服这些缺点并扩大其应用领域,近年来国内外学者相继提出了许多胺类的改性方法,出现了众多性能各异的固化剂.

本文基于自研的环氧胶黏剂配方,改变其中固化剂的种类和掺量,研究了其对室温固化胶黏剂基本力学性能的影响.采用该胶黏剂进行室温固化CFRP板/钢板双搭接接头试件(以下简称搭接试件)的剪切试验,研究了固化剂种类和掺量对搭接试件界面黏结性能(极限承载力、破坏模式、界面剪应力和界面黏结-滑移本构关系等)的影响,得到了适用于CFRP加固钢结构的最佳固化剂种类和掺量,以期为结构胶黏剂的制备及CFRP加固钢结构的工程应用提供依据.

1 试验

1.1 试验材料

纳米SiO2环氧树脂胶黏剂(以下简称胶黏剂)成分包括：双酚A型环氧树脂E51、固化剂(改进芳香胺BD11、改进酚醛胺GR07、缩胺105和聚醚胺D230)、增韧剂纳米SiO2颗粒、偶联剂KH-560、促进剂DMP-30、触变剂HB-139和消泡剂D240等.7种胶黏剂配比见表1.

表1 胶黏剂配比

CFRP板/钢板搭接试件中的CFRP板采用南京海拓公司产单向板CFP1.4-50,钢板采用桥梁结构钢Q345D.CFRP板及钢板的材料参数见表2.

表2 CFRP板及钢板的材料参数

1.2 试件设计与制备

1.2.1胶黏剂拉伸试件

胶黏剂拉伸试件按照ASTM D638-10《Standard test method for tensile properties of plastics》制作,试件尺寸如图1所示.试件在室温下养护7d.

图1 胶黏剂拉伸试件的尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen of adhesive(size:mm)

1.2.2搭接试件

搭接试件的设计与制作参考ASTM D3528-96(2008)《Standard test method for strength properties of double lap shear adhesive joints by tension loading》.图2为搭接试件尺寸及CFRP板表面应变片布置.钢板表面先用打磨机打磨除锈,然后用酒精清洗;CFRP表面先用砂纸打磨,除去表层树脂,再用酒精擦拭干净.采用洒小钢珠方式,将胶黏剂胶层厚度控制在1mm 左右.试件在室温下养护7d.

图2 搭接试件尺寸及应变片布置Fig.2 Size and strain gauge arrangement of CFRP laminate/steel plate double lap joint(size:mm)

1.3 试验方法

1.3.1胶黏剂试件拉伸试验

采用50kN电子万能试验机测试胶黏剂试件的准静态拉伸性能,拉伸速率为2mm/min.

1.3.2搭接试件剪切试验

搭接试件剪切试验在300kN准静态拉伸试验机上进行,采用位移加载方式,加载速率为0.3mm/min.应变数据采用静态应变测试系统进行采集.

2 结果及分析

2.1 胶黏剂基本力学性能

图3为7种胶黏剂拉伸试件的基本力学性能指标.由图3(a)可知：(1)基于固化剂105和D230按质量比1∶2复配的胶黏剂GY34的拉伸强度最大,为52.91MPa;基于固化剂105和D230按质量比2∶1 复配的胶黏剂GY32的拉伸强度最小,仅为22.90MPa;7种胶黏剂的拉伸强度由高到低依次为GY34>GY35>GY31>GY2>GY33>GY1>GY32.(2)基于固化剂D230的胶黏剂GY35的弹性模量最大,为3705.94MPa;基于固化剂BD11的胶黏剂GY1和基于固化剂105的胶黏剂GY31的弹性模量相对较小,分别为2603.05、2380.02MPa.由图3(b)可知：(1)胶黏剂GY1的断裂伸长率最大,为2.80%;胶黏剂GY32的断裂伸长率最小,为0.88%.(2)胶黏剂GY34的应变能最大,为0.07296N/mm2.

图3 7种胶黏剂拉伸试件的基本力学性能Fig.3 Basic mechanical properties of seven kinds of adhesive tensile specimens

2.2 搭接试件界面黏结性能

2.2.1搭接试件的破坏模式和荷载-位移关系

各搭接试件的固化温度和工作温度均为25℃.其胶层厚度(Ta)、破坏时夹持端与加载端间的最大位移(Dmax)、峰值荷载(Pmax)及破坏模式见表3.

表3 固化剂对搭接试件试验结果的影响

由表3可见：(1)固化剂的种类和掺量对搭接试件的极限承载能力和最大位移均有显著影响;采用BD11或GR07作为固化剂时,所对应的搭接试件GY1-S和GY2-S的峰值荷载和最大位移分别为59.14kN、1.16mm和80.53kN、1.44mm,极限承载能力较小;而采用105或D230作为固化剂时,所对应的搭接试件GY31-S和GY35-S的峰值荷载和最大位移分别为102.31kN、2.11mm和95.09kN、1.71mm,极限承载能力较GY1-S提升了73.00%和60.79%,较GY2-S提升了27.05%和18.08%.(2)在固化剂总用量不变的情况下,采用105与D230进行复配,当两者质量比为1∶2时,所对应的搭接试件GY34-S的极限承载能力最大,峰值荷载和最大位移分别为106.89kN、1.90mm,其中峰值荷载较GY31-S和GY35-S分别提升4.48%和12.41%.

(1)

式中：bp为CFRP板宽度;Lb为搭接长度.

(2)

式中：Le为有效黏结长度.

部分搭接试件的典型破坏模式照片见图4.

图4 搭接试件的典型界面破坏模式Fig.4 Typical interface failure mode of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

由表3、图4可知：固化剂种类及掺量对搭接试件的破坏模式有一定影响,当搭接试件极限承载能力较小时,破坏模式以胶层内聚破坏(失效模式c)为主;随着搭接试件极限承载能力的增大,破坏模式由胶层内聚破坏逐渐转变为界面破坏(失效模式a和b);当搭接试件极限承载能力进一步增大后,破坏模式又转变为CFRP板层离破坏(失效模式d),此时,搭接界面未出现剥离现象,说明搭接试件的界面黏结强度已超过CFRP板层间的剪切强度.

2.2.2搭接试件的界面剪应力分布

通过布置在CFRP表面的应变片可求取测点i和相邻测点i-1间的界面平均剪应力τi-1/2,其计算表达式[17-18]为：

(3)

式中：Δεi为测点i与i-1处的应变差;Δli为测点i与i-1间的距离;εi和εi-1分别为CFRP板表面测点i和i-1处的应变;li和li-1分别为测点i和i-1距CFRP板自由端的距离;Ep为CFRP板的弹性模量;tp为CFRP板厚度.

部分搭接试件在加载过程中的界面剪应力分布见图5.由图5可知：(1)在加载初期,仅在搭接区域两端出现较大剪应力,随着荷载的增加,搭接区域两端面处剪应力逐渐增加,剪应力传递长度也逐渐变长.(2)在极限荷载作用下,搭接试件GY1-3的界面剪应力峰值为15.84MPa,出现在距钢板自由端10mm处;距钢板自由端20mm处的界面剪应力仅为7.49MPa,较钢板自由端10mm处下降了52.71%,距钢板自由端50mm处的界面剪应力基本降为0.(3)搭接试件GY2-2的界面剪应力距钢板自由端10mm 处为17.92MPa;其剪应力峰值出现在距钢板自由端20mm处,为20.33MPa,较距钢板自由端10mm处增加了13.45%;距钢板自由端70mm处,界面剪应力基本降为0.(4)搭接试件GY31-4的界面剪应力分布情况与GY2-2基本类似,距钢板自由端10mm处的界面剪应力为21.94MPa;剪应力峰值出现在距钢板自由端20mm处,为23.49MPa,较钢板自由端10mm处增加了7.06%;距钢板自由端80mm处,界面剪应力基本降为0.(5)搭接试件GY34-2的界面剪应力峰值出现在距钢板自由端10mm处,为23.52MPa;距钢板自由端20mm处的界面剪应力为19.34MPa,较钢板自由端10mm处降低了17.77%;距钢板自由端80mm 处,界面剪应力基本降为0.(6)搭接试件GY35-1的界面剪应力峰值出现在距钢板自由端10mm处,为25.23MPa;距钢板自由端20mm处的应力为22.23MPa,较钢板自由端10mm处降低了11.89%,降幅较小;距钢板自由端70mm处,界面剪应力基本降为0.综上可知,采用基于缩胺105、聚醚胺D230、或按其质量比1∶2混合的固化剂,所对应的搭接接头试件GY31-4、GY35-1、GY34-2均具有较好的界面承载力,适用于CFRP对钢结构的加固.

图5 搭接试件界面剪应力分布Fig.5 Interfaceshear stress distribution of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

2.2.3有效黏结长度

由上述试验可知：搭接试件界面剪应力峰值出现在搭接区域两端;搭接区域刚度大的端面附近(即钢板自由端)界面剪应力峰值较大,刚度小的端面附近(CFRP板自由端)界面剪应力峰值较小;如果搭接区域足够长,则中间某点的剪应力必然降为0(或者可忽略不计);若将界面剪应力峰值点(两端点)与界面剪应力降为0的点之间的距离定义为有效黏结长度,则刚度大的端面有效黏结长度较长,另一端则较小.由文献[19-20]可知,有效黏结长度不但与胶层的性质有关,而且与搭接构件的刚度有关.

由图5可知,搭接试件GY1-S、GY2-S、GY31-S、GY34-S、GY35-S的有效黏结长度分别为50、70、80、80、70mm.

3 黏结-滑移本构

黏结-滑移(τ-δ)关系为界面黏结性能的本构模型.假定搭接接头CFRP自由端滑移量为零,并忽略钢板的轴向变形,依据实测应变数据,从CFRP自由端端部到测点i,对CFRP表面应变进行数值积分,可得测点i与测点i-1之间中点处的界面局部滑移量Si-1/2:

(4)

联合式(3)、(4),可获得搭接试件在加载过程中相邻测点间中点处界面剪应力与滑移量的关系.选取距离钢板自由端20mm处的界面剪应力和对应滑移量数据绘于图6,得到搭接试件界面的τ-δ关系.图中τf为剪应力峰值、δ1为本构模型上升段峰值所对应的滑移量、δf为极限滑移量.由图6可知,固化剂的种类及掺量对搭接试件的黏结-滑移本构关系影响显著.

图6 搭接试件的界面黏结-滑移本构关系Fig.6 Bond-slip constitutive of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

由图6可见：(1)采用单一固化剂时,搭接试件的黏结-滑移曲线均可简化为双线性三角形模型,如搭接试件GY1-S和GY31-S的黏结-滑移曲线存在一定的缓坡下降段,破坏过程相对缓慢,搭接界面具有一定的延性;搭接试件GY2-S和GY35-S的黏结- 滑移曲线不存在明显缓坡下降段,界面剪应力达到峰值后试件突然破坏,破坏时没有明显预兆,黏结- 滑移本构模型为直角三角形.(2)采用复合固化剂时,搭接试件GY34-S的黏结-滑移曲线可简化为三线性直角梯形,黏结-滑移关系可分为2个阶段：第1阶段为上升段,界面剪应力随滑移量增加呈线性增长;第2阶段为水平段,当达到峰值剪应力时,CFRP板/钢板界面损伤开始发展,但随着滑移量的继续增加,界面剪应力基本不再增长,而是出现了“屈服平台”,具有较长的软化发展过程,未出现缓坡下降度,当滑移量增大到某一值,搭接试件被拉断.

将图6中的各拟合曲线汇于图7.由图7计算出搭接试件界面的刚度K=τf/δ1,计算结果列于表4.

图7 固化剂对搭接试件界面黏结-滑移本构影响Fig.7 Effect of curing agent on the bond-slip constitutive behavior of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

表4 搭接试件界面黏结-滑移本构参数的比较

由图7和表4可知,搭接试件GY31-S和GY35-S的剪应力峰值、极限滑移值、界面刚度、界面断裂能分别为搭接试件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.综上可知,固化剂的种类及掺量对CFRP板/钢板搭接界面黏结- 滑移曲线具有一定影响,在常温固化及常温环境下使用时,可优先考虑采用缩胺105、聚醚胺D230或其按两者质量比1∶2混合的固化剂.若高温固化或高温环境下使用时,固化剂的选型及掺量有待另文探讨.