固化劑對室溫膠黏CFRP板/鋼板界面性能的影響

李傳習, 李 游,2, 賀 君, 劉一鳴, 彭彥澤

(1.長沙理工大學 橋梁與建筑綠色建造與維護湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410114;2.湖南工業大學 土木工程學院, 湖南 株洲 412007)

傳統鋼結構連接方法,如焊接、鉚接和螺栓連接等會對母材造成一定損傷[1-2].粘貼碳纖維增強復合材料(CFRP)加固技術克服了傳統鋼結構加固方法上的不足,能夠在結構尺寸和自重幾乎不改變的前提下,有效提高結構的強度和剛度,適用于鋼結構承載能力修復、疲勞修復、腐蝕修復和脆性修復等[3].CFRP板與鋼板之間的界面黏結性能是該技術的關鍵問題之一[4-9].已有研究表明,膠黏劑的性能對其影響顯著.環氧樹脂和固化劑是膠黏劑組分中最主要的2個部分,兩者發生化學反應后才能發揮膠黏劑的功能.當主料確定后,固化劑對膠黏劑的性能起決定性作用[10-11].現有固化劑種類繁多,其中胺類固化劑是常用的環氧樹脂室溫固化劑,主要包括脂肪胺、脂環胺、芳香胺、聚酰胺及其改性胺等[12].脂肪胺、脂環胺和芳香胺屬于初級胺[13],初級胺直接作為固化劑時韌性較差,耐沖擊性不良,耐候性欠佳[14-16].為了克服這些缺點并擴大其應用領域,近年來國內外學者相繼提出了許多胺類的改性方法,出現了眾多性能各異的固化劑.

本文基于自研的環氧膠黏劑配方,改變其中固化劑的種類和摻量,研究了其對室溫固化膠黏劑基本力學性能的影響.采用該膠黏劑進行室溫固化CFRP板/鋼板雙搭接接頭試件(以下簡稱搭接試件)的剪切試驗,研究了固化劑種類和摻量對搭接試件界面黏結性能(極限承載力、破壞模式、界面剪應力和界面黏結-滑移本構關系等)的影響,得到了適用于CFRP加固鋼結構的最佳固化劑種類和摻量,以期為結構膠黏劑的制備及CFRP加固鋼結構的工程應用提供依據.

1 試驗

1.1 試驗材料

納米SiO2環氧樹脂膠黏劑(以下簡稱膠黏劑)成分包括：雙酚A型環氧樹脂E51、固化劑(改進芳香胺BD11、改進酚醛胺GR07、縮胺105和聚醚胺D230)、增韌劑納米SiO2顆粒、偶聯劑KH-560、促進劑DMP-30、觸變劑HB-139和消泡劑D240等.7種膠黏劑配比見表1.

表1 膠黏劑配比

CFRP板/鋼板搭接試件中的CFRP板采用南京海拓公司產單向板CFP1.4-50,鋼板采用橋梁結構鋼Q345D.CFRP板及鋼板的材料參數見表2.

表2 CFRP板及鋼板的材料參數

1.2 試件設計與制備

1.2.1膠黏劑拉伸試件

膠黏劑拉伸試件按照ASTM D638-10《Standard test method for tensile properties of plastics》制作,試件尺寸如圖1所示.試件在室溫下養護7d.

圖1 膠黏劑拉伸試件的尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen of adhesive(size:mm)

1.2.2搭接試件

搭接試件的設計與制作參考ASTM D3528-96(2008)《Standard test method for strength properties of double lap shear adhesive joints by tension loading》.圖2為搭接試件尺寸及CFRP板表面應變片布置.鋼板表面先用打磨機打磨除銹,然后用酒精清洗;CFRP表面先用砂紙打磨,除去表層樹脂,再用酒精擦拭干凈.采用灑小鋼珠方式,將膠黏劑膠層厚度控制在1mm 左右.試件在室溫下養護7d.

圖2 搭接試件尺寸及應變片布置Fig.2 Size and strain gauge arrangement of CFRP laminate/steel plate double lap joint(size:mm)

1.3 試驗方法

1.3.1膠黏劑試件拉伸試驗

采用50kN電子萬能試驗機測試膠黏劑試件的準靜態拉伸性能,拉伸速率為2mm/min.

1.3.2搭接試件剪切試驗

搭接試件剪切試驗在300kN準靜態拉伸試驗機上進行,采用位移加載方式,加載速率為0.3mm/min.應變數據采用靜態應變測試系統進行采集.

2 結果及分析

2.1 膠黏劑基本力學性能

圖3為7種膠黏劑拉伸試件的基本力學性能指標.由圖3(a)可知：(1)基于固化劑105和D230按質量比1∶2復配的膠黏劑GY34的拉伸強度最大,為52.91MPa;基于固化劑105和D230按質量比2∶1 復配的膠黏劑GY32的拉伸強度最小,僅為22.90MPa;7種膠黏劑的拉伸強度由高到低依次為GY34>GY35>GY31>GY2>GY33>GY1>GY32.(2)基于固化劑D230的膠黏劑GY35的彈性模量最大,為3705.94MPa;基于固化劑BD11的膠黏劑GY1和基于固化劑105的膠黏劑GY31的彈性模量相對較小,分別為2603.05、2380.02MPa.由圖3(b)可知：(1)膠黏劑GY1的斷裂伸長率最大,為2.80%;膠黏劑GY32的斷裂伸長率最小,為0.88%.(2)膠黏劑GY34的應變能最大,為0.07296N/mm2.

圖3 7種膠黏劑拉伸試件的基本力學性能Fig.3 Basic mechanical properties of seven kinds of adhesive tensile specimens

2.2 搭接試件界面黏結性能

2.2.1搭接試件的破壞模式和荷載-位移關系

各搭接試件的固化溫度和工作溫度均為25℃.其膠層厚度(Ta)、破壞時夾持端與加載端間的最大位移(Dmax)、峰值荷載(Pmax)及破壞模式見表3.

表3 固化劑對搭接試件試驗結果的影響

由表3可見：(1)固化劑的種類和摻量對搭接試件的極限承載能力和最大位移均有顯著影響;采用BD11或GR07作為固化劑時,所對應的搭接試件GY1-S和GY2-S的峰值荷載和最大位移分別為59.14kN、1.16mm和80.53kN、1.44mm,極限承載能力較小;而采用105或D230作為固化劑時,所對應的搭接試件GY31-S和GY35-S的峰值荷載和最大位移分別為102.31kN、2.11mm和95.09kN、1.71mm,極限承載能力較GY1-S提升了73.00%和60.79%,較GY2-S提升了27.05%和18.08%.(2)在固化劑總用量不變的情況下,采用105與D230進行復配,當兩者質量比為1∶2時,所對應的搭接試件GY34-S的極限承載能力最大,峰值荷載和最大位移分別為106.89kN、1.90mm,其中峰值荷載較GY31-S和GY35-S分別提升4.48%和12.41%.

(1)

式中：bp為CFRP板寬度;Lb為搭接長度.

(2)

式中：Le為有效黏結長度.

部分搭接試件的典型破壞模式照片見圖4.

圖4 搭接試件的典型界面破壞模式Fig.4 Typical interface failure mode of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

由表3、圖4可知：固化劑種類及摻量對搭接試件的破壞模式有一定影響,當搭接試件極限承載能力較小時,破壞模式以膠層內聚破壞(失效模式c)為主;隨著搭接試件極限承載能力的增大,破壞模式由膠層內聚破壞逐漸轉變為界面破壞(失效模式a和b);當搭接試件極限承載能力進一步增大后,破壞模式又轉變為CFRP板層離破壞(失效模式d),此時,搭接界面未出現剝離現象,說明搭接試件的界面黏結強度已超過CFRP板層間的剪切強度.

2.2.2搭接試件的界面剪應力分布

通過布置在CFRP表面的應變片可求取測點i和相鄰測點i-1間的界面平均剪應力τi-1/2,其計算表達式[17-18]為：

(3)

式中：Δεi為測點i與i-1處的應變差;Δli為測點i與i-1間的距離;εi和εi-1分別為CFRP板表面測點i和i-1處的應變;li和li-1分別為測點i和i-1距CFRP板自由端的距離;Ep為CFRP板的彈性模量;tp為CFRP板厚度.

部分搭接試件在加載過程中的界面剪應力分布見圖5.由圖5可知：(1)在加載初期,僅在搭接區域兩端出現較大剪應力,隨著荷載的增加,搭接區域兩端面處剪應力逐漸增加,剪應力傳遞長度也逐漸變長.(2)在極限荷載作用下,搭接試件GY1-3的界面剪應力峰值為15.84MPa,出現在距鋼板自由端10mm處;距鋼板自由端20mm處的界面剪應力僅為7.49MPa,較鋼板自由端10mm處下降了52.71%,距鋼板自由端50mm處的界面剪應力基本降為0.(3)搭接試件GY2-2的界面剪應力距鋼板自由端10mm 處為17.92MPa;其剪應力峰值出現在距鋼板自由端20mm處,為20.33MPa,較距鋼板自由端10mm處增加了13.45%;距鋼板自由端70mm處,界面剪應力基本降為0.(4)搭接試件GY31-4的界面剪應力分布情況與GY2-2基本類似,距鋼板自由端10mm處的界面剪應力為21.94MPa;剪應力峰值出現在距鋼板自由端20mm處,為23.49MPa,較鋼板自由端10mm處增加了7.06%;距鋼板自由端80mm處,界面剪應力基本降為0.(5)搭接試件GY34-2的界面剪應力峰值出現在距鋼板自由端10mm處,為23.52MPa;距鋼板自由端20mm處的界面剪應力為19.34MPa,較鋼板自由端10mm處降低了17.77%;距鋼板自由端80mm 處,界面剪應力基本降為0.(6)搭接試件GY35-1的界面剪應力峰值出現在距鋼板自由端10mm處,為25.23MPa;距鋼板自由端20mm處的應力為22.23MPa,較鋼板自由端10mm處降低了11.89%,降幅較小;距鋼板自由端70mm處,界面剪應力基本降為0.綜上可知,采用基于縮胺105、聚醚胺D230、或按其質量比1∶2混合的固化劑,所對應的搭接接頭試件GY31-4、GY35-1、GY34-2均具有較好的界面承載力,適用于CFRP對鋼結構的加固.

圖5 搭接試件界面剪應力分布Fig.5 Interfaceshear stress distribution of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

2.2.3有效黏結長度

由上述試驗可知：搭接試件界面剪應力峰值出現在搭接區域兩端;搭接區域剛度大的端面附近(即鋼板自由端)界面剪應力峰值較大,剛度小的端面附近(CFRP板自由端)界面剪應力峰值較小;如果搭接區域足夠長,則中間某點的剪應力必然降為0(或者可忽略不計);若將界面剪應力峰值點(兩端點)與界面剪應力降為0的點之間的距離定義為有效黏結長度,則剛度大的端面有效黏結長度較長,另一端則較小.由文獻[19-20]可知,有效黏結長度不但與膠層的性質有關,而且與搭接構件的剛度有關.

由圖5可知,搭接試件GY1-S、GY2-S、GY31-S、GY34-S、GY35-S的有效黏結長度分別為50、70、80、80、70mm.

3 黏結-滑移本構

黏結-滑移(τ-δ)關系為界面黏結性能的本構模型.假定搭接接頭CFRP自由端滑移量為零,并忽略鋼板的軸向變形,依據實測應變數據,從CFRP自由端端部到測點i,對CFRP表面應變進行數值積分,可得測點i與測點i-1之間中點處的界面局部滑移量Si-1/2:

(4)

聯合式(3)、(4),可獲得搭接試件在加載過程中相鄰測點間中點處界面剪應力與滑移量的關系.選取距離鋼板自由端20mm處的界面剪應力和對應滑移量數據繪于圖6,得到搭接試件界面的τ-δ關系.圖中τf為剪應力峰值、δ1為本構模型上升段峰值所對應的滑移量、δf為極限滑移量.由圖6可知,固化劑的種類及摻量對搭接試件的黏結-滑移本構關系影響顯著.

圖6 搭接試件的界面黏結-滑移本構關系Fig.6 Bond-slip constitutive of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens

由圖6可見：(1)采用單一固化劑時,搭接試件的黏結-滑移曲線均可簡化為雙線性三角形模型,如搭接試件GY1-S和GY31-S的黏結-滑移曲線存在一定的緩坡下降段,破壞過程相對緩慢,搭接界面具有一定的延性;搭接試件GY2-S和GY35-S的黏結- 滑移曲線不存在明顯緩坡下降段,界面剪應力達到峰值后試件突然破壞,破壞時沒有明顯預兆,黏結- 滑移本構模型為直角三角形.(2)采用復合固化劑時,搭接試件GY34-S的黏結-滑移曲線可簡化為三線性直角梯形,黏結-滑移關系可分為2個階段：第1階段為上升段,界面剪應力隨滑移量增加呈線性增長;第2階段為水平段,當達到峰值剪應力時,CFRP板/鋼板界面損傷開始發展,但隨著滑移量的繼續增加,界面剪應力基本不再增長,而是出現了“屈服平臺”,具有較長的軟化發展過程,未出現緩坡下降度,當滑移量增大到某一值,搭接試件被拉斷.

將圖6中的各擬合曲線匯于圖7.由圖7計算出搭接試件界面的剛度K=τf/δ1,計算結果列于表4.

圖7 固化劑對搭接試件界面黏結-滑移本構影響Fig.7 Effect of curing agent on the bond-slip constitutive behavior of CFRP laminate/steel plate double lap joint specimens interface

表4 搭接試件界面黏結-滑移本構參數的比較

由圖7和表4可知,搭接試件GY31-S和GY35-S的剪應力峰值、極限滑移值、界面剛度、界面斷裂能分別為搭接試件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.綜上可知,固化劑的種類及摻量對CFRP板/鋼板搭接界面黏結- 滑移曲線具有一定影響,在常溫固化及常溫環境下使用時,可優先考慮采用縮胺105、聚醚胺D230或其按兩者質量比1∶2混合的固化劑.若高溫固化或高溫環境下使用時,固化劑的選型及摻量有待另文探討.

4 結論

(1)固化劑種類和摻量不同的7種膠黏劑的拉伸強度從高到低依次為GY34>GY35>GY31>GY2>GY33>GY1>GY32.各搭接試件的抗剪承載力從高到低依次為GY34-S>GY31-S>GY35-S>GY2-S>GY33-S>GY1-S>GY32-S.

(2)搭接試件GY31-S、GY35-S和GY34-S的界面膠層黏結強度大于CFRP板內基體的剪切強度,其破壞模式均為CFRP板層離破壞.

(3)各搭接試件的有效黏結長度為50～80mm,按有效黏結長度計算的各搭接試件的名義剪應力相差很小.

(4)基于4種單一固化劑的搭接試件GY1-S、GY2-S、GY31-S和GY35-S,其黏結-滑移曲線均為雙線性三角形模型;基于復合固化劑的搭接試件GY34-S,其黏結-滑移曲線可簡化為三線性直角梯形,當界面剪應力達到峰值時,滑移量會繼續增加,出現“屈服平臺”,但未出現緩坡下降度.