湿热对胶黏剂及CFRP-钢接头力学性能的影响

2022-07-29李传习刘一鸣李游鄢亦斌

交通科学与工程 2022年2期

李传习，刘一鸣，李游，鄢亦斌*

（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）

随着桥梁服役年限的增长，疲劳开裂已成为钢结构桥梁的常见病害之一[1-2]。传统钢结构加固方法是将钢板焊接螺栓连接到原结构受损部位。这些方法因焊缝或钻孔等措施会对原结构造成新的损伤。采用胶黏剂将碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，简称为CFRP）粘贴到疲劳开裂处进行加固与修复，具有对原结构零损伤、施工简便和抗疲劳性能好等优点[3-5]。CFRP 板与钢构件之间的黏接界面层可加固结构薄弱部位[6-7]。考虑加固结构常年处于恶劣环境中，其耐久性显得尤为重要，而温度和湿度被认为是影响黏接结构耐久性的主要环境因素[8-9]。国内外学者对胶黏剂及CFRP-钢黏接湿热耐久性进行了研究。NGUYEN 等人[10]发现，在50℃/90%RH 下暴露1 000 h 后，Araldite 420 环氧胶黏剂的力学性能所受的影响较小。胶黏剂在50℃海水浸泡后暴露，2 个月内，强度先显著下降，随后下降速度变慢，在第4个月时，其拉伸强度和刚度分别保持在初始值的63%和45%。HESHMATI 等人[11]对基于商用环氧结构胶黏接的CFRP-钢双搭接接头，放入45℃蒸馏水环境中进行了一年的老化试验，老化后试件的失效载荷较未老化试件的下降了约9%。罗南海[12]对基于胶膜连接的CFRP-钢双搭接接头进行了20 d 的水浸泡老化，发现在25℃的浸泡环境下试件极限承载力无明显变化，在70℃浸泡环境下极限承载力下降15.3%。DAWOOD 等人[13]在38℃和5%氯化钠溶液环境中对CFRP-钢双搭接试样进行了6个月的耐久性试验，发现试样的界面黏结强度降低了60%。研究结果表明：不同种类的胶黏剂和不同的湿热条件下，胶黏剂与胶接界面黏结强度的下降程度不同。研制和探寻出一种耐湿热性能好，适用于土木工程服役环境的胶黏剂具有重要意义。同时，作为一种高分子材料，在土木工程应用研究中，关于纳米材料改性胶黏剂CFRP-钢胶接接头的湿热耐久性研究也较为鲜见。因此，本研究拟对团队研制的一种纳米材料增韧环氧胶黏剂和基于该胶黏剂的CFRP-钢双搭接接头在不同水浴温度下进行加速老化试验，分析老化后胶黏剂胶体的动态力学性能、拉伸性能和CFRP-钢双搭接接头的界面黏接性能的影响规律。

1 试验部分

1.1 试验材料

胶黏剂为团队研制的纳米材料增韧环氧胶黏剂，钢板为Q345qD 钢，CFRP 板采用南京海拓公司生产的拉挤成型CFRP 单向板。钢板和CFRP 板材料参数见表1。

表1 CFRP板及钢板材料参数Table 1 Material parameter of CFRP plate and steel plate

1.2 试件制备过程

胶黏剂为A、B双组分结构胶，配比为100∶31。将称量好的A、B 组分混合，人工搅拌10 min，倒入模具制作好试件，室温下养护14 d。

动态力学分析（dynamic mechanical analysis，简称为DMA）试样尺寸为50 mm×12.5 mm×3.5 mm的长方体。

拉伸性能试件依据ASTM D638-10 标准制作，尺寸如图1所示。

图1 胶黏剂拉伸试件尺寸（单位：mm）Fig.1 Size of adhesive tensile specimen(unit：mm)

CFRP-钢双搭接试件设计和制作参考ASTM D3528-96(2008)及相关研究[9]，尺寸如图2 所示。钢板表面用打磨机进行打磨除锈，CFRP 表面采用砂纸打磨，除去表层树脂，二者均采用丙酮擦拭干净。采用直径为1 mm 的小钢珠控制胶层厚度，待试件上层粘贴CFRP 板后，用压板压住试件，挤出多余的胶，室温下养护14 d。

图2 CFRP-钢双搭接试件尺寸（单位：mm）Fig.2 Size of CFRP-steel double lap specimen(unit:mm)

1.3 试验方法

养护好的试件分别放入温度为20、55、70 ℃的恒温水箱中浸泡。其中，拉伸试样与DMA 试样浸泡30、60 d后，分别从每个恒温水箱中取出3个试样进行拉伸性能测试与DMA 测试。CFRP-钢双搭接试件待浸泡30 d后，从每个环境中取出2个试样进行拉伸剪切测试。

DMA 测试采用美国TA 公司DMA 850 动态力学分析仪进行试验。测量材料在程序控制温度下，研究振动负荷下动态模量、力学损耗与温度之间的关系。考察基于储能模量、损耗模量和损耗因子3 个材料黏弹性能指标对应的玻璃化转变温度[14]。储能模量反映材料黏弹性中的弹性部分；损耗模量反映黏性部分；损耗因子为损耗模量与存储模量比值，可表征材料的阻尼。玻璃化转变温度表示材料在玻璃态和高弹态之间相互转化的温度，是胶黏剂性能随温度变化的一个重要参数。基于储能模量的玻璃化转变温度Tg,s变化曲线，采用切线法；基于损耗因子的玻璃化转变温度Tg,t变化曲线，采用峰值法；基于损耗模量的玻璃化转变温度Tg,l变化曲线，采用峰值法，如图3 所示。试验前，先采用游标卡尺量取试件的精确宽度和厚度。再采用35 mm 双悬臂夹具（试件及夹具如图4 所示），设置振荡模式，幅值为10 μm，测试频率为1 Hz，温度范围为室温至120℃，升温速率为5 ℃/min。

图3 DMA玻璃化转变温度定义Fig.3 Definition of glass transition temperature in DMA

图4 动态力学分析Fig.4 Analysis of dynamic mechanical

胶黏剂准静态拉伸性能测试采用50 kN 电子万能试验机，加载速率为2 mm/min，在室温下进行测试。试验装置如图5所示。

图5 拉伸性能测试Fig.5 Test of tensile property

CFRP-钢双搭接试件拉伸剪切试验采用300 kN微机控制电子万能试验机，采用位移控制加载，其加载速率为0.3 mm/min，在室温下进行测试。采用视频引伸计获取CFRP 板表面应变数据。试验前，先将CFRP 板表面均匀地喷上白色哑光漆，用黑划分好标距分段线（分段线位置如图2 所示）。试验装置和试件如图6所示。

图6 CFRP-钢双搭接试件拉伸剪切性能试验Fig.6 Tensile-shear test of CFRP-steel double lap specimen

2 试验结果与分析

2.1 水浴对胶黏剂动态力学性能的影响

参照相关规范及文献[15-16]中的储能模量玻璃化转变温度Tg,s和损耗因子玻璃化转变温度Tg,t进行分析。

胶黏剂玻璃化转变温度演化规律如图7 所示。从图7可以看出，在20℃水浴下，胶黏剂的玻璃化转变温度随浸泡时间的增加而下降。在55℃与70℃水浴下，胶黏剂玻璃化转变温度在浸泡30 d后出现较大幅上升。55℃水浴后，Tg,s、Tg,t分别提高11.5℃、7.9℃；70℃水浴后，Tg,s、Tg,t分别提高11.5℃、8.1℃。浸泡60 d 的转变温度较浸泡30 d的小，这是由于胶黏剂采用室温固化，高温水浴使胶黏剂发生固化后，增加分子间的交联度，使胶黏剂的玻璃化转变温度升高。

图7 玻璃化转变温度Tg,s、Tg,tFig.7 Glass transition temperature Tg,s、Tg,t

不同浸泡温度下，胶黏剂储能模量和损耗因子的演化如图8 所示。从图8 中可以看出，经20、55、70 ℃浸泡后，胶黏剂的储能模量值出现了不同程度的下降。在20、55、70 ℃水浴浸泡30 d后，35 ℃时对应的储能模量值较未浸泡试件分别下降了6.2%、12.3%、14.8%。在20、55、70 ℃水浴浸泡60 d 后，35℃时对应的储能模量值较未浸泡试件分别下降了10.8%、9.9%、28.5%。70 ℃的水浴温度已超过胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,s。表明：超过胶黏剂初始Tg,s温度的使用环境，会加速胶黏剂老化。

图8 胶黏剂储能模量与损耗因子的演化Fig.8 Evolution of storage modulus and loss factor of adhesive

损耗因子曲线的峰高和形状出现了不同的变化。在20℃水浴浸泡后，曲线峰高较对照值下降较小，形状也与对照试件的曲线类似。而在温度为55℃与70℃水浴浸泡后，随着时间的增加，曲线的峰值迅速降低，曲线在浸泡1 个月后趋于平稳，曲线形状出现了双峰。曲线双峰出现的最大可能原因是DMA 试验过程中，随温度升高产生了烘干作用，导致试样中大量吸收水被释放[17]。

2.2 水浴对胶黏剂拉伸性能的影响

胶黏剂拉伸强度与模量的演化规律如图9 所示。胶黏剂在20℃水浴环境下，浸泡30、60 d 后拉伸强度分别下降12.98%、16.30%。胶黏剂在55℃水浴环境下，在浸泡30 d 后拉伸强度出现小幅上升，浸泡60 d后下降13.4%。在70℃水浴环境下，胶黏剂拉伸强度在浸泡30、60 d 后分别下降7.2%、27.8%。表明：浸泡1 个月内，由于后固化作用，分子间的作用力增大，胶黏剂强度变化较小，但随着持续浸泡时间的增加，胶黏剂中水分子浓度达到一定值后，其分子间作用力下降程度大于后固化引起的分子间作用力增加程度，特别是在超过初始Tg,s浸泡温度时，强度下降较大。弹性模量随着浸泡时间增加，每种水浴温度下均呈下降趋势。在70℃水浴环境浸泡2个月后，下降率为19.7%，与DMA测试中储存模量下降趋势吻合。

图9 胶黏剂拉伸强度与弹模演化Fig.9 Evolution of tensile strength and elastic modulus of adhesive

2.3 水浴对CFRP-钢接头力学性能的影响

CFRP-钢接头破坏模式如图10 所示。CFRP-钢胶接试件常见破坏有：①CFRP 与胶层界面破坏；②钢板与胶层界面破坏；③CFRP 板层离；④胶层内聚破坏[5]。经老化后，各试件的破坏形式如图10 所示，经20℃水浴浸泡30 d 后，破坏形式与对照组的破坏形式较为相似，均以CFRP 层间剥离破坏为主。55℃与70℃水浴浸泡30 d 后的破坏模式大都为CFRP 板少量层离与钢/胶层界面的混合破坏形式。表明：水浴温度升高，会使胶层与CFRP板、胶层与钢板之间界面的黏结强度降低。

图10 CFRP-钢接头破坏模式Fig.10 Failure mode of CFRP-steel joint

经过30 d 不同温度的水浴浸泡后，试件在加载过程中的典型荷载-位移曲线如图11所示。与初始值相比，经过浸泡老化后，试件的荷载-位移曲线由非线性变为线性，延性下降较大。

图11 CFRP-钢接头荷载位移曲线Fig.11 Load displacement curve of CFRP-steel joint

CFRP-钢双搭接接头拉伸剪切试验结果见表2，经20、55、70 ℃水浴浸泡30 d 的CFRP-钢搭接试件的平均极限荷载较未浸泡的分别下降了2.13%、8.13%、11.83%，平均极限位移分别下降了22.68%、31.28%、32.82%。表明：经20℃水浴浸泡后，其极限承载能力变化较小，主要降低了接头的延性。而在55℃与70℃水浴浸泡后，接头的延性随极限承载力的降低进一步下降。

表2 CFRP-钢双搭接试件试验结果Table 2 Test result of CFRP-steel double lap specimen

CFRP-钢接头强度的退化与胶黏剂的拉伸强度的退化规律存在较大区别。胶黏剂胶体在20℃水浴老化30 d 后，拉伸强度下降程度较其他两种温度下下降的快，而CFRP-钢接头强度的下降规律与其相反，水浴温度越高强度下降越快。表明：CFRP-钢胶接接头强度的下降与胶黏剂胶体强度的退化关系较小，主要归因于湿热老化降低了CFRP板/胶层界面与钢/胶层界面的强度。

各级荷载下CFRP 板表面应变分布如图12 所示（图中微应变值为视频引伸计每标距段平均微应变值，取每标距段中点表示）。从图12 可以看出，在不同的老化环境下，应变大致呈指数型分布，靠近钢板自由端的应变值较大。对照组的微应变峰值为6 750 με，经过20、55、70 ℃3种不同温度水浴老化后微应变值峰值分别约为5 400、4 200、4 750 με。