自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制

李传习,高有为,王孝耀,李游,司睹英胡

（1.长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114；2.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530005；3.湖南工业大学 土木工程学院，株洲 412007）

胶粘碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)是钢结构疲劳裂纹处治(即钢结构加固)最具前景的方法[1-5]。胶粘CFRP的钢结构，粘结界面是其薄弱环节，胶粘剂的性能很大程度上决定了CFRP加固钢结构的效果[6-8]。胶粘剂属于高分子聚合物，具有较高的温度敏感性。

大多数商品胶粘剂在室温下均具有良好性能，但当温度低于或高于室温时，胶粘剂的性能会发生显著变化[9-11]，胶粘CFRP-钢界面性能势必也会随之改变[12-15]。

李传习等[16]测试了4种商品胶粘剂(Araldite 2014、Araldite420、Sika30、C1)在25～70℃内的力学性能，结果表明4种胶粘剂的强度和刚度均随温度升高呈线性下降。Biscaia等[17]、陈卓异等[18]基于Sika30胶(玻璃转化温度Tg=62℃)对20～95℃内CFRP-钢界面性能进行了试验研究。结果均表明，当温度接近或超过胶粘剂Tg时，试件的极限承载力显著降低。但当温度低于Tg一定值时，试件的极限承载力随温度升高的变化规律不一，前者研究表明极限承载力随温度升高而下降，后者则正好相反。He等[19]研究了4种胶粘剂(T1、Sika30、Tc、Araldite2014)分别在各自Tg±15℃下CFRP-钢界面性能，结果表明，温度为Tg+15℃时，试件的极限承载力仅为室温下的24%～36%；非线性胶粘剂试件的界面承载力要高于线性胶粘剂，同种胶粘剂(线性或非线性)拉伸强度大的试件界面性能优于拉伸强度小的试件。Al-Shawaf等[20]基于3种胶粘剂(Araldite420、Sika30、Mbrace Saturant)研究了不同温度下CFRP-钢界面的破坏模式。结果表面，采用Araldite420和Sika30胶粘的试件在20℃和40℃温度下破坏模式均为CFRP层离，但当温度高于胶粘剂的Tg时，失效模式变为钢-胶界面破坏。Nguyen等[21]也得出相同结论。

上述研究均基于典型商品胶粘剂，其Tg普遍低于60℃，而夏季钢桥内部温度可超60℃，显然难以满足加固需求。尽管航天航空特供胶粘剂的Tg能超过200℃，但其固化条件苛刻(需经200℃以上高温固化)，尚无法广泛应用于钢桥加固[22-23]。此外多数学者仅单独研究了不同温度下胶粘剂的性能或CFRP-钢界面性能，对两者性能均研究且建立联系的较少。低温环境下胶粘剂的脆性变大，抵抗裂纹扩展能力变差，关于低温环境下CFRP-钢界面研究较溃泛。因此，基于高性能胶粘剂胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制仍需进一步探讨。

本团队已研配出一种耐高温高性能非线性环氧胶粘剂G3[6,24-25]，其固化工艺简单，拉伸强度大于50 MPa (商品胶粘剂拉伸强度在30 MPa左右[16,19,26])，Tg高于90℃，且在-20℃和70℃下均能保持较高的拉伸强度和断裂韧性。为此本文基于G3胶和Tg较高的商品胶粘剂Sika30制作了28个CFRP-钢双搭接试件，开展了两种胶粘剂在7种环境温度(-20℃、-5℃、10℃、25℃、40℃、55℃和70℃)下的拉伸剪切试验，并通过分析接头试件的破坏模式、极限承载力、荷载-位移曲线、界面剪应力及粘结-滑移曲线等，揭示基于自研高性能胶G3的CFRP-钢界面优异的动态热力学性能。

1 试 验

1.1 原材料

胶粘剂采用自主研配的环氧胶粘剂G3和商品胶粘剂Sika30，后者由德国西卡公司生产；搭接试件的钢采用桥梁结构钢Q345 D，宽50 mm，厚12 mm；CFRP由上海悍马公司生产，宽50 mm，厚1.4 mm。材料参数如表1所示。其中G3胶和Sika30胶参数由自测得到，测试温度为25℃。CFRP和Q345 D数据由商家提供。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

1.2 试件设计与制备

胶粘剂胶体拉伸试件和剪切试件分别参照GB/T 2567-2021[27]和GB/T 7124-2008[28]制作，试件尺寸如图1所示，其中圆弧段半径R为76 mm，中间段宽度b为10 mm，测试段标距L0为 50 mm，直线段长度L1为60 mm，试件总长度L为200 mm，试件厚度h为4 mm。常温常湿静置4 h后，将胶粘剂拉伸试件和剪切试件放入高低温试验箱中进行90℃固化2.5 h (试验箱温度从室温升至90℃，升温速率10℃/min，温度达到90℃后开始固化计时)。Sika30胶则在室温下固化7天。两者均在养护完成后立即开始拉伸测试。

图1 胶粘剂试件尺寸Fig.1 Size of adhesive specimen

胶粘CFRP-钢双搭接接头试件的设计与制作参考ASTM D3528-96(2016)[29]及相关研究[18,30]。试验开展了由两种胶粘剂(G3和Sika30)分别在7种工作温度(-20℃、-5℃、10℃、25℃、40℃、55℃、70℃)下的双搭接拉伸剪切试验。本次试验共制作28个试件，分为G3试件组和Sika30试件组，每组均在上述7种工作温度下进行拉伸剪切试验，同组每种温度进行2个试件测试。考虑到试验的离散性，试验过程中对部分结果相差较大的试件进行了补做和替换。双搭接试件的几何尺寸及应变片布置如图2所示。

图2 几何尺寸及应变片布置Fig.2 Geometric dimensions and strain gauge arrangement

试件制作具体流程：钢板表面采用带百页轮的打磨机进行打磨除锈，用酒精清洗后待用；CFRP采用水切割机按设计长度切割，并用砂纸对CFRP表面进行打磨，以去除表面树脂和杂质，用酒精清洗后待用；按组分制备胶粘剂；在CFRP上的指定区域涂抹胶粘剂，并撒8～10颗1 mm小钢珠控制胶层厚度，将钢板指定区域涂抹一层胶粘剂后盖于CFRP上，完成单面粘贴；在钢板另一面继续涂抹胶粘剂并撒钢珠，将涂有胶粘剂的CFRP盖上，完成双面粘贴；最后采用钢板进行压重。固化条件同上。两组试件均在养护完成后立即开始拉伸剪切试验。

1.3 试验方法

胶粘剂胶体测试在上海华龙测试仪器有限公司提供的带高低温箱的50 kN电子万能试验机上进行。试件拉伸前，将高低温箱调至指定温度，夹好试件后关闭温度箱，待温度稳定在指定温度30 min后开始测试。试件采用位移加载控制，加载速率为2 mm/min。每组有效试件不少于5个。加载装置见图3。

图3 胶粘剂试验Fig.3 Adhesive test

搭接试件测试在上海华龙测试仪器有限公司提供的带高低温箱的300 kN准静态拉伸试验机上完成。试件拉伸前，将高低温箱调至指定温度，试件与夹具进行对中，夹紧加载端后将试件调至合适高度。考虑温度对试件的线膨胀影响，固定端暂不夹紧。关闭高低温箱门，高低温箱达到指定温度30 min后夹紧固定端开始进行加载测试。试验通过位移控制加载，加载速率为2 mm/min，采用静态应变测试系统进行应变数据的采集。加载装置见图4。

图4 双搭接试件试验Fig.4 Double lap test

2 试验结果与分析

2.1 温度对胶粘剂性能的影响

2.1.1 拉伸性能

图5为两种胶粘剂在不同工作温度下拉伸应力-应变曲线。Sika30胶在55℃已基本失去结构强度，故其在55℃及以上的应力-应变曲线未示出；可知，当测试温度低于25℃时，大部分分子链均处“冻结”状态，胶粘剂的应力-应变曲线呈线性变化；当测试温度升高，分子链逐渐“解冻”，应力开始减小，应变增加，应力-应变曲线存在明显的屈服点。

图5 不同工作温度下胶粘剂的拉伸应力-应变曲线Fig.5 Tensile stress-strain curves of adhesives at different working temperatures

由图5(a)的G3胶的拉伸应力-应变曲线可知，G3胶在-20～70℃下均具有良好的拉伸性能，其在70℃时强度仍保持36.1 MPa，比Sika30胶在25℃时的强度还要高。

2.1.2 剪切性能

图6为两种胶粘剂在不同工作温度下的剪切荷载-位移曲线。由图6(a)的G3胶的剪切荷载-位移曲线可知，在-20～70℃内，G3胶的剪切强度随温度升高而升高。由图6(b)的Sika30胶的剪切荷载-位移曲线可知，在-20～40℃内。Sika30胶的剪切强度随温度升高而升高，但当温度为55℃ (接近胶粘剂Tg)和70℃ (超过胶粘剂Tg)时，剪切强度急剧下降。

图6 不同工作温度下胶粘剂的剪切荷载-位移曲线Fig.6 Shear load-displacement curves of adhesives at different operating temperatures

2.2 温度对CFRP-钢界面性能的影响

本次试验每组两个试件破坏时的主要破坏模式、最大位移、极限承载力及其平均值均汇总于表2。

表2 CFRP-钢双搭接试件的拉伸剪切试验结果Table 2 Tensile shear test results of CFRP-steel double lap specimens

2.2.1 破坏模式

CFRP-钢双搭接试件的主要破坏形态可分为5种：(a) CFRP材料破坏；(b) CFRP-胶界面破坏；(c) 胶粘剂内聚破坏；(d) 钢-胶界面破坏；(e) 钢材破坏，其中钢材破坏的可能性较小。表2统计显示：基于G3胶试件约72%的试件发生a型破坏；约14%的试件发生a+d型破坏；约14%的试件发生d型破坏；基于Sika30胶试件约72%的试件发生a型破坏；约28%的试件发生d型破坏。两种胶粘剂试件的破坏模式均以a型破坏为主，说明两种胶粘剂均具有良好的粘结性能。结合表2中试件的极限承载力可知，发生a型破坏试件的极限承载力较发生d型破坏试件的极限承载力高。由于钢材的线膨胀系数和导热系数分别是CFRP的10倍和30倍，因此当环境温度发生改变时，钢-胶界面相对于CFRP-胶界面更易发生破坏。

试件在不同工作温度下的破坏形态如图7所示(从上到下温度逐渐升高)。由G3试件组的破坏形态(图7(a))可知，温度为-20℃时，试件的破坏形态为钢-胶界面破坏；温度稍许升高(-5℃)，试件的破坏形态为CFRP材料破坏和钢-胶界面破坏的混合破坏；温度高于25℃时，试件的破坏形态表现为CFRP材料破坏。由Sika30试件组的破坏形态(图7(b))可知，温度在-20～40℃区域内，试件的主导破坏形态为CFRP材料破坏，靠近间隙端存在局部的钢-胶界面破坏；当温度达到55℃(接近胶粘剂Tg)，试件的主要破坏形态为钢-胶界面破坏，伴随有局部胶粘剂内聚破坏和CFRP撕裂；当温度达到70℃ (超过胶粘剂Tg)，试件的破坏形态为钢-胶粘剂界面破坏。

图7 CFRP-钢双搭接试件的界面破坏形态Fig.7 Interface failure mode of the CFRP-steel double lap specimens

由上可知，不同胶粘剂类型试件的破坏形态受温度影响存在差异。原因之一可能是由于不同胶粘剂受温度的影响程度不同，即胶粘剂Tg存在差异，当温度接近或超过胶粘剂Tg时，胶粘剂的性能急剧下降。本文涉及的胶粘剂有3种，即结构胶G3胶、Sika30胶和制作CFRP板时所用的浸渍胶(下文简称J胶)，其中J胶的粘结性能决定了CFRP板的层间强度。当结构胶的强度高于CFRP板中J胶的强度时，破坏形态表现为CFRP材料破坏，相反则为结构胶内聚破坏或界面破坏。两者强度接近时，破坏形态表现为上述几种破坏形态的混合破坏。由此可推测：低温环境下(-20～-5℃)，胶粘剂性能从大到小依次为Sika30胶＞J胶＞G3胶；中温环境下(10～40℃)，胶粘剂性能为G3胶＞Sika30胶＞J胶；高温环境下(55～70℃)，胶粘剂性能为G3胶＞J胶＞Sika30胶。

2.2.2 最大位移与极限承载力

CFRP-钢双搭接试件的最大位移与极限承载力随温度升高的变化规律如图8所示。可知，在-20～70℃温度范围内，G3试件的最大位移和极限承载力随温度升高而增大，而Sika30试件的最大位移与极限承载力则随温度升高呈先上升后下降的趋势，与胶粘剂剪切强度随温度的变化趋势一致；温度小于或等于25℃时，G3试件与Sika30试件的极限承载力相当；温度超过55℃时，G3试件的极限承载力显著高于Sika30试件。

图8 CFRP-钢双搭接试件最大位移(a)与极限荷载(b)随温度升高的变化趋势Fig.8 Variation trend of maximum displacement (a) and ultimate load(b) of CFRP-steel double lap specimens with increasing temperature

结合表2中的最大位移与极限承载力数据可知，当温度为-20℃时，G3试件和Sika30试件的极限承载力分别为68.9 kN和74.5 kN，相较于25℃下的98.2 kN和104.2 kN分别下降了29.8%和28.5%；当温度为40℃时，Sika30试件的最大位移和极限承载力均达到最大值，分别为11.1 mm和161.6 kN，较室温下的最大位移和极限承载力分别提高了54.2%和55.1%；当温度达到55℃(接近Sika30胶粘剂Tg)时，Sika30试件的极限承载力骤降至78.9 kN，较25℃时下降了24.3%，但其最大位移9.7 mm仍高于25℃时的7.2 mm；当温度为70℃时，Sika30试件的极限承载力为64.2 kN，仅为室温下极限承载力的0.6倍，但其最大位移与室温时的最大位移接近。

由Sika30试件的极限承载力随温度的变化趋势可知，当温度低于胶粘剂Tg且22℃以上时，试件的极限承载力随温度升高而升高，而当温度接近或高于胶粘剂Tg时，试件的极限承载力急剧下降。由于本次最高试验温度为70℃，远低于G3胶Tg(95℃)，故G3试件的极限承载力随温度的变化规律是否与也存在相同规律还有待进一步验证。

由上可知，低温环境下，试件的极限承载力较25℃显著降低；在服役温度可能超过40℃的钢桥加固中，采用G3胶的效果要显著优于Sika30胶。

试件的荷载-位移曲线如图9所示。可知，在加载初期，荷载增长速度较慢；随荷载持续增加，荷载与位移呈线性变化；当荷载增加到某值时，G3试件在-20℃和-5℃温度下出现“V”字形波动，Sika30试件在-20℃、-5℃、10℃和25℃温度下均出现“V”字形波动，相应在实验过程中也能听到“嚓”的声音。以上说明，当温度低于25℃时，试件的脆性较大，易出现局部脱粘；当温度高于25℃时，试件的延性增加；G3试件的温度稳定性高于Sika30试件。

图9 CFRP-钢双搭接试件荷载-位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of CFRP-steel double lap specimens

2.2.3 CFRP表面轴向应变分布

图10示出了-20℃、25℃和70℃下的CFRP表面轴向应变分布。可知，CFRP表面轴向应变集中分布于近间隙端，且离间隙端越近，应变越大。由图10(a)的G3试件的CFRP表面轴向应变分布可知，升温使试件的最大应变值增大。由图10(b)的Sika30试件的CFRP表面轴向应变分布可知，当荷载接近或等于极限荷载时，各位置应变均显著增加；当温度为70℃时，同荷载值下应变与距间隙端距离线性相关，靠近间隙端应变大；最大应变随温度升高呈先增加后减小的趋势。

图10 CFRP表面轴向应变分布Fig.10 Axial strain distribution on CFRP surface

2.2.4 剪应力分布与有效粘结长度

界面剪应力反映了CFRP-钢界面应力的传递规律。当剪应力接近于0时，认为该处无剪应力传递，从间隙端到该处的距离即为有效粘结长度。通过CFRP表面轴向应变分布可求得相邻测点i和i-1测点之间中点处的界面剪应力，下式常用来计算粘结界面剪应力[8,18]：

式中：τi-1/2为测点i和测点i-1之间中点处的界面剪应力；εi为测点i处CFRP表面应变；li为测点i到CFRP自由端的距离；Ep、tP分别为CFRP的弹性模量和厚度。

剪应力分布和有效粘结长度如图11所示。可知，G3试件在-20℃、25℃和70℃时的有效粘结长度分别为52.5 mm、67.5 mm和85 mm，说明温度升高，G3试件的有效粘结长度增加；Sika30胶试件在-20℃和25℃时的有效粘结长度均为67.5 mm，但当温度达到70℃时(超过Sika30胶粘剂Tg)，胶粘剂由玻璃态转变为高弹态，试件的有效粘结长度超过200 mm或不存在有效粘结长度；剪应力主要分布在靠间隙端，初始剥离始于该区域，远离该区域的界面剪应力迅速降低，超过有效粘结长度后基本无变化。

图11 CFRP-钢双搭接试件剪应力分布Fig.11 Shear stress distribution of CFRP-steel double lap specimens

2.2.5 粘结-滑移本构

粘结-滑移本构即剪应力和滑移的关系，称为τ-s曲线。它能够描述界面受力情况和失效过程。针对CFRP-钢搭接试件作如下假定：(1) 忽略钢的轴向变形；(2) CFRP自由端滑移为0。从自由端对测得的CFRP表面应变进行积分，可得测点i-1与测点i之间中点处的界面局部滑移Si-1/2[26]：

联立式(1)和式(2)可得试件在加载过程中不同位置处的粘结-滑移关系。由上文分析可知，剪应力主要分布在近间隙端，且大部分试件的破坏形态均存在间隙端局部混合破坏，认为该处胶层经历了整个失效过程，因此选取离间隙端10 mm位置的粘结-滑移关系进行分析。

粘结-滑移曲线上升阶段的斜率定义为刚度K，τ-s曲线与s轴围成的面积定义为界面断裂能Gf。界面刚度反映试件抵抗变形的能力，刚度越大，试件抵抗变形能力越强；断裂能Gf反映抵抗裂纹扩展的能力，Gf越小，试件抵抗裂纹扩展能力越低，试件越易发生破坏。试件在不同工作温度下的界面刚度K、断裂能Gf、峰值剪应力τmax、极限滑移量Sf及峰值剪应力所对应的荷载P1、滑移量S1、滑移量S2列于表3。可知，在-20～70℃温度范围内，随温度升高，G3试件的极限滑移量Sf和断裂能Gf增加，峰值剪应力和界面刚度K先增大后减小，滑移量S1变化不大；Sika30试件的所有本构参数均随温度升高呈先上升后下降的趋势。由Sika30试件的本构参数还可知，当温度为55℃(接近Sika30胶Tg)时，试件的峰值剪应力、界面刚度和断裂能都显著降低，较25℃分别降低了72.6%、82.8%和60.8%。

表3 CFRP-钢双搭接试件本构参数Table 3 Constitutive parameters of CFRP-steel double lap specimens

试件的粘结-滑移曲线如图12所示。由图12(a)可知，当温度不超过25℃时，粘结-滑移曲线形状近似为直角三角形，即当剪应力达到峰值后试件马上发生破坏，破坏前无明显征兆，为脆性破坏；当温度达到40℃时，粘结-滑移曲线形状近似为直角梯形，即存在一个“屈服平台”，但无明显下降段；当温度高于40℃时，粘结-滑曲线形状近似为梯形，即存在一个显著的屈服平台和下降段，属于延性破坏。由图12(b)可知，当温度不超过25℃时，粘结-滑移曲线形状近似为三角形，即存在上升段和下降段；当温度为40℃时，粘结-滑移曲线形状近似为二次抛物线；当温度为55℃和70℃时，粘结-滑移曲线形状近似为梯形。胶粘剂随温度升高韧性增强，故试件的界面韧性也随之增加。界面劣化减缓，其粘结-滑移曲线形状逐渐由三角形转变为梯形。

图12 CFRP-钢双搭接试件粘结-滑移关系Fig.12 Bond-slip relationship of CFRP-steel double lap specimens

3 结 论

(1) 随温度升高，胶粘剂强度下降，韧性增加。当温度接近或超过胶粘剂玻璃转化温度Tg时，胶粘剂性能急剧下降，甚至直接失去结构强度；碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢搭接试件的破坏模式也由CFRP层离破坏转变为钢-胶界面破坏。

(2) 在-20～70℃温度范围内，G3试件的极限承载力随温度升高而增大，而Sika30试件的极限承载力则随温度升高呈先上升后下降的趋势；当温度为-20℃时，G3试件和Sika30试件的极限承载力较25℃下分别下降了29.8%和28.5%，说明低温环境使界面性能退化；当温度达到55℃(接近Sika30胶粘剂玻璃转化温度Tg)时，Sika30试件的极限承载力较25℃时下降了24.3%；当温度为70℃时，Sika30试件的极限承载力仅为室温下极限承载力的0.6倍，而此时G3试件的极限承载力是Sika30试件2.3倍。

(3)试件的有效粘结长度随温度升高而增长。G3试件在-20℃、25℃和70℃时的有效粘结长度分别为52.5 mm、67.5 mm和85 mm；Sika30胶在-20℃和25℃时的有效粘结长度均为67.5 mm，但当温度为70℃时，胶粘剂已软化，有效粘结长度超过200 mm或不存在有效粘结长度；剪应力主要分布在靠间隙端，初始剥离始于该区域，远离该区域的界面剪应力迅速降低，超过有效粘结长度后基本无变化。

(4) 温度升高，界面延性增加，粘结-滑移曲线形状逐渐由三角形转变为梯形。