李傳習(xí)，劉一鳴，李游，鄢亦斌*

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 橋梁與建筑綠色建造與維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

隨著橋梁服役年限的增長(zhǎng)，疲勞開(kāi)裂已成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的常見(jiàn)病害之一[1-2]。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加固方法是將鋼板焊接螺栓連接到原結(jié)構(gòu)受損部位。這些方法因焊縫或鉆孔等措施會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成新的損傷。采用膠黏劑將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)為CFRP）粘貼到疲勞開(kāi)裂處進(jìn)行加固與修復(fù)，具有對(duì)原結(jié)構(gòu)零損傷、施工簡(jiǎn)便和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。CFRP 板與鋼構(gòu)件之間的黏接界面層可加固結(jié)構(gòu)薄弱部位[6-7]?？紤]加固結(jié)構(gòu)常年處于惡劣環(huán)境中，其耐久性顯得尤為重要，而溫度和濕度被認(rèn)為是影響?zhàn)そ咏Y(jié)構(gòu)耐久性的主要環(huán)境因素[8-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠黏劑及CFRP-鋼黏接濕熱耐久性進(jìn)行了研究。NGUYEN 等人[10]發(fā)現(xiàn)，在50℃/90%RH 下暴露1 000 h 后，Araldite 420 環(huán)氧膠黏劑的力學(xué)性能所受的影響較小。膠黏劑在50℃海水浸泡后暴露，2 個(gè)月內(nèi)，強(qiáng)度先顯著下降，隨后下降速度變慢，在第4個(gè)月時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和剛度分別保持在初始值的63%和45%。HESHMATI 等人[11]對(duì)基于商用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠黏接的CFRP-鋼雙搭接接頭，放入45℃蒸餾水環(huán)境中進(jìn)行了一年的老化試驗(yàn)，老化后試件的失效載荷較未老化試件的下降了約9%。羅南海[12]對(duì)基于膠膜連接的CFRP-鋼雙搭接接頭進(jìn)行了20 d 的水浸泡老化，發(fā)現(xiàn)在25℃的浸泡環(huán)境下試件極限承載力無(wú)明顯變化，在70℃浸泡環(huán)境下極限承載力下降15.3%。DAWOOD 等人[13]在38℃和5%氯化鈉溶液環(huán)境中對(duì)CFRP-鋼雙搭接試樣進(jìn)行了6個(gè)月的耐久性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣的界面黏結(jié)強(qiáng)度降低了60%。研究結(jié)果表明：不同種類(lèi)的膠黏劑和不同的濕熱條件下，膠黏劑與膠接界面黏結(jié)強(qiáng)度的下降程度不同。研制和探尋出一種耐濕熱性能好，適用于土木工程服役環(huán)境的膠黏劑具有重要意義。同時(shí)，作為一種高分子材料，在土木工程應(yīng)用研究中，關(guān)于納米材料改性膠黏劑CFRP-鋼膠接接頭的濕熱耐久性研究也較為鮮見(jiàn)。因此，本研究擬對(duì)團(tuán)隊(duì)研制的一種納米材料增韌環(huán)氧膠黏劑和基于該膠黏劑的CFRP-鋼雙搭接接頭在不同水浴溫度下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，分析老化后膠黏劑膠體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、拉伸性能和CFRP-鋼雙搭接接頭的界面黏接性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

膠黏劑為團(tuán)隊(duì)研制的納米材料增韌環(huán)氧膠黏劑，鋼板為Q345qD 鋼，CFRP 板采用南京海拓公司生產(chǎn)的拉擠成型CFRP 單向板。鋼板和CFRP 板材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CFRP板及鋼板材料參數(shù)Table 1 Material parameter of CFRP plate and steel plate

1.2 試件制備過(guò)程

膠黏劑為A、B雙組分結(jié)構(gòu)膠，配比為100∶31。將稱(chēng)量好的A、B 組分混合，人工攪拌10 min，倒入模具制作好試件，室溫下養(yǎng)護(hù)14 d。

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（dynamic mechanical analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)為DMA）試樣尺寸為50 mm×12.5 mm×3.5 mm的長(zhǎng)方體。

拉伸性能試件依據(jù)ASTM D638-10 標(biāo)準(zhǔn)制作，尺寸如圖1所示。

圖1 膠黏劑拉伸試件尺寸（單位：mm）Fig.1 Size of adhesive tensile specimen(unit：mm)

CFRP-鋼雙搭接試件設(shè)計(jì)和制作參考ASTM D3528-96(2008)及相關(guān)研究[9]，尺寸如圖2 所示。鋼板表面用打磨機(jī)進(jìn)行打磨除銹，CFRP 表面采用砂紙打磨，除去表層樹(shù)脂，二者均采用丙酮擦拭干凈。采用直徑為1 mm 的小鋼珠控制膠層厚度，待試件上層粘貼CFRP 板后，用壓板壓住試件，擠出多余的膠，室溫下養(yǎng)護(hù)14 d。

圖2 CFRP-鋼雙搭接試件尺寸（單位：mm）Fig.2 Size of CFRP-steel double lap specimen(unit:mm)

1.3 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)好的試件分別放入溫度為20、55、70 ℃的恒溫水箱中浸泡。其中，拉伸試樣與DMA 試樣浸泡30、60 d后，分別從每個(gè)恒溫水箱中取出3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試與DMA 測(cè)試。CFRP-鋼雙搭接試件待浸泡30 d后，從每個(gè)環(huán)境中取出2個(gè)試樣進(jìn)行拉伸剪切測(cè)試。

DMA 測(cè)試采用美國(guó)TA 公司DMA 850 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量材料在程序控制溫度下，研究振動(dòng)負(fù)荷下動(dòng)態(tài)模量、力學(xué)損耗與溫度之間的關(guān)系?？疾旎趦?chǔ)能模量、損耗模量和損耗因子3 個(gè)材料黏彈性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[14]。儲(chǔ)能模量反映材料黏彈性中的彈性部分；損耗模量反映黏性部分；損耗因子為損耗模量與存儲(chǔ)模量比值，可表征材料的阻尼。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表示材料在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的溫度，是膠黏劑性能隨溫度變化的一個(gè)重要參數(shù)?；趦?chǔ)能模量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,s變化曲線(xiàn)，采用切線(xiàn)法；基于損耗因子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,t變化曲線(xiàn)，采用峰值法；基于損耗模量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,l變化曲線(xiàn)，采用峰值法，如圖3 所示。試驗(yàn)前，先采用游標(biāo)卡尺量取試件的精確寬度和厚度。再采用35 mm 雙懸臂夾具（試件及夾具如圖4 所示），設(shè)置振蕩模式，幅值為10 μm，測(cè)試頻率為1 Hz，溫度范圍為室溫至120℃，升溫速率為5 ℃/min。

圖3 DMA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度定義Fig.3 Definition of glass transition temperature in DMA

圖4 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析Fig.4 Analysis of dynamic mechanical

膠黏劑準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能測(cè)試采用50 kN 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為2 mm/min，在室溫下進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 拉伸性能測(cè)試Fig.5 Test of tensile property

CFRP-鋼雙搭接試件拉伸剪切試驗(yàn)采用300 kN微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制加載，其加載速率為0.3 mm/min，在室溫下進(jìn)行測(cè)試。采用視頻引伸計(jì)獲取CFRP 板表面應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前，先將CFRP 板表面均勻地噴上白色啞光漆，用黑劃分好標(biāo)距分段線(xiàn)（分段線(xiàn)位置如圖2 所示）。試驗(yàn)裝置和試件如圖6所示。

圖6 CFRP-鋼雙搭接試件拉伸剪切性能試驗(yàn)Fig.6 Tensile-shear test of CFRP-steel double lap specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水浴對(duì)膠黏劑動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

參照相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)[15-16]中的儲(chǔ)能模量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,s和損耗因子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,t進(jìn)行分析。

膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度演化規(guī)律如圖7 所示。從圖7可以看出，在20℃水浴下，膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨浸泡時(shí)間的增加而下降。在55℃與70℃水浴下，膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在浸泡30 d后出現(xiàn)較大幅上升。55℃水浴后，Tg,s、Tg,t分別提高11.5℃、7.9℃；70℃水浴后，Tg,s、Tg,t分別提高11.5℃、8.1℃。浸泡60 d 的轉(zhuǎn)變溫度較浸泡30 d的小，這是由于膠黏劑采用室溫固化，高溫水浴使膠黏劑發(fā)生固化后，增加分子間的交聯(lián)度，使膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高。

圖7 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,s、Tg,tFig.7 Glass transition temperature Tg,s、Tg,t

不同浸泡溫度下，膠黏劑儲(chǔ)能模量和損耗因子的演化如圖8 所示。從圖8 中可以看出，經(jīng)20、55、70 ℃浸泡后，膠黏劑的儲(chǔ)能模量值出現(xiàn)了不同程度的下降。在20、55、70 ℃水浴浸泡30 d后，35 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能模量值較未浸泡試件分別下降了6.2%、12.3%、14.8%。在20、55、70 ℃水浴浸泡60 d 后，35℃時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能模量值較未浸泡試件分別下降了10.8%、9.9%、28.5%。70 ℃的水浴溫度已超過(guò)膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,s。表明：超過(guò)膠黏劑初始Tg,s溫度的使用環(huán)境，會(huì)加速膠黏劑老化。

圖8 膠黏劑儲(chǔ)能模量與損耗因子的演化Fig.8 Evolution of storage modulus and loss factor of adhesive

損耗因子曲線(xiàn)的峰高和形狀出現(xiàn)了不同的變化。在20℃水浴浸泡后，曲線(xiàn)峰高較對(duì)照值下降較小，形狀也與對(duì)照試件的曲線(xiàn)類(lèi)似。而在溫度為55℃與70℃水浴浸泡后，隨著時(shí)間的增加，曲線(xiàn)的峰值迅速降低，曲線(xiàn)在浸泡1 個(gè)月后趨于平穩(wěn)，曲線(xiàn)形狀出現(xiàn)了雙峰。曲線(xiàn)雙峰出現(xiàn)的最大可能原因是DMA 試驗(yàn)過(guò)程中，隨溫度升高產(chǎn)生了烘干作用，導(dǎo)致試樣中大量吸收水被釋放[17]。

2.2 水浴對(duì)膠黏劑拉伸性能的影響

膠黏劑拉伸強(qiáng)度與模量的演化規(guī)律如圖9 所示。膠黏劑在20℃水浴環(huán)境下，浸泡30、60 d 后拉伸強(qiáng)度分別下降12.98%、16.30%。膠黏劑在55℃水浴環(huán)境下，在浸泡30 d 后拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)小幅上升，浸泡60 d后下降13.4%。在70℃水浴環(huán)境下，膠黏劑拉伸強(qiáng)度在浸泡30、60 d 后分別下降7.2%、27.8%。表明：浸泡1 個(gè)月內(nèi)，由于后固化作用，分子間的作用力增大，膠黏劑強(qiáng)度變化較小，但隨著持續(xù)浸泡時(shí)間的增加，膠黏劑中水分子濃度達(dá)到一定值后，其分子間作用力下降程度大于后固化引起的分子間作用力增加程度，特別是在超過(guò)初始Tg,s浸泡溫度時(shí)，強(qiáng)度下降較大。彈性模量隨著浸泡時(shí)間增加，每種水浴溫度下均呈下降趨勢(shì)。在70℃水浴環(huán)境浸泡2個(gè)月后，下降率為19.7%，與DMA測(cè)試中儲(chǔ)存模量下降趨勢(shì)吻合。

圖9 膠黏劑拉伸強(qiáng)度與彈模演化Fig.9 Evolution of tensile strength and elastic modulus of adhesive

2.3 水浴對(duì)CFRP-鋼接頭力學(xué)性能的影響

CFRP-鋼接頭破壞模式如圖10 所示。CFRP-鋼膠接試件常見(jiàn)破壞有：①CFRP 與膠層界面破壞；②鋼板與膠層界面破壞；③CFRP 板層離；④膠層內(nèi)聚破壞[5]。經(jīng)老化后，各試件的破壞形式如圖10 所示，經(jīng)20℃水浴浸泡30 d 后，破壞形式與對(duì)照組的破壞形式較為相似，均以CFRP 層間剝離破壞為主。55℃與70℃水浴浸泡30 d 后的破壞模式大都為CFRP 板少量層離與鋼/膠層界面的混合破壞形式。表明：水浴溫度升高，會(huì)使膠層與CFRP板、膠層與鋼板之間界面的黏結(jié)強(qiáng)度降低。

圖10 CFRP-鋼接頭破壞模式Fig.10 Failure mode of CFRP-steel joint

經(jīng)過(guò)30 d 不同溫度的水浴浸泡后，試件在加載過(guò)程中的典型荷載-位移曲線(xiàn)如圖11所示。與初始值相比，經(jīng)過(guò)浸泡老化后，試件的荷載-位移曲線(xiàn)由非線(xiàn)性變?yōu)榫€(xiàn)性，延性下降較大。

圖11 CFRP-鋼接頭荷載位移曲線(xiàn)Fig.11 Load displacement curve of CFRP-steel joint

CFRP-鋼雙搭接接頭拉伸剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，經(jīng)20、55、70 ℃水浴浸泡30 d 的CFRP-鋼搭接試件的平均極限荷載較未浸泡的分別下降了2.13%、8.13%、11.83%，平均極限位移分別下降了22.68%、31.28%、32.82%。表明：經(jīng)20℃水浴浸泡后，其極限承載能力變化較小，主要降低了接頭的延性。而在55℃與70℃水浴浸泡后，接頭的延性隨極限承載力的降低進(jìn)一步下降。

表2 CFRP-鋼雙搭接試件試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result of CFRP-steel double lap specimen

CFRP-鋼接頭強(qiáng)度的退化與膠黏劑的拉伸強(qiáng)度的退化規(guī)律存在較大區(qū)別。膠黏劑膠體在20℃水浴老化30 d 后，拉伸強(qiáng)度下降程度較其他兩種溫度下下降的快，而CFRP-鋼接頭強(qiáng)度的下降規(guī)律與其相反，水浴溫度越高強(qiáng)度下降越快。表明：CFRP-鋼膠接接頭強(qiáng)度的下降與膠黏劑膠體強(qiáng)度的退化關(guān)系較小，主要?dú)w因于濕熱老化降低了CFRP板/膠層界面與鋼/膠層界面的強(qiáng)度。

各級(jí)荷載下CFRP 板表面應(yīng)變分布如圖12 所示（圖中微應(yīng)變值為視頻引伸計(jì)每標(biāo)距段平均微應(yīng)變值，取每標(biāo)距段中點(diǎn)表示）。從圖12 可以看出，在不同的老化環(huán)境下，應(yīng)變大致呈指數(shù)型分布，靠近鋼板自由端的應(yīng)變值較大。對(duì)照組的微應(yīng)變峰值為6 750 με，經(jīng)過(guò)20、55、70 ℃3種不同溫度水浴老化后微應(yīng)變值峰值分別約為5 400、4 200、4 750 με。

圖12 CFRP板表面應(yīng)變分布Fig.12 Surface strain distribution of CFRP plate

3 結(jié)論

1）水浴溫度對(duì)納米材料增韌環(huán)氧膠黏劑的拉伸性能與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響較大。工程中，根據(jù)初始玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,s，合理確定使用環(huán)境。

2）經(jīng)20、55、70 ℃水浴浸泡30 d后，CFRP-鋼雙搭接接頭典型荷載-位移曲線(xiàn)由非線(xiàn)性變?yōu)榫€(xiàn)性，其平均極限荷載較未浸泡試件的分別下降了2.13%、8.13%、11.83%。CFRP 板表面應(yīng)變均呈指數(shù)型分布，靠近鋼板自由端的應(yīng)變值較大。隨著浸泡溫度升高，CFRP板表面微應(yīng)變峰值下降。

3）CFRP-鋼雙搭接接頭在不同水浴溫度老化后，強(qiáng)度退化規(guī)律與膠黏劑膠體拉伸強(qiáng)度的退化規(guī)律存在較大區(qū)別。CFRP-鋼雙搭接接頭強(qiáng)度的退化，主要?dú)w因于濕熱老化降低了CFRP 板/膠層界面與鋼/膠層界面的強(qiáng)度，與膠黏劑自身強(qiáng)度退化的關(guān)系較小。