結構膠黏劑在溫度作用—V的剪切性能試驗研究

胡克旭　董坤　楊耀武

摘要：設計并進行了2組采用不同條件固化的膠黏劑的拉伸剪切試驗，研究了結構膠黏劑的剪切強度和剪切剛度隨溫度升高的變化規律，以及不同溫度下膠黏劑剪切破壞模式。試驗發現，室溫固化的膠黏劑再次經歷高溫后，其玻璃化溫度T_g有了30℃左右的提高；隨著溫度的升高，膠黏劑剪切強度和剪切剛度總體上呈下降趨勢，且在其玻璃化溫度T_g前后20℃的區域內變化最為明顯。研究表明，膠黏劑玻璃化溫度是影響膠黏劑溫度作用下剪切性能的關鍵因素，同時高溫固化方式可以提高膠黏劑玻璃化溫度，延緩膠黏劑剪切強度和剪切剛度的下降。在此基礎上，引入玻璃化溫度這一重要參數，給出了結構膠黏劑的剪切強度及剪切剛度與溫度之間的關系模型，為實際工程應用提供了參考。

關鍵詞：膠黏劑；溫度作用；玻璃化溫度；剪切性能；剪切試驗

中圖分類號：TU58 文獻標識碼：A

作為一種方便快捷的黏結材料，結構膠黏劑已經廣泛應用于建筑結構加固領域，其中包括黏鋼加固，粘貼碳纖維（CFRP）加固以及化學植筋等。目前最廣泛使用的結構膠黏劑多為有機類樹脂材料，此類材料對于溫度具有較高的敏感性，在溫度超過其玻璃化溫度時，膠黏劑分解或軟化，逐步喪失傳遞剪力的作用，從而嚴重影響加固效果。雖然現有規范對結構膠黏劑的使用給出了環境溫度限值，但是對環境溫度改變時其力學性能的研究還不夠深入，力學性能與玻璃化轉變溫度（T_g）間的關系仍不明確。因此，研究結構膠黏劑在溫度作用下黏結性能的影響因素及其變化規律，對于促進黏鋼和粘貼碳纖維加固技術的推廣，就顯得十分必要。

針對結構膠黏劑在不同溫度下的力學性能，部分學者進行了試驗研究。吳波等進行了7組碳纖維配套膠黏劑的拉伸剪切試驗，研究分析了其黏結強度隨溫度的變化關系，指出當溫度大于60℃時黏結強度開始明顯下降，溫度大于120℃時即可認為膠黏劑喪失黏結效果。劉凱、羅仁安等對加固結構膠材料進行了25～60℃溫度作用下黏結剪切試驗，試驗發現溫度升高至45℃后，剪切強度與模量急劇下降。彭勃等對加固用結構膠黏劑耐熱性能進行了研究，并建議應重視環境溫度升高對結構膠力學性能的影響。Klamer等對結構膠黏劑在20～80℃溫度作用下的彎曲強度和彈性模量進行了試驗研究，試驗中強度和彈性模量都隨著溫度的升高而降低。不同試驗中，隨著溫度升高，膠黏劑的剪切強度存在2種不同的變化規律。一是先升后降，如文獻和中分別在40℃和45℃時出現剪切強度上升的現象；二是直接下降，且在40～80℃范圍內降低幅度最大。但是，造成這種不同現象的原因并不十分明確。另外，本文作者前期進行采用膠黏劑作為基體材料的CFRP混凝土界面雙面剪切試驗中，同樣出現這2種不同的變化規律，但并不能很好地解釋2種規律的原因。

從上述研究中可以看出，不僅剪切強度隨溫度變化趨勢存在不同，而且不同試驗中性能下降點出現的溫度也明顯不同。為了進一步研究導致這些差異的原因，明確溫度作用下膠黏劑性能變化機理，本文進行了溫度作用下不同固化條件的膠黏劑力學性能試驗，進一步探索溫度及固化條件對膠黏劑高溫剪切性能的影響，并結合膠黏劑玻璃化溫度這一參數，研究了膠黏劑剪切強度、剛度與溫度之間的變化關系。

1試驗設計

1.1試件設計

試驗參照《膠黏劑拉伸剪切強度的測試（剛性材料對剛性材料）》（GB/T 7124-2008）設計制備試件。拉伸剪切試件細部尺寸如圖1所示。試件中鋼片采用45號鋼，單個鋼片尺寸為100 min×30 mm×2.5 mm，黏接長度為12.5 mm，夾持長度為37.5mm，膠層厚度為0.2 mm。制作過程中，為減少加載偏心，在兩側夾持區域各黏結一根37.5 mm×30mm鋼墊片。膠黏劑采用新日本/辰日株式會社生產的TH系列結構膠，由環氧樹脂主劑與固化劑按照2：1（質量比）的比例混合而成。

為了研究不同固化條件對膠黏劑在溫度作用下性能的影響，試件分別采用2種不同的固化方式，其中A組試件在常溫下固化7 d后直接進行試驗，B組試件則在常溫固化7 d后，置于100℃恒溫箱中固化3 h，待完全恢復常溫后再進行試驗。試驗工況見表1，原則上每個溫度下進行3個試件的試驗，由于試件數量限制，部分溫度下試驗的試件個數根據數據的穩定性進行了酌減，2組總計29個試件。試件照片如圖2所示。

1.2測試方法

試驗加載設備采用德國Zwick公司的Z020型高低溫電子萬能材料試驗機。Z020型高低溫電子萬能材料試驗機采用氣動夾具夾持，最大加載拉力為20 kN，兩夾頭間距112.5 mm，下部夾頭固定，上部夾頭可上下移動。試驗采用位移加載控制，加載速率為0.3 mm/min，當荷載降至極限荷載的50%時停止加載。試驗機采用自帶荷載和變形傳感器來捕捉測量試件所受拉力和夾頭間相對位移，采用testX-pert II材料試驗智能測試軟件進行處理，并于計算機界面實時顯示。試驗中，取當前溫度下所達到的最大荷載作為破壞荷載。試驗結束后，記錄試件破壞形態。

配套環境箱的溫度控制范圍為.80～250℃，溫度控制精度在1℃以內。進行不同溫度作用試驗時，先設定試驗溫度，當環境箱溫度達到目標溫度以下5℃左右時，打開環境箱，并放入試件夾緊，關閉環境箱，繼續升溫。待環境箱溫度達到目標溫度時開始計時，恒溫3 min后進行加載。

2試驗結果及分析

本文在拉伸剪切試驗前首先對該膠黏劑的玻璃化溫度采用熱流型DSC儀TAQ20進行測試，測得室溫固化條件下其玻璃化溫度值為44.36℃，經歷.50～300～-20℃溫度循環后再次測試，其最終玻璃化溫度值為74.54℃。DSC測試中膠黏劑產生的熱流量隨測試溫度變化曲線如圖3所示，發現經溫度循環后膠黏劑玻璃化溫度有30℃左右的提高，說明膠黏劑的實際玻璃化溫度值并不是固定的，實際玻璃化溫度值是受固化溫度和后續使用溫度影響的。

2組試件在不同溫度下的極限荷載、極限位移及破壞形態記錄見表2。圖4～圖10給出了不同溫度下各試件在拉伸剪切試驗中的荷載位移曲線，忽略鋼片的變形，所測位移即為膠黏劑的剪切變形。

從表2中各試件破壞形態可看出，膠黏劑在溫度作用下有2種基本破壞形式：界面剝離破壞和膠層內聚破壞。在溫度不高于45℃時，A組試件破壞形式主要為界面剝離破壞，高于45℃后則以膠層內聚破壞為主；B組試件同樣在溫度不高于65℃時以界面剝離破壞為主，之后轉變為膠層內聚破壞。

結合表2和圖4～圖10發現，膠黏劑的強度和剛度都隨著溫度的升高總體呈下降趨勢。對比2組試件，25～35℃試驗中2組曲線基本一致，A組試件平均強度值略高于B組試件；45℃試驗時2組試件的試驗曲線斜率基本一致，A組試件強度值明顯高于B組試件；當試驗溫度高于55℃時，B組試件的試驗曲線斜率明顯高于A組試件，且極限荷載值也較高。這說明經高溫固化過的B組膠黏劑要比常溫固化的A組膠黏劑具有更好的耐熱性。當試驗溫度達到100℃時，2組試件的強度和剛度再次趨近一致，但B組試件擁有更好的延性。

另外，從圖4～圖10中荷載位移曲線可看出：隨著試驗溫度升高，A組和B組試驗分別在45℃和80℃試驗時曲線開始出現軟化段，此后曲線中可看到明顯的蠕變變形。軟化溫度與DSC測試結果中玻璃化溫度數據基本一致（44.36℃和74.54℃）。

將極限荷載值除以黏結面積可得到平均黏結強度，極限荷載值除以與其相對應的位移得到平均剪切剛度。圖11和圖12分別為膠黏劑的平均剪切強度和平均剪切剛度隨溫度的變化情況。

根據圖11和圖12可發現，2組試件的黏結性能隨溫度變化趨勢主要有以下區別：

1）隨著溫度升高，材料性能均有下降的趨勢，但B組試件性能下降明顯晚于A組試件。說明經過高溫固化的B組試件膠黏劑的耐熱性能得到了提高。

2）試驗過程中，材料的剪切強度和剛度均在溫度達到各自玻璃化溫度（圖11和圖12中的虛線位置對應的溫度）后下降最為劇烈，這說明玻璃化溫度是影響膠黏劑在溫度作用下力學性能的一個關鍵因素。相比于常溫固化的A組試件，經過3 h的高溫固化后B組試件的膠黏劑玻璃化溫度有了明顯的提高，因而延緩了材料性能的退化。

3）A組試件在45℃試驗時剪切強度有明顯上升的現象，文獻中存在同樣的試驗現象。這是由于A組試件膠黏劑在常溫下并未固化完全，固化程度不高，在低于玻璃化溫度的試驗升溫和恒溫過程中繼續發生固化反應，這種后固化反應增強了膠黏劑內部交聯度，從而提高了內聚強度；當溫度繼續升高時，膠黏劑性態轉變成為決定強度變化的主導因素，從而導致強度的持續下降。隨溫度升高，膠黏劑分子鏈段運動加劇，應力集中減少，滲透能力升高，也在一定程度上對黏結強度有提高效果。

目前，對環氧樹脂膠黏劑耐熱性能的提高主要從改進環氧基結構、采用改性固化劑等材料制備方面進行，而在施工方面，固化條件對膠黏劑的耐熱性能也有顯著影響。根據本文試驗數據可看出，固化條件對后期溫度作用下膠黏劑黏結性能同樣有著重要影響。實際工程中，大多數環氧樹脂膠黏劑均采用室溫固化，其固化反應并不完全，實際玻璃化溫度僅有50～60℃。在后期經歷高于其最初的固化環境溫度時，會繼續發生固化反應，內聚力增強，從而可局部提高界面的高溫黏結性能。因此，本文建議在條件允許的情況下，可采用人工方式對常溫固化的膠黏劑進行后期的高溫固化，或在施工時直接采用高溫固化，以提高耐熱性能。

3溫度作用下膠黏劑黏結性能變化規律

影響膠黏劑溫度作用下黏結性能的因素很多，其中玻璃化溫度是一個關鍵因素。為合理表達膠黏劑在高溫下的性能變化，本文引入試驗溫度與玻璃化溫度的差值（T-T_g）作為變量，采用強度折減系數η_τ和剛度折減系數η_k兩個參數來具體研究。

對已有試驗以及本文試驗數據重新分析，各試驗試件力學性能折減系數與試驗溫度和玻璃化溫度差值（T-T_g）的關系如圖13和圖14所示。除文獻中無測試結果采用力學性能退化區段中心對應的50℃為T_g值外，各膠黏劑的玻璃化溫度均采用各試驗測試值。從圖13和圖14中可看出，大部分性能退化發生在玻璃化溫度T_g±20℃的范圍內。

因為完全固化情況下膠黏劑黏結強度上升不明顯，可不考慮玻璃化溫度前出現的增加情況。在此基礎上，可給出溫度作用下膠黏劑剪切強度折減系數和剪切剛度折減系數與溫度差值（T-T_g）之間的關系模型：

（1）

（2）式中：T為實際溫度值，T_g為膠黏劑實際的玻璃化溫度值，℃；τ_a（T）和τ_a，0分別為溫度為T和常溫（20℃）時的膠黏劑平均剪切強度，MPa；K_a（T）和K_a，0分別為溫度為T和常溫（20℃）時膠黏劑的平均剪切剛度，N·mm^-1。

回歸擬合曲線與試驗點之間的比較如圖13和圖14所示。從圖中可看出，曲線與試驗結果總體上吻合較好；經計算，試驗數據與式（1）和式（2）的相關系數分別為0.829 2和0.913 8，說明擬合曲線具有較好的代表性。因為現有試驗數據只涉及常溫至T_g+60℃的溫度范圍，故回歸公式的適用溫度下限取為20℃，上限取T_g+60℃。實際情況中，膠黏劑在過高的溫度下會發生降解反應而完全失去強度，為安全起見，可將溫度超過T_g+60℃時的膠黏劑剪切強度和剛度近似取為0。

4結論

通過膠黏劑力學性能試驗研究，以及對比分析前人的試驗結果，得出如下結論：

1）隨著溫度升高，膠黏劑的剪切強度和剛度整體上呈下降趨勢，在遠離玻璃化溫度的區域變化不大，變化集中在玻璃化溫度T_g±20℃的范圍內。

2）高溫固化有助于提高膠黏劑的實際玻璃化溫度。相比常溫固化，高溫固化通過提高膠黏劑的實際玻璃化溫度可以改善其高溫性能。

3）本文建立的膠黏劑在不同溫度作用下的剪切強度和剪切剛度關系模型與試驗結果吻合較好，可供實際工程應用參考。

4）加固工程中，常溫下黏鋼或粘貼CFRP所用的結構膠黏劑并不能完全固化，在經歷后續較高溫度時會發生一定的后固化反應。因此，粘貼施工時，若能采用人工方式對膠黏劑進行高溫固化，可以有效提高其使用過程中的耐熱性能，這對黏鋼或粘貼CFRP加固結構的抗火性能是有利的。