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        濕熱對(duì)膠黏劑及CFRP-鋼接頭力學(xué)性能的影響

        2022-07-29 02:35:34李傳習(xí)劉一鳴李游鄢亦斌
        交通科學(xué)與工程 2022年2期
        關(guān)鍵詞:界面

        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),疲勞開裂已成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的常見病害之一[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)稱為CFRP)粘貼到疲勞開裂處進(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。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,采用切線法;基于損耗因子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,t變化曲線,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,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(分段線位置如圖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

        損耗因子曲線的峰高和形狀出現(xiàn)了不同的變化。在20℃水浴浸泡后,曲線峰高較對(duì)照值下降較小,形狀也與對(duì)照試件的曲線類似。而在溫度為55℃與70℃水浴浸泡后,隨著時(shí)間的增加,曲線的峰值迅速降低,曲線在浸泡1 個(gè)月后趨于平穩(wěn),曲線形狀出現(xiàn)了雙峰。曲線雙峰出現(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-位移曲線由非線性變?yōu)榫€性,延性下降較大。

        圖11 CFRP-鋼接頭荷載位移曲線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-位移曲線由非線性變?yōu)榫€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。

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