楊怡，黃熾輝，吳作棟

華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510641

CFRP 是一種纖維復合增強材料，具有較高的抗拉強度、彈性模量以及良好的抗腐蝕、抗疲勞性能。通過粘貼CFRP 可以提高混凝土梁的承載能力和抗疲勞性能［1-3］，也可以對鋼結(jié)構(gòu)進行加固補強，這已在倫敦地鐵系統(tǒng)的隧道支撐加固工程和美國的橋梁加固工程中得到了應用［4-5］。采用CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)時，二者的粘結(jié)界面是整個加固系統(tǒng)中最脆弱的部位［6-7］，CFRP-鋼界面粘結(jié)性能的研究是極其重要的課題。

CFRP-混凝土界面粘結(jié)性能的實驗和理論研究已取得非常豐富的成果［8-10］，但是CFRP-鋼結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能的實驗研究還較少。CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能的實驗方法一般有單剪實驗、雙剪實驗和梁式實驗。例如，李傳習等［11］利用單剪實驗探究了不同的粘結(jié)劑種類和CFRP 材料對CFRP-鋼界面粘結(jié)性能的影響，分析了粘結(jié)界面的破壞過程和破壞機理；Xia 等［12］以粘結(jié)劑的抗拉強度作為變量，結(jié)合單剪實驗得到了最大剪應力計算模型，計算結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差較小。界面粘結(jié)性能研究中單剪實驗存在不可避免的缺陷：鋼板受到來自試驗機和CFRP 的作用力不處于同一直線，試件的縱截面出現(xiàn)附加彎矩，導致在垂直于粘結(jié)界面的方向產(chǎn)生非均勻分布的拉應力，從而影響實驗的準確性。因此，雙剪實驗可以彌補單剪實驗的不足，最大程度地阻止粘結(jié)界面出現(xiàn)干擾應力，使界面的受力狀態(tài)盡可能滿足理論研究的基本假設(shè)—界面上僅存在剪應力。

本課題組研究開發(fā)了一種的新型CFRP 片材碳纖維薄板CFL（carbon fiber laminate）［13］，其兼具纖維布與纖維板的優(yōu)點，能按設(shè)計要求編制寬度與厚度。課題組對CFL 增強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能、破壞模式等進行了諸多研究［14-15］。

針對現(xiàn)有CFRP-鋼界面粘結(jié)性能研究的不足之處，本文采用CFL 制備CFL-鋼板試件，基于雙剪實驗研究了CFRP 加固高強鋼界面粘結(jié)性能以及更小的膠層厚度對界面粘結(jié)性能的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

實驗采用的鋼板型號為Q345B 和X100，其中Q345B是普通橋梁用鋼，X100是高強管線鋼；CFL選用日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12K 型碳纖維絲制備；粘結(jié)劑采用南京海拓復合材料有限責任公司生產(chǎn)的Lica-131 碳板膠。三種材料的物理及力學性能分別見表1-3。

表2 CFL材料參數(shù)（T700-12K）Table 2 Material parameters of CFL（T700-12K）

表3 粘結(jié)劑材料性能（Lica-131）Table 3 Material parameters of adhesive（Lica-131）

1.2 試件設(shè)計與制作

本次實驗所用鋼板試件的設(shè)計與制作參考美國規(guī)范ASTM E8/E8M-16a［16］、 ASTM 3528-96（2016）［17］以及相關(guān)研究，在加工廠對原始鋼板進行線切割和焊接，得到實驗所需要的鋼板試件，再經(jīng)機械打磨保證所有鋼板表面具有相同的粗糙度，如圖1所示。粘貼CFL 之前使用丙酮清洗鋼板試件的表面，確保干燥且無塵后涂抹粘結(jié)劑，將一定數(shù)量的小鋼珠均勻放置在涂有粘結(jié)劑的鋼板表面，小鋼珠的直徑分別為0.1 mm 和0.5 mm，用以得到不同厚度的膠層，且控制鋼珠投影面積與粘貼面積比小于1%。將裁剪好的CFL 粘貼于鋼板表面，用特制的鋼化玻璃夾板緊貼試件兩側(cè)，施加適當壓力，使CFL 表面均勻受力，持續(xù)1 h。把多余的粘結(jié)劑擠出后，夾上鐵夾以保持膠層穩(wěn)定，如圖2 所示。將所有制成的試件放在常溫常壓（25 ℃，標準大氣壓）下固化7天。

圖1 單塊鋼板試件Fig.1 A steel plate specimen

圖2 膠層厚度控制Fig.2 Controlling the adhesive layers'thickness

如圖3 所示，雙剪試件由兩塊鋼板、兩片CFL和粘結(jié)劑組成。兩塊鋼板的短邊相對，呈軸對稱，間隙為5 mm，單片CFL 的設(shè)計長度為245 mm，厚度為0.23 mm，鋼板粘貼段的設(shè)計長度為120 mm，厚度為12 mm，鋼板和CFL 的寬度均為50 mm。CFL 與單塊鋼板的粘貼長度為120 mm，便于測量較大粘貼范圍內(nèi)CFL 表面的應變值。設(shè)定間隙中間為粘貼長度方向x軸的原點，把CFL 靠近原點的一端稱為近端，遠離原點且靠近加載端的一端稱為遠端。將應變片由近端至遠端等間距依次粘貼至試件一側(cè)的CFL 表面，間距為10 mm，自編1～12號。同時，在試件另一側(cè)的CFL表面設(shè)置DIC測量系統(tǒng)的應變采集區(qū)域，采用白色和黑色涂料在采集區(qū)域內(nèi)噴制符合測量標準的散斑圖。

圖3 雙剪試件示意圖Fig.3 Schematic diagrams of double shear specimens

本次實驗采用的鋼板材質(zhì)為Q345B 和X100，對應的雙剪試件分別用SJ和SJH 表示。共制作6個雙剪試件，分為3 組，每組2 個，試件的編號形式為SJ-膠層厚度-序號和SJH-膠層厚度-序號，具體參數(shù)見表4。A 組試件的編號為SJ-0.1-1/2，鋼板材質(zhì)為Q345B，膠層厚度為0.1 mm，設(shè)為標準試件組；B 組試件的編號為SJ-0.5-1/2，鋼板材質(zhì)與標準試件組保持一致，膠層厚度由0.1 mm 改變?yōu)?.5 mm；C 組試件的編號為SJH-0.1-1/2，膠層厚度與標準試件組保持一致，鋼板材質(zhì)由Q345B改變?yōu)閄100。

表4 CFL-鋼板雙剪試件與實驗結(jié)果Table 4 Parameters of CFL-steel double shear specimens and experimental results

1.3 加載與測量

本次實驗主要測量在拉伸剪切荷載作用下CFL表面應變的分布和變化情況，從而計算粘結(jié)界面的剪應力分布規(guī)律。為了更準確地反映CFL 表面的應變分布規(guī)律，本實驗在粘貼應變片的基礎(chǔ)上增加了DIC應變測量系統(tǒng)以獲取CFL表面的全場應變，如圖4 所示。DIC 全場應變測量方法是一種通過獲取對象圖像、以數(shù)字形式存儲圖像、并執(zhí)行圖像分析以提取全場變形信息的非接觸式測量方法，具有非接觸、全場測量、抗干擾能力強以及測量精度高等優(yōu)點［18］。在DIC 后處理中通過求得每條分析階段線上所有點的平均應變作為該處的計算應變值，如圖5所示。

圖4 DIC測量系統(tǒng)Fig.4 DIC measuring system

圖5 階段線示意圖Fig.5 Schematic diagram of analysis stage line

實驗的加載與測量裝置如圖6所示。雙剪試件的粘結(jié)界面在遭遇軸向推力時會變得脆弱，甚至破壞，而試驗機兩端的液壓夾在夾持過程中會朝抓取方向產(chǎn)生一定的推力，不僅會使試件移位，還可能破壞間隙處的CFL 和粘結(jié)界面。因此，本實驗設(shè)計了轉(zhuǎn)換接頭，轉(zhuǎn)換接頭的一端為帶有預制凹槽的鋼板，能實現(xiàn)與液壓夾的準確契合，另一端通過插銷與試件的加載端連接，從而很大程度地消除了安裝環(huán)節(jié)對試件的損害以及偏心拉伸對實驗結(jié)果的影響，實驗所需的軸向受拉條件得以滿足。為了保證剝離破壞發(fā)生在下半部分的測量范圍內(nèi)，將上半部分用鋼板和G字夾夾緊。試驗機按位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min，應變儀采集頻率為2 Hz，DIC 測量系統(tǒng)采集頻率為1 Hz。

圖6 實驗的加載與測量裝置Fig.6 Loading device and measuring device for the test

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 界面破壞特征與破壞模式

各試件的膠層厚度、破壞時位移量、極限承載力以及剝離側(cè)均列于表4，破壞特征如圖7所示。A 組試件破壞特征是：界面剝離后，CFL 被撕裂的痕跡明顯，全部膠層附著于CFL 背面，膠面無明顯裂紋，無膠塊脫落，鋼板表面無膠膜殘留；B 組試件的破壞特征是：界面剝離后，CFL 保持完整，大部分膠層附著于CFL 背面，膠面有明顯裂紋，部分膠塊脫落，鋼板表面有膠膜殘留；C 組試件的破壞特征是：界面剝離后，CFL保持完整，全部膠層附著于CFL 背面，膠面無明顯裂紋，無膠塊脫落。根據(jù)每組試件的破壞特征發(fā)現(xiàn)：A、C 兩組試件的破壞模式為鋼板-膠層界面破壞，因此鋼板表面無膠膜殘留且膠層無明顯損傷；B 組試件的破壞模式為膠層內(nèi)聚破壞，因此鋼板表面有膠膜殘留且膠層破壞；A 組試件的CFL 被撕裂，說明其界面剝離時受到的拉扯力比C組大。

圖7 CFL-鋼板界面破壞特征Fig.7 Failure characteristics of CFL-steel plate interface

2.2 荷載-位移曲線

各組試件的荷載-位移曲線如圖8 所示。將荷載與位移的比值稱為試件剛度，表征雙剪試件的整體抗拉能力。A、B、C 三組試件的荷載-位移曲線有明顯差異，根據(jù)曲線的上升趨勢不同，可將其分為三類：

（1）荷載-位移曲線的上升階段表現(xiàn)出先緩后急的趨勢，下降階段為豎直線。曲線前80%段接近直線，試件剛度較其余兩組大且基本不變；曲線后20%段急劇上升，試件剛度持續(xù)增大，增速明顯提高，試件剛度的最大值出現(xiàn)在界面破壞前一瞬間；破壞時荷載和試件剛度立即降為0。

（2）荷載-位移曲線的上升階段表現(xiàn)出先急后緩的趨勢，有明顯的“剛度軟化階段”，下降階段為豎直線。曲線前70%段接近直線，試件剛度基本不變，試件剛度的最大值出現(xiàn)在界面進入剛度軟化階段的前一瞬間；曲線后30%段的上升趨勢變緩，試件剛度迅速下降，某些時刻接近于0，說明該加載階段CFL-鋼板界面發(fā)生損傷，變形特點由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕野l(fā)展迅速；破壞時荷載和試件剛度立即降為0。

（3）荷載-位移曲線的上升階段表現(xiàn)出小幅度S 型，無明顯的剛度強化階段和剛度軟化階段，下降階段為豎直線。在整個加載過程中，試件剛度在小范圍內(nèi)持續(xù)變化；破壞時荷載和試件剛度立即降為0。

比較A、B 兩組試件的荷載-位移曲線可知，膠層厚度分別為0.1 mm和0.5 mm時，試件的極限承載力無顯著差距，Q345B-膠層界面的承載能力與CFL-Q345 界面的承載能力相當。膠層厚度為0.1 mm 時，膠層的抗剪性能強于鋼板-膠層界面，試件破壞前膠層與鋼板的粘結(jié)力到達極限，因此發(fā)生鋼板-膠層界面剝離破壞。膠層厚度為0.5 mm時，膠層的抗剪性能弱于鋼板-膠層界面，試件破壞前膠層的抗剪性能達到極限，因此發(fā)生膠層內(nèi)聚破壞。雖然兩者的極限承載力相當，但各自曲線的上升趨勢卻迥然不同：A組曲線的上升趨勢是先緩后急，試件破壞時加載端的位移量小于0.2 mm，而B 組曲線的上升趨勢先急后緩，試件破壞時加載端的位移量大于2.7 mm。主要有兩個方面的原因：（1） 在加載過程中，B 組試件的加載位移量來自膠層的剪切變形和鋼板-膠層界面的滑移，而A 組試件的加載位移量幾乎僅來自于鋼板-膠層界面的滑移；（2） 當界面的剪應力達到近端界面的剪切強度時，膠層會進入剛度軟化階段，塑性變形迅速發(fā)展，而鋼板-膠層界面沒有剛度軟化階段。

比較圖8中A、C兩組試件的荷載-位移曲線可知，A組試件的極限承載力約為C組試件的1.7倍，說明鋼板材質(zhì)對極限承載力的影響顯著，主要體現(xiàn)為鋼板與粘結(jié)劑之間粘結(jié)力的強弱，粘結(jié)劑與Q345B 鋼板的粘結(jié)力要大于其與X100 鋼板的粘結(jié)力。A 組曲線存在明顯的“剛度強化階段”，而C組曲線的斜率僅出現(xiàn)小范圍波動，且試件破壞時加載端的位移量大得多。這說明： CFL-Q345B 界面與CFL-X100界面的粘結(jié)性能有很大差異；在加載過程中X100-膠界面產(chǎn)生的滑移遠大于Q345B-膠界面。

圖8 荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves

2.3 界面剪應力分布

通過CFL表面連續(xù)布置的應變片和DIC測量系統(tǒng)采集CFL 的表面應變，可由以下差分方程得到測點i與測點i- 1中間的界面剪應力

式中εi為CFL 測點i處的應變，Δεi為測點i- 1 與i之間的應變差值；li為測點i距離近端的距離，Δli為測點i- 1 與i之間的距離；Ec、tc分別為CFL 的彈性模量和厚度。

在加載過程中，各處粘結(jié)界面的剪應力可由式（1）計算得出，界面剪應力分布情況如圖9 所示（x軸原點見圖3）。在加載過程中（界面未出現(xiàn)損傷），近端的界面剪應力始終保持最大，隨著與原點間距離的增加，界面剪應力不斷減小，分布曲線總體呈現(xiàn)出先急后緩的下降趨勢，形狀與內(nèi)凹型曲線相似；當?shù)竭_有效粘貼長度的臨界位置時，界面剪應力減小為0；而在有效粘貼長度范圍外的區(qū)域，界面剪應力有小幅度增加，直至在遠端處減小為0。將近端界面開始起裂時所對應的荷載定義為起始損傷荷載，分析各試件的界面剪應力分布：

圖9 CFL-鋼板雙剪試件加載過程中界面剪應力分布Fig.9 Shear stress distribution of interface for CFL-steel double shear specimens

（1） 由圖9（a）可知，當荷載增加至32 kN 時，5 mm 處的界面剪應力開始減小，說明此處界面開始出現(xiàn)損傷，剪應力為29.2 MPa。荷載從0增大到30 kN 的過程中，界面剪應力分布曲線符合一般規(guī)律；但當荷載增加至32 kN 后，隨著荷載的持續(xù)增加，界面剪應力出現(xiàn)減小-增加-減小的現(xiàn)象。原因是當荷載增加至32 kN 以上時，近端的粘結(jié)界面出現(xiàn)了局部損傷，使得在不同荷載下25 mm、35 mm 和45 mm 處的界面剪應力有不同程度的提高，即出現(xiàn)應力畸變現(xiàn)象。

（2） 由圖9（b）可知，隨著荷載的增加，15 mm 處的界面剪應力由正值急劇減小為負值，表明20 mm處應變片對應的界面出現(xiàn)了局部損傷，應變值劇增，導致15 mm和25 mm處的界面剪應力不準確，因此起始損傷荷載和應力畸變現(xiàn)象無法直接在剪應力分布圖中得以體現(xiàn)。

（3） 由圖9（c）可知，隨著荷載的增加，5 mm處的界面剪應力由正值急劇減小為負值，表明10 mm 處應變片對應的界面出現(xiàn)了局部損傷，應變值劇增，導致5 mm 和15 mm 處的界面剪應力不準確，因此起始損傷荷載和應力畸變現(xiàn)象無法直接在剪應力分布圖中得以體現(xiàn)。。

（4） 由圖9(d)可知，當荷載達到36 kN 時，5 mm 處的界面剪應力開始減小，說明此處界面開始損傷，剪應力為15.5 MPa。當荷載達到40 kN時，35 mm處的界面出現(xiàn)了較弱的應力畸變。

（5） 由圖9（e）可知，當荷載達到20 kN 時，5 mm 處的界面剪應力開始減小，說明此處界面開始損傷，剪應力為12.9 MPa。當荷載大于20 kN時，35 mm、45 mm處的界面出現(xiàn)應力畸變。

（6） 由圖9(f)可知，由于20 mm 處應變片對應的界面出現(xiàn)了局部損傷，應變片讀數(shù)偏大，導致15 mm和25 mm處的界面剪應力不準確，因此起始損傷荷載和應力畸變現(xiàn)象無法直接在剪應力分布圖中得以體現(xiàn)。

通過以上分析可知，相比粘貼應變片，采用DIC 系統(tǒng)獲得的界面剪應力分布圖能夠更加全面、直觀地反映粘結(jié)界面的損傷-破壞全過程，避免了應變片采集數(shù)據(jù)時可能帶來的誤差；同時，起始損傷荷載和應力畸變現(xiàn)象亦表明小范圍的局部損傷不會影響荷載在界面中的有效傳遞。主要原因是：應變片粘貼于單點，荷載作用下粘結(jié)界面易在近端附近出現(xiàn)局部損傷，使應變片的讀數(shù)劇增，導致測量的界面剪應力值存在較大誤差；而DIC測量系統(tǒng)可以獲取加載過程中散斑區(qū)域的全場應變，12 個位置的計算應變值可通過后處理取階段線上所有點的平均應變值，從而使差分插值法計算得到的界面剪應力值更加準確。

比較A、B 兩組試件的界面剪應力分布圖可知，A 組試件的最大界面剪應力約為B 組試件的2倍，該結(jié)論與李景傳等的實驗結(jié)論［20］相吻合，說明0.1 mm 厚度的膠層會受到CFL 的約束作用，近端界面的剪切強度大幅度提高；比較A、C 兩組試件的界面剪應力分布圖可知，鋼板材質(zhì)顯著影響近端界面的剪切強度，近端處Q345B-膠層界面的剪切強度遠大于X100-膠層界面。

2.4 有效粘貼長度與平均粘結(jié)強度

CFRP 與鋼板的臨界粘貼長度稱為有效粘貼長度，當實際粘貼長度小于有效粘貼長度時，粘結(jié)界面的極限承載力隨粘貼長度的增大而提高，當實際粘貼長度大于有效粘貼長度時，粘結(jié)界面的極限承載力則不再提高，臨界處的界面剪應力恰好為0。在有效粘貼長度內(nèi)，CFRP 與鋼板之間界面的平均剪應力稱為平均粘貼強度，為

式中Pmax為極限承載力，bp為CFL 寬度，Le為有效粘貼長度。

取圖9（a）、9（d）、9（e）中最大界面剪應力所對應的剪應力分布曲線作為判斷有效長度的標準，各試件中CFL 與鋼板的有效粘貼長度和平均粘結(jié)強度分別如表5所示?？梢钥闯觯行д迟N長度同時受膠層厚度和鋼板材質(zhì)的影響；平均粘結(jié)強度受膠層厚度的影響較小，受鋼板材質(zhì)的影響較大。

表5 CFL-鋼試件的有效粘貼長度和平均粘結(jié)強度Table 5 Effective bonding length and average bonding strength of CFL-steel specimens

3 結(jié) 論

本文基于雙剪實驗對CFRP-鋼界面的粘結(jié)性能進行了研究，分析了CFRP-鋼界面的破壞特征和力學行為，討論了膠層厚度與鋼板材質(zhì)對界面剪切性能的影響，主要結(jié)論有：

（1）膠層厚度為0.1 mm 時，粘結(jié)界面的破壞模式為鋼板-膠層界面破壞；鋼板材質(zhì)顯著影響粘結(jié)界面的極限承載力，粘結(jié)劑與Q345B 鋼板的粘結(jié)力優(yōu)于其與X100鋼板的粘結(jié)力。

（2）借助DIC系統(tǒng)，粘結(jié)界面的力學行為通過界面剪應力分布圖得以更加全面、直觀地展現(xiàn)；從近端到遠端，界面剪應力分布基本上呈現(xiàn)先急后緩的下降趨勢，與內(nèi)凹型曲線相似，且小范圍的局部損傷并不影響界面進行有效的荷載傳遞。

（3）粘結(jié)界面的最大剪應力同時受膠層厚度和鋼板材質(zhì)的影響，SJ-0.1 試件的最大界面剪應力是SJ-0.5 試件的2 倍，SJ-0.1 試件的界面最大剪應力是SJH-0.1 試件的2.3 倍；有效粘貼長度和平均粘結(jié)強度同時受膠層厚度和鋼板材質(zhì)的影響。