戴辰陽

摘要：為了全面了解影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼的界面粘接性能的因素，現(xiàn)使用非線性膠粘劑（Tc）和線性膠粘劑（T1），確保碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼兩者之間的粘接效果。同時，研究影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼的界面粘接性能的因素。結(jié)果表明，當(dāng)膠粘劑厚度不斷增加時，Tc 膠粘劑試件界面所對應(yīng)的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，該界面破壞模式先轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式，然后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板斷裂耦合層間剪切破壞模式。在膠粘劑厚度不斷增加下， T1膠粘劑試件界面所對應(yīng)的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，該界面破壞模式始終保持碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板鋼件；界面；粘接效果；性能；破壞模式

中圖分類號：TU765；TQ437+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0036-04

Study on the bonding properties and influencing factors of carbon fiber reinforced composite panelsand steel for construction

DAI Chenyang

（China Railway 11th Bureau Group Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China）

Abstract： In order to fully understand the factors affecting the interface bonding performance of carbon fiber rein- forced composite panels and steel，Tcnonlinear adhesives and T1 linear adhesives are now used to ensure the bond- ing effect between carbon fiber reinforced composite panels and steel. At the sametime，the factors affecting the in- terface bonding properties of carbon fiber reinforced composite panels and steel are also studied. The results show that when the thickness of the adhesive increases continuously，the average value of the bearing capacity corre- sponding to the interface of the Tcadhesive specimen shows a rising trend. At first it is changed into the interlami- nar shear failure mode of the carbon fiber reinforced composite panel，then into the adhesive coupling interlaminar shear failure mode，and finally into the fracture coupled interlaminar shear failure mode of the carbon fiber rein- forced composite panel. With the continuous increase of the adhesive thickness，the average bearing capacity of the T1 adhesive specimen interface corresponding to the value shows a decreasing trend，and the interface failure modealways maintains the interlaminar shear failure mode of carbon fiber reinforced composite plates.

Keywords： carbon fiber reinforced composite panel；interface；bonding effect；properties；failure mode

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板憑借著自身比強(qiáng)度高、比鋼性高等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于航空、建筑等領(lǐng)域中[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼粘接結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以有效地解決傳統(tǒng)建筑加固模式存在的不足問題，如連接損傷、施工困難等問題，但是，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼兩者之間的粘接成為決定碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼粘接結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素，因此，為了確保兩者粘接的穩(wěn)固性，加強(qiáng)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼界面粘接性能的研究顯得尤為重要[2]。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)主要用到的原料：（1）方形鋼管。該鋼管的厚度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為5 mm、275 MPa、405 MPa、41%[3]。（2）拉擠型碳纖維復(fù)合板。該復(fù)合板的寬度、厚度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為25 mm、1.5 mm、1650 MPa、0.96%。（3）非線性膠粘劑（Tc）。（4）線性膠粘劑（T1）。膠粘劑的型號和力學(xué)性能如表1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器為萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)主要是由工業(yè)系統(tǒng)有限公司生成的[4]。

1.3 試驗(yàn)制備

使用砂紙，對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼進(jìn)行打磨處理，并分別使用0.5、1.0和1.5 mm厚度的Tc 膠粘劑和T1膠粘劑粘接處理碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼。同時，為各個單面剪切試件進(jìn)行一一編號，如Tc-1.0-1代表 Tc 的膠粘劑的厚度為1.0，其試件編號為1；當(dāng)粘接操作結(jié)束后，需要將其放置于常溫環(huán)境下[2]，對其進(jìn)行固化處理[5]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼加載裝置如圖1所示，該裝置的加載速率和數(shù)據(jù)采樣頻率分別為0.2 mm/min、2 Hz。

1.4測定或表征

嚴(yán)格按照所設(shè)置好的GB/T 7124—2008標(biāo)準(zhǔn)，對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼的拉伸剪切強(qiáng)度進(jìn)行精確化測定[6]。

2 結(jié)果及討論

2.1剪切性能

對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼而言，所獲得的單面剪切性能測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)膠粘劑厚度從原來的0.5 mm上升至1.5 mm時，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼界面所對應(yīng)的承載力平均值不斷上升[7]。當(dāng)膠粘劑厚度上升至0.5 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到54.12 kN；當(dāng)膠粘劑厚度上升至1.0 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到67.47 kN；當(dāng)膠粘劑厚度上升至1.5 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到69.59 kN。該界面破壞模式先轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式，然后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板斷裂耦合層間剪切破壞模式[8]。對于T1膠粘劑試件而言，當(dāng)膠粘劑厚度不斷上升時，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼界面所對應(yīng)的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，當(dāng)膠粘劑厚度上升至0.5 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到48.87 kN；當(dāng)膠粘劑厚度上升至1.0 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到48.75 kN；當(dāng)膠粘劑厚度上升至1.5 mm時，其界面承載力平均值達(dá)到45.18 kN。其界面破壞模式始終保持碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式。這一規(guī)律的研究，為后期全面地了解和把握該界面的粘接性能提供重要的數(shù)據(jù)支撐[9]。

本次試驗(yàn)，所獲得的荷載-位移曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，Tc試件荷載隨著位移的不斷上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，當(dāng)位移條件相同，在膠粘劑厚度不斷增加時，其荷載會不斷下降[10]。對于T1試件而言，其荷載隨著位移的不斷上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢；當(dāng)位移條件相同時，在不同膠粘劑厚度下，所對應(yīng)的荷載值幾乎完全一致。與T1試件相比，Tc 試件具有較高的延性，這是由于該試件具有彈性模量小、塑性變形承受能力強(qiáng)等特點(diǎn)有關(guān)[11]。

2.2 粘接-滑移關(guān)系

Tc膠粘劑試件的粘接-滑移關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，在膠粘劑厚度為1.0 mm時，與加載端距離為30、50和70 mm的剪應(yīng)力-相對滑移曲線也表現(xiàn)出不同的變化趨勢[12]。此時，如果繼續(xù)增加膠粘劑厚度，當(dāng)膠粘劑厚度達(dá)到1.5 mm時，所對應(yīng)的距離加載端為12.5、30和50 mm的剪應(yīng)力-相對滑移曲線與0.5 mm膠粘劑厚度相比，出現(xiàn)明顯的差異。理想粘接-滑移關(guān)系曲線如圖3（d）所示，其變化階段主要包含彈性階段、彈塑性階段、軟化階段和脫粘階段[13]。經(jīng)過全面對比分析可知，當(dāng)膠粘劑厚度不同時，其Tc試件界面所對應(yīng)的最大剪應(yīng)力幾乎相同；同時，膠粘劑厚度的變化，會對曲線的滑移量產(chǎn)生顯著的影響。

T1膠粘劑試件的粘接-滑移關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，在膠粘劑厚度為1.0 mm時，與加載端距離為12.5、30、50 mm的剪應(yīng)力-相對滑移曲線也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。此時，如果繼續(xù)增加膠粘劑厚度，當(dāng)膠粘劑厚度達(dá)到1.5 mm時，所對應(yīng)的距離加載端為12.5、30和50 mm的剪應(yīng)力-相對滑移曲線與0.5 mm膠粘劑厚度相比，出現(xiàn)明顯的差異[14]。理想粘接-滑移關(guān)系曲線如圖4（d）所示，其變化階段主要包含彈性階段、軟化階段和脫粘階段。另外，經(jīng)過全面分析對比發(fā)現(xiàn)，T1膠粘劑試件主要包含以下2種變化趨勢：（1）當(dāng)位移不斷上升時，其界面剪應(yīng)力不斷上升；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最大值時，即可進(jìn)入到彈性階段。（2）當(dāng)界面剪應(yīng)力不斷減小時，一旦其荷載出現(xiàn)上升現(xiàn)象，其剪應(yīng)力會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，并出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象[15]。對于Tc 膠粘劑試件而言，主要包含上升階段、平緩階段、下降階段；對于T1膠粘劑試件而言，主要包含上升階段和下降階段。

2.3 粘接界面強(qiáng)度

對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼而言，其界面斷裂能能夠真實(shí)、有效地反映出預(yù)測界面粘接強(qiáng)度，通過利用粘接-滑移曲線所獲得的界面斷裂能，借助界面極限承載力計(jì)算公式[16]。對不同膠粘劑厚度的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼的極限承載力進(jìn)行精確化計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)極限承載力預(yù)測值與實(shí)測值的比值平均值達(dá)到0.93時，其預(yù)測結(jié)果可以表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性[17-18]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板與鋼的極限承載力預(yù)測值與試驗(yàn)值的關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，結(jié)合線性擬合情況[19]，預(yù)測值與試驗(yàn)值之間的關(guān)系算式為y=0.93x，其中y 代表預(yù)測值；x代表試驗(yàn)值。根據(jù)表3所示的測試結(jié)果，通過全面地觀察和了解界面斷裂能，可以精確地預(yù)測所對應(yīng)的界面粘接強(qiáng)度[20]。

3結(jié)語

（1）當(dāng)膠粘劑厚度不斷增加時，Tc 膠粘劑試件界面所對應(yīng)的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，該界面破壞模式先轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式；然后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粘劑耦合層間剪切破壞模式，最后轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合板斷裂耦合層間剪切破壞模式。在膠粘劑厚度不斷增加時，T1膠粘劑試件界面所對應(yīng)的承載力平均值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，該界面破壞模式始終保持碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞模式；

（2）Tc膠粘劑試件呈現(xiàn)出先增加，后平穩(wěn)，再下降的趨勢；而T1膠粘劑呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 余周輝，胡芳友，崔愛永，等. FRP加固金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].裝備環(huán)境工程，2018，15（2）：24-31.

[2] 柯美智.粘鋼和碳纖維布技術(shù)在閘墩補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2014，45（12）：25-29.

[3]MA HAIYAN，YU HONGFA，SUN WEi. Freezing-thawingdurability and itsimprovement of high strength shrinkagecompensationconcretewithhighvolumemineraladmix- tures[J]. Construction & Building Materials，2013，39（2）：124-128.

[4] 彭福明，才鵬，張寧，等. CFRP 與鋼材的粘接性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2009，39（6）：112-116.

[5]KOH K T，RYU G S，LEE J H. Effect of curing method onthe strength development and freezing-thawing durabili- tyof the concrete incorporating high volume blast-furnac- eslag subjected to initial frost damage[J]. Advanced Materi- als Research，2012，26（14）：21-22.

[6]PENG YANZHOU，YANG WEN，ZHU QIAOSHENG. Ef- fect of heat-curingprocedure on strength and microstruc- tureofreactivepowderconcretehavinghighvolumeofmineraladmixtures[J]. AppliedMechanics & Materials，2012（10）：3989-3993.

[7]YANG J Q ，SMITH S T ，F(xiàn)ENG P. Effect of FRP-to-steel- bonded joint configuration on interfacial stresses：Finiteel- ement investigation[J]. Thin Walled Structures，2013（62）：215-228.

[8] 齊愛華，張振華.碳纖維布（CFRP）與鋼結(jié)構(gòu)粘接性能的試驗(yàn)研究[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2009（3）：9-12.

[9] 楊勇新，馬明山.碳纖維布與鋼材粘接性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（5）：31-33.

[10] 梅迎軍.纖維聚合物水泥砂漿與基體界面粘接性能研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（4）：125-129.

[11] 李春良，王旭，張東淼. CFRP加固鋼板拉伸試件端部錨固后的數(shù)值模擬[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31（5）：5-7.

[12] 王金宇，游珠杰，辛泰阿，等.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板鉆削工藝的有限元建模研究[J].現(xiàn)代制造工程，2021（9）：68-76.

[13] 申川川.纖維增強(qiáng)復(fù)合板缺陷響應(yīng)特征及其在光-力學(xué)檢測中的應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2021.

[14] 張邱平.三維中空機(jī)織物環(huán)氧樹脂增強(qiáng)復(fù)合板的制作與性能[J].合成纖維，2021，50（4）：46-49.

[15] 屈濤.體育器械用復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能研究[J].化學(xué)與粘合，2021，43（2）：124-128.

[16] 應(yīng)仲謀，劉曉穎.變間距連續(xù)纖維分布增強(qiáng)復(fù)合板的纖維分布設(shè)計(jì)[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，28（6）：85-89.

[17] 毛穎，朱會榮.建筑用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼的界面粘接性能研究[J].中國膠粘劑，2020，29（10）：10-14.

[18] 羅東暉，黃友欽，楊振寶.功能梯度石墨烯增強(qiáng)復(fù)合板的自由振動分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（26）：10674-10682.

[19] 劉宏業(yè)，劉申，呂炎，等.纖維增強(qiáng)復(fù)合板中聲彈Lamb波的波結(jié)構(gòu)分析[J].工程力學(xué)，2020，37（8）：221-229.

[20] 項(xiàng)大林，謝志豐，郭振，等.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板在水中沖擊載荷下的響應(yīng)與破壞研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2019，40（6）：177-180.