戴辰阳
摘要：为了全面了解影响碳纤维增强复合板与钢的界面粘接性能的因素，现使用非线性胶粘剂（Tc）和线性胶粘剂（T1），确保碳纤维增强复合板与钢两者之间的粘接效果。同时，研究影响碳纤维增强复合板与钢的界面粘接性能的因素。结果表明，当胶粘剂厚度不断增加时，Tc 胶粘剂试件界面所对应的承载力平均值呈现出不断上升的趋势，该界面破坏模式先转变为碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式，然后转变为胶粘剂耦合层间剪切破坏模式，最后转变为碳纤维增强复合板断裂耦合层间剪切破坏模式。在胶粘剂厚度不断增加下， T1胶粘剂试件界面所对应的承载力平均值呈现出不断下降的趋势，该界面破坏模式始终保持碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式。
关键词：碳纤维增强复合板钢件；
界面；
粘接效果；
性能；
破坏模式
中图分类号：TU765；
TQ437+.1文献标志码：A文章编号：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
碳纤维增强复合板凭借着自身比强度高、比钢性高等优势，被广泛地应用于航空、建筑等领域中[1]。碳纤维增强复合板与钢粘接结构的出现和应用，可以有效地解决传统建筑加固模式存在的不足问题，如连接损伤、施工困难等问题，但是，碳纤维增强复合板与钢两者之间的粘接成为决定碳纤维增强复合板与钢粘接結构应用效果的关键因素，因此，为了确保两者粘接的稳固性，加强对碳纤维增强复合板与钢界面粘接性能的研究显得尤为重要[2]。
1 试验部分
1.1试验原料
本试验主要用到的原料：（1）方形钢管。该钢管的厚度、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为5 mm、275 MPa、405 MPa、41%[3]。（2）拉挤型碳纤维复合板。该复合板的宽度、厚度、抗拉强度和断裂伸长率分别为25 mm、1.5 mm、1650 MPa、0.96%。（3）非线性胶粘剂（Tc）。（4）线性胶粘剂（T1）。胶粘剂的型号和力学性能如表1所示。
1.2 试验仪器
本实验所用到的实验仪器为万能拉伸试验机。该试验机主要是由工业系统有限公司生成的[4]。
1.3 试验制备
使用砂纸，对碳纤维增强复合板与钢进行打磨处理，并分别使用0.5、1.0和1.5 mm厚度的Tc 胶粘剂和T1胶粘剂粘接处理碳纤维增强复合板与钢。同时，为各个单面剪切试件进行一一编号，如Tc-1.0-1代表 Tc 的胶粘剂的厚度为1.0，其试件编号为1；
当粘接操作结束后，需要将其放置于常温环境下[2]，对其进行固化处理[5]。碳纤维增强复合板与钢加载装置如图1所示，该装置的加载速率和数据采样频率分别为0.2 mm/min、2 Hz。
1.4测定或表征
严格按照所设置好的GB/T 7124—2008标准，对碳纤维增强复合板与钢的拉伸剪切强度进行精确化测定[6]。
2 结果及讨论
2.1剪切性能
对于碳纤维增强复合板与钢而言，所获得的单面剪切性能测试结果如表2所示。
由表2可知，当胶粘剂厚度从原来的0.5 mm上升至1.5 mm时，碳纤维增强复合板与钢界面所对应的承载力平均值不断上升[7]。当胶粘剂厚度上升至0.5 mm时，其界面承载力平均值达到54.12 kN；
当胶粘剂厚度上升至1.0 mm时，其界面承载力平均值达到67.47 kN；
当胶粘剂厚度上升至1.5 mm时，其界面承載力平均值达到69.59 kN。该界面破坏模式先转变为碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式，然后转变为胶粘剂耦合层间剪切破坏模式，最后转变为碳纤维增强复合板断裂耦合层间剪切破坏模式[8]。对于T1胶粘剂试件而言，当胶粘剂厚度不断上升时，碳纤维增强复合板与钢界面所对应的承载力平均值呈现出不断减小的趋势，当胶粘剂厚度上升至0.5 mm时，其界面承载力平均值达到48.87 kN；
当胶粘剂厚度上升至1.0 mm时，其界面承载力平均值达到48.75 kN；
当胶粘剂厚度上升至1.5 mm时，其界面承载力平均值达到45.18 kN。其界面破坏模式始终保持碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式。这一规律的研究，为后期全面地了解和把握该界面的粘接性能提供重要的数据支撑[9]。
本次试验，所获得的荷载-位移曲线如图2所示。
从图2可以看出，Tc试件荷载随着位移的不断上升而呈现出不断上升的趋势，当位移条件相同，在胶粘剂厚度不断增加时，其荷载会不断下降[10]。对于T1试件而言，其荷载随着位移的不断上升而呈现出不断上升的趋势；
当位移条件相同时，在不同胶粘剂厚度下，所对应的荷载值几乎完全一致。与T1试件相比，Tc 试件具有较高的延性，这是由于该试件具有弹性模量小、塑性变形承受能力强等特点有关[11]。
2.2 粘接-滑移关系
Tc胶粘剂试件的粘接-滑移关系如图3所示。
从图3可以看出，在胶粘剂厚度为1.0 mm时，与加载端距离为30、50和70 mm的剪应力-相对滑移曲线也表现出不同的变化趋势[12]。此时，如果继续增加胶粘剂厚度，当胶粘剂厚度达到1.5 mm时，所对应的距离加载端为12.5、30和50 mm的剪应力-相对滑移曲线与0.5 mm胶粘剂厚度相比，出现明显的差异。理想粘接-滑移关系曲线如图3（d）所示，其变化阶段主要包含弹性阶段、弹塑性阶段、软化阶段和脱粘阶段[13]。经过全面对比分析可知，当胶粘剂厚度不同时，其Tc试件界面所对应的最大剪应力几乎相同；
同时，胶粘剂厚度的变化，会对曲线的滑移量产生显著的影响。
T1胶粘剂试件的粘接-滑移关系如图4所示。
从图4可以看出，在胶粘剂厚度为1.0 mm时，与加载端距离为12.5、30、50 mm的剪应力-相对滑移曲线也表现出不同的变化趋势。此时，如果继续增加胶粘剂厚度，当胶粘剂厚度达到1.5 mm时，所对应的距离加载端为12.5、30和50 mm的剪应力-相对滑移曲线与0.5 mm胶粘剂厚度相比，出现明显的差异[14]。理想粘接-滑移关系曲线如图4（d）所示，其变化阶段主要包含弹性阶段、软化阶段和脱粘阶段。另外，经过全面分析对比发现，T1胶粘剂试件主要包含以下2种变化趋势：（1）当位移不断上升时，其界面剪应力不断上升；
当剪应力达到最大值时，即可进入到弹性阶段。（2）当界面剪应力不断减小时，一旦其荷载出现上升现象，其剪应力会呈现出不断下降的趋势，并出现一定程度的软化现象[15]。对于Tc 胶粘剂试件而言，主要包含上升阶段、平缓阶段、下降阶段；
对于T1胶粘剂试件而言，主要包含上升阶段和下降阶段。
2.3 粘接界面强度
对于碳纤维增强复合板与钢而言，其界面断裂能能够真实、有效地反映出预测界面粘接强度，通过利用粘接-滑移曲线所获得的界面断裂能，借助界面极限承载力计算公式[16]。对不同胶粘剂厚度的碳纤维增强复合板与钢的极限承载力进行精确化计算，其计算结果如表3所示。
由表3可知，当极限承载力预测值与实测值的比值平均值达到0.93时，其预测结果可以表现出较高的准确性[17-18]。
碳纤维增强复合板与钢的极限承载力预测值与试验值的关系曲线如图5所示。
从图5可以看出，结合线性拟合情况[19]，预测值与试验值之间的关系算式为y=0.93x，其中y 代表预测值；
x代表试验值。根据表3所示的测试结果，通过全面地观察和了解界面断裂能，可以精确地预测所对应的界面粘接强度[20]。
3结语
（1）当胶粘剂厚度不断增加时，Tc 胶粘剂试件界面所对应的承载力平均值呈现出不断上升的趋势，该界面破坏模式先转变为碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式；
然后转变为胶粘剂耦合层间剪切破坏模式，最后转变为碳纤维增强复合板断裂耦合层间剪切破坏模式。在胶粘剂厚度不断增加时，T1胶粘剂试件界面所对应的承载力平均值呈现出不断下降的趋势，该界面破坏模式始终保持碳纤维增强复合板层间剪切破坏模式；
（2）Tc胶粘剂试件呈现出先增加，后平稳，再下降的趋势；
而T1胶粘剂呈现出先增加后下降的趋势。
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