温度变化对CFRP与钢板粘结特性的影响

摘要

近年来，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在现有钢筋混凝土结构加固中的应用得到了广泛的关注，但CFRP对金属建筑和桥梁的加固仍处于早期阶段。在现实生活中，这些结构可能受到干燥和炎热的气候。因此，有必要了解CFRP与钢在不同温度下的粘结性能。为了检测高温气候下CFRP与钢之间的粘结，本文在27°C至120°C的恒定温度下测试了共21个双条带连接，共分为7组。结果表明:当温度超过玻璃化转变温度()的粘合剂。当温度接近或超过时，承载能力显著下降．界面断裂能呈现出相似的退化趋势。提出了cfrp -钢界面在高温下的极限承载力、界面断裂能和粘结滑移关系的解析模型。

1.介绍

碳纤维增强聚合物(CFRP)由于其良好的力学性能，包括高强度、轻质量、耐腐蚀和可成型性，已广泛应用于土木工程中的建筑物和桥梁等劣化结构的修复或加固[1- - - - - -3.]．混凝土结构尤其如此。然而，使用碳纤维增强塑料加固或改装金属建筑物和桥梁仍处于早期阶段[4- - - - - -6]．

在钢结构修复中，采用环氧胶粘剂将碳纤维布粘接在钢表面。负载通过环氧胶粘剂转移到CFRP材料上。cfrp加固钢结构的性能取决于界面粘结的有效性。因此，有必要通过对简单的cfrp -钢结合接头进行试验研究，研究cfrp -钢界面的结合性能。据此，在环境温度下进行的一些研究表明，粘结层是复合材料体系中的薄弱环节，CFRP与钢基体的脱粘是主要失效模式之一[7- - - - - -12]．

在一些温度可能超过50°C或更高的地区，环氧胶粘剂的机械性能可能会大幅下降通常在55 - 120°C范围内[13]．超出了值时，胶粘剂从玻璃态转变为橡胶态，同时有效转移应力的能力下降[14- - - - - -16]．因此，cfrp加固钢结构在高温下的力学性能主要取决于热固性胶粘剂的力学性能。为了研究cfrp -钢系统在高温暴露下的粘结行为，近年来一些研究人员进行了相关的研究。Nguyen等人[17]研究了普通模量CFRP与钢板在玻璃化转变温度()的粘合剂。提出并验证了一种基于机制的描述高温下有效粘结长度、强度和接头刚度的模型。al - shawaf等人[18]研究了三种不同环氧树脂在20℃~ 60℃温度下高模量cfrp -钢结合接头的粘结特性。温度接近或高于，由于胶粘剂的软化和性能退化增加，破坏模式主要为脱粘破坏，接缝极限荷载显著降低，沿CFRP表面的应变水平几乎完全下降。但除此之外，关于CFRP与钢在高温下的粘结行为的研究还很缺乏，为了更好地了解CFRP与钢在高温下的界面性能，还需要进一步的研究。

本文介绍了在27°C至120°C的温度范围内进行的一系列cfrp -钢双带接头拉伸试验的结果。对比了不同温度下试件的破坏模式和节点极限承载力。结合乔杜里模型[14和哈特史密斯模式[19]，建立了cfrp钢节点极限承载力分析模型。此外，在文献的基础上提出了一个模型[9，20.，21来表征cfrp -钢节点在高温下的温度依赖性。

2.实验程序

2．1．试样

共21个双带接头分为7组进行试验。对于每个特定的温度准备了三个相同的样品。对于每个复合接头，温度是整个实验过程中唯一改变的变量(即:， 40, 50, 60, 80, 100, 120°C)。所有双条带粘结试样均以S-T的形式命名．例如，在50°C (T50)下测试了CFRP复合材料增强的S-T50试件。

2．2.制备的标本

数字1显示了本研究中研究的CFRP-钢双带接头的示意图，包括钢基体、CFRP复合材料和粘结层。对于每个试件，两张碳纤维布与3mm厚的钢表面对称粘接，长度为150mm。在试样制备过程中，将钢板表面用砂轮均匀地磨粗，并用丙酮清洗，去除油脂、油污和铁锈，以保证复合体系与钢的良好结合。首先在30毫米宽处切割两块碳纤维布，使其完全浸透。将钢板放置到位，在钢板表面涂上胶粘剂后，将环氧粘结的碳纤维布贴合到需要的区域，在胶粘剂上滚动，直至形成均匀的粘结层。所有标本在实验室环境温度下腌制一周。

2．3.材料特性

钢板的力学性能是根据ISO 6892-1 [22]．CFRP片材为单向材料，其性能根据ASTM D3039获得[23]．一种玻璃化转变温度为()为50°C，适用于所有试样。饱和树脂(A部分)和固化剂(B部分)按重量四比一的比例混合。两种粘接剂和胶粘剂的材料性能总结见表1．

２.４.测试设置和仪器

对对照试样，在粘贴区粘贴8个间距为20 mm的应变片，在未粘贴区粘贴1个应变片记录拉伸载荷。对于高温下的试样，由于胶水和应变片对热的敏感性，用粘接应变片进行应变测量比较困难。然而，从应变读数计算出的位移值与其他人报告的LVDT读数基本一致[10]．因此，两块l型铜板的热膨胀系数较低(1.65 × 10)⁻⁵/°C)，对称连接，用于测量加载端位移。设计了一种用于高温试验的线圈加热装置。样品在设备中预热至目标温度20分钟，并在整个测试过程中保持在内部。应变片与l形铜板的布置如图所示2．在位移控制(0.5 mm/min)下，使用万能液压试验机(容量为100 kN)对所有试件分别进行直接拉伸至破坏的测试。测试设置的示意图如图所示3.．

3.实验结果

3．1.失效模式

可以观察到两种主要的失效模式，并将其描述为失效模式I和模式II。I型失效是指钢基体与胶粘剂之间的脱粘。II型破坏是碳纤维布与胶粘剂之间的脱粘。表中总结了各试件的破坏模式2如图所示的失效试样的选择性图像4．在27°C和50°C之间测试的试样代表了I型破坏。脱粘从受载端开始，沿钢表面向自由端扩散。结果表明，在温度低于，所使用的胶粘剂易碎，呈玻璃状，具有微裂倾向、缺陷和缺陷。这将削弱界面粘结层，导致钢与粘结剂之间的脱粘失效[18]．当加热到测试温度60 - 120°C时，失效为II型失效特征，钢板上留有少量岛状粘着剂。此外，随着温度的升高，残留的环氧树脂会附着在钢板表面。在以前的研究中也观察到类似的失效模式[9，18，24]．钢板上残留的环氧树脂表明CFRP片材与粘合剂粘结不良。钢板和CFRP纤维在120°C(本研究的最高温度)以上的温度下仍能保持强度。这种失效转移被认为是由粘接层的温度依赖性所主导的，而不是被粘接者。结果表明，CFRP复合材料中，粘接层的降解速度比树脂基体的降解速度快。由于胶粘剂和树脂基体是由相同的环氧聚合物制成，这种不同的降解率可能是由于CFRP纤维与树脂的复合作用以及胶粘剂层与树脂基体的应力水平不同[17]．

3．2.此行为

数字5显示了所有试件的荷载-位移曲线。控制试样的位移值是从应变片的读数计算出来的，而高温试样的位移值是从LVDT读数得到的。所有的曲线在初始加载，随后是一个软化阶段，并以一个漫长的平台期结束，直到最终的破坏。从图中可以明显看出5试样的初始刚度随温度的升高而降低。这种退化在温度更高时表现得更为明显的粘合剂。

粘结强度是指碳纤维布与钢基体粘结之前所能承受的极限荷载。表中列出了所有试件的粘结强度2为各级数的平均值。在27 ~ 50℃范围内，随着温度的升高，粘结强度逐渐降低。S-T40 (10.000 kN)和S-T50 (8.950 kN)的平均强度分别比S-T27 (10.614 kN)低5.79%和15.68%。当温度超过(50°C)，极限荷载显著降低。试件S-T120 (0.360 kN)下降最剧烈，试件在27℃(10.614 kN)时，残余接头强度仅为初始强度的3.39%。这意味着碳纤维布与钢板之间几乎没有粘结强度。这与其他人报告的结果一致[25]．内部压力中创建接口由于挥发或分解的胶量减少,加上差异引起的热应力的线性热膨胀系数的胶粘剂和被粘物,将增加胶内的孔隙度和缺陷,反过来,对粘接能力有不利影响。

4.测试结果分析

4．1.键的强度预测

基于本节提到的失效模式3．1时，复合材料接头在室温下的结合强度可由Hart Smith模型预测[19]，该方法是基于双带接头的粘接破坏而开发的。因为在本研究中，双带节点的极限荷载为 在这 在哪里为键长因子;为CFRP复合材料的宽度;，，，,分别为胶粘剂的剪切强度、厚度、弹性剪切应变、塑性剪切应变、剪切模量;，和，分别为CFRP和钢粘接体的弹性模量和厚度;和为键长和有效键长。

另一方面，试件在高温下的极限载荷可以通过Chowdhury模型计算[14，它是由 在哪里试件的极限载荷是在特定温度下吗；为在室温下的极限荷载(1)；为剩余承载能力;是一个常数;是观察到下降50%时的温度。参数值，,通过回归分析得到的分别为0.422、0.048、68.806。

所有预测极限荷载列于表中2．值得注意的是被认为是在(1)，因为这一假设在以前的研究中提供了更好的粘结强度预测[11]．如图所示，预测数据与试验数据吻合良好6可以归结为……的关系3.)是完全经验主义的。

4．2．界面断裂能的讨论

cfrp -混凝土节点建立良好的节点粘结强度同样适用于cfrp -钢节点，这与Xia和Teng的研究结果一致[9]．双搭接剪切试验可视为同时进行的两个单搭接剪切试验，因此双搭接节点的极限荷载为 考虑热暴露的影响，可以计算试样在高温下的界面断裂能 温度升高的影响是降低环氧浸渍CFRP复合材料的力学性能，特别是当温度超过玻璃透温时，．根据Bisby的退化模型[20.，则CFRP的随温度变化的弹性模量可由下式计算: 在哪里CFRP复合材料在特定温度下的拉伸模量是多少；为室温模量;，,为拉伸模量的残值，表征中心温度的常数和性能随温度退化的严重程度，经回归分析分别为0.869、0.106、52.207。

数字7描述了标准化界面断裂能()随归一化温度(）.界面断裂能略有降低观察之前接近时，而当温度超过时，则迅速下降的粘合剂。这种下降主要是由于胶层的机械退化。根据回归分析，界面断裂能随温度变化可表示为 在哪里为环境温度下的界面断裂能及各参数的回归值，,分别为0、2.762、1.257。

4．3．剪切Stress-Slip模式

粘接接头的界面剪切行为通常表现为局部剪应力与粘接端间相对滑移的关系。在双带连接试验中，试件之间的粘结应力-1型应变计及th应变仪，，根据内力平衡可得: 在哪里和在相邻的应变片位置测量CFRP片中的应变和它们之间有一段距离．

假设CFRP片材自由端没有相对滑移，则相对滑移，在量规位置，表示为 在哪里为CFRP片材自由端应变;张力是附在碳纤维布上的量规;为CFRP片材受载端应变。使用(8)和(9)时，可以得到cfrp -钢界面的局部粘结滑移关系。

对于无应变片的高温试样，根据CFRP在加载端应变与滑移的关系可以得到粘结滑移曲线。根据文献[9，10，12，21，26- - - - - -28]时，cfrp -钢粘接节点的粘结滑移曲线与cfrp -混凝土粘接节点相似;两者都有双线性形状。剪切应力的变化规律是相同的。在低荷载时，界面处于弹性阶段，在加载端或非常接近加载端处剪应力最大，向自由端逐渐减小。随着荷载的增加，部分界面进入软化阶段，加载端剪应力在接近最大值后减小。当加载端剪应力降至零时，试件的极限荷载达到并基本保持不变;随着峰值剪应力逐渐向自由端移动，脱粘开始并沿界面向自由端扩展。另一方面，本研究中由cfrp -钢结合节点的荷载-滑移关系得出的受荷端应变-滑移曲线与cfrp -混凝土结合节点的应变-滑移曲线相似。因此，在已有解析模型的基础上，提出了本截面CFRP应变与界面滑移关系近似的指数项表达式[21]： 在哪里和是回归参数。

数字8显示回归曲线与实验观察关系的比较。我们发现所有的高温下预测的曲线与实验关系吻合得很好。

另一方面，作用在碳纤维布上的力平衡方程为 在哪里和分别为CFRP片材的轴向应力和任意位置黏附层的剪应力。结合(10)和(11)，而忽略钢板屈服的应变，则曲线: 因为 的Relationship可以被改写为 因此，剪切应力作为相对滑移的函数可以用计算(7)和回归参数．

数字9表示标准化最大剪应力()和相应的归一化滑移随归一化温度而变化(/）.温度升高的影响更容易描述，典型地表现为最大剪应力的减少与较大的相对界面滑移。最大粘结应力随界面断裂能的降低而降低，而滑移量的增加则意味着界面刚度的降低，因为粘结剂的软化。

5.结论

给出了21个双带节点高温下的试验结果。结果表明，cfrp与钢的界面明显减弱，热暴露影响了界面的退化。在本研究范围内得出以下结论:（1)高温暴露对试样的破坏模式有影响。它很可能从沿钢粘接失效的脱粘转变为沿cfrp粘接失效的脱粘。破坏模式的变化主要是胶粘剂的降解和体积减小。（2)热暴露会降低试件的初始刚度和极限载荷，尤其是在高温下的粘合剂。(3）在Hart Smith模型和Chowdhury模型的基础上建立了极限承载力预测模型。（4）在以下温度下，界面断裂能略有下降，但当温度超过时就会急剧上升．提出了界面断裂能的退化模型。（5）通过实验数据校正的回归参数，提出了与热暴露效应近似的粘结滑移关系。在较高的温度下，cfrp -钢界面的最大粘结应力在较大的滑移处减小。

相互竞争的利益

两位作者宣称没有相互竞争的利益。

致谢

本文报告的试验是由国家自然科学基金(51578428)资助的。感谢武汉大学土木工程技术人员在整个测试过程中给予的帮助。

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