第6章  CFRP加固修復鋼結構的膠結性能

　　目前，CFRP加固修復混凝土結構技術已經比較成熟，應用也非常廣泛。粘貼CFRP修復鋼結構與加固修復混凝土結構的基本原理相同，但是由于鋼材基材的性質與混凝土材料有著顯著的差別，因此帶來一系列與修復混凝土結構不同的問題。
　　CFRP修復鋼結構技術成功的關鍵是確保CFRP與鋼結構之間的粘結完好，使CFRP與鋼結構成為一個整體共同受力。CFRP與鋼結構間的膠層存在剪應力和正應力，特別是在不連續區域(如鋼結構損傷裂紋處、膠層漏膠缺陷處和CFRP端部等區域)，膠層的剪應力和正應力存在嚴重的應力集中，容易引起CFRP與鋼結構之間的脫膠(Delamination)。如果CFRP端部與鋼板(或鋼梁)過早發生脫膠現象，將會顯而易見地影響其疲勞壽命和修復效果。因此本章將對CFRP與鋼結構之間的界面粘結性能進行深入的分析和研究論述，防止由于膠層界面破壞而引起修復失效。

6.1　粘結機理

　　粘貼CFRP修復鋼結構是利用膠粘劑的粘附作用將鋼材表面和CFRP表面連接起來的技術，粘附作用主要由膠粘劑中的粘料或凝膠物質產生。粘結過程是一個復雜的物理、化學過程。粘結力的產生，不僅取決于膠粘劑和鋼材表面及CFRP表面的結構與狀態，而且和粘貼CFRP的工藝條件密切相關。
　　修復后的復合構件是由多相材料構成的，即鋼材、膠粘劑和CFRP，而CFRP則是由纖維和樹脂復合而成的。因此在它們之間形成了多種界面，包括CFRP中纖維與樹脂之間的界面、鋼材與膠粘劑之間的界面和CFRP與膠粘劑之間的界面。對于CFRP修復鋼結構而言，無論是采用CFRP布，還是采用CFRP板，CFRP中纖維與樹脂之間的界面相對來說是“強相”，而鋼材與膠粘劑之間的界面和CFRP與膠粘劑之間的界面則是“弱相”。從試驗結果來看，界面破壞大都發生于鋼材與膠粘劑之間的界面，因此，鋼材與膠粘劑之間的界面是我們關注的重點。
　　鋼材與膠粘劑之間的界面并不是一個單純的幾何面，而是一個過渡區域，這個區域是從與鋼材材料內部性質不同的那一點開始到膠粘劑內與膠粘劑性質相一致的某點終止。該區域材料的結構與性能不同于鋼材和膠粘劑兩相中的任一相，稱此區域為界面相或界面層，但人們習慣上把界面相稱為界面。由于鋼材與膠粘劑接觸時在一定條件下可能發生化學反應，或兩相元素的擴散、溶解而產生新相，即使不發生上述相互作用，也可能由于膠粘劑固化產生內應力，或兩相結構間的誘導效應使接近鋼材的膠粘劑部分結構發生不同于膠粘劑本體結構的差異形成界面相。界面相的微觀結構對修復結構的整體性能影響很大，主要通過界面相來傳遞應力，同時界面上的殘余應力對整體力學性能也有影響。

6.1.1　粘結的一般過程
　　鋼材與膠粘劑之間形成固定的界面需要經歷以下二個階段：
　　階段是液體膠粘劑與鋼材表面接觸與浸潤過程，這是形成界面結合的必要條件。能否浸潤，這主要取決于它們的表面自由能，即表面張力，表面張力是物質的主要表面性能之一，不同的物質由于其組成和結構不同，其表面張力也各不相同，但不論表面張力大小，它總是力圖減小物體的表面，趨向于穩定。物體表面下厚度約等于其表面分子作用半徑的一層物質稱為物體表面層，其表面層分子所處的狀態與其本體內部分子所處的狀態不同，表面層內的分子，一方面受到內部分子的作用，另一方面又受到外部氣體分子的作用，如圖6.1所示。但是，氣體密度比固體和液體密度要小得多，氣體分子對物體表面層分子的作用力也很小。因此，在物體表面層中，每個分子都受到垂直于物體表面并且指向物體內部的不平衡力作用；而處于物體內部的任何一個分子則是四面八方都受到相同分子力的作用，在單位時間里，由于呈各向對稱，故所受合力為零，因而是處于平衡的穩定狀態。所以，要把一個分子從物體內部遷移到物體表面層，就必須反抗液體內部的作用力而作功，這樣，就會增加這個分子的位能，也就是說在物體表面層分子的能量比其內部分子的能量高，固體表面更為明顯。一個體系處于穩定平衡時，應有小的位能。當鋼材表面與膠粘劑相互接觸時，一旦形成界面就會發生降低表面能的各種吸附現象。宏觀表現出膠粘劑在鋼材材料表面上的鋪展現象，即“浸潤”?！敖櫋焙茫瑑上嘣诮缑嫔暇陀芯o密的接觸。
　　第二階段是膠粘劑的固化過程，膠粘劑要與鋼材材料形成固定的界面結合，必須經過物理(凝固等)或化學(交聯固化等)的固化過程，使膠粘劑分子處于能量低、結構穩定的狀態，使鋼材與膠粘劑之間的界面固定。界面可以看作是一個單獨的相，但是，界面相又依賴于兩邊的鋼材和膠粘劑，影響界面的形成、界面的結構及其穩定性的因素可以分為兩大類――物理因素和化學因素。物理因素包括吸附、擴散、機械等作用；而化學因素主要是化學鍵的結合。
　　形成界面的這兩種過程是連續進行的。 
6.1.2　粘結力的來源
　　膠粘劑對鋼材的浸潤只是二者粘結在一起的前提，它們之間必須形成粘結力，才能使膠粘劑與鋼材牢固地結合在一起。對于粘結力的產生，到目前已有很多理論，如浸潤理論、化學鍵理論、靜電理論、擴散理論、弱邊界層理論、可逆水解理論等，這些理論從一定程度上解釋了部分粘結現象和問題。但是，由于界面是在熱、力學以及化學等環境條件下形成的體系，具有十分復雜的結構，因此，還沒有哪一種理論能夠解釋所有的界面現象。
1　浸潤理論
　　兩相界面的浸潤性對界面粘結強度有很大的影響。不完全的浸潤會在界面上產生缺陷，從而降低粘結強度；良好的浸潤性可以增加斷裂能和粘附功，從而使粘結強度提高。浸潤性理論是1966年由Zisman提出的，該理論認為，浸潤是形成界面的基本條件之一，兩相因浸潤不良會在界面上產生空隙，易產生應力集中而發生開裂；如能實現完全浸潤，則膠粘劑在高能表面的物理吸附所提供的粘結強度可超過膠粘劑本體的內聚能。
　　浸潤理論認為，兩相間的結合模式屬于機械粘結與物理吸附。機械粘結模式認為，對于任何物體來說，無論其表面多么光滑平整，從微觀上看都是凹凸不平的。在膠粘劑與鋼材接觸的過程中，液態膠粘劑流入并充滿鋼材表面的縫隙或凹凸之處，固化后在界面區產生機械咬合力。物理吸附模式則認為，粘結是類似吸附現象的表面過程，膠粘劑中有機大分子通過鏈段與分子鏈的運動逐漸向鋼材表面遷移，極性基團靠近，當距離小于5A時，能夠相互吸引，產生分子間的作用力，也就是所謂的范德華力和氫鍵力。實際上往往這兩種作用同時存在。
　　從界面浸潤性的觀點來看，要使膠粘劑能在鋼材表面盡量鋪展開，則膠粘劑的表面張力必須小于鋼材的表面張力。浸潤理論解釋了鋼材表面和CFRP表面粗糙化的理由，可以增加表面積從而有利于提高界面粘結力。
2　化學鍵理論
　　化學鍵理論認為要使兩相之間實現有效的粘結，兩相的表面應含有能相互發生化學反應的活性基團，通過官能團的反應以化學鍵結合形成界面。由于化學鍵的強度比范德華力高許多倍，因而形成化學鍵的粘結強度高，也是理想的粘結界面。若兩相之間不能直接進行化學反應，也可通過偶聯劑的媒介作用以化學鍵互相結合。例如，在鋼材表面涂敷硅烷偶聯劑，硅烷偶聯劑一端可與鋼材表面結合，另一端可參與膠粘劑的固化反應。通過硅烷偶聯劑的媒介作用，膠粘劑與鋼材之間實現了界面的化學鍵結合，有效地提高了粘結性能。
　　化學鍵理論也僅是形成粘結力的一個方面。因此界面的粘結力如果完全由化學鍵組成，則粘結強度應有很大的提高，而實際上粘結強度并沒有理論計算的高，相差很遠。一般解釋為在界面上僅有個別的接觸點能形成化學鍵，所以在單位面積上所形成的化學鍵數目只是全部接觸中的極少部分，因此化學鍵對粘結強度不會有數量級的提高，但化學鍵的存在對界面的耐久性有較大的改善。
3　靜電理論
　　靜電理論認為，膠粘劑與鋼材之間存在雙電層，帶有不同的電荷，則相互接觸時由于靜電的相互吸引而產生粘結力。
　　當鋼材與高分子膠粘劑緊密接觸時，由于鋼材對電子的親合力低，容易失去電子；而非鋼材對電子親合力高，容易得到電子，電子可以從鋼材轉移，使界面兩側產生接觸電勢，并形成雙電層，雙電層電荷性質相反，從而產生靜電引力，如圖6.2所示。

　　在干燥環境中膠層從鋼材表面快速剝離時，可以用儀器或肉眼觀察到放電的光、聲現象，證實了靜電作用的存在。  
　　綜合而論，鋼材與膠粘劑之間的粘結力是由物理吸附力、化學鍵力、機械咬合力和靜電引力等多種因素構成的，只是在不同的場合下各自的貢獻大小不一而已。粘結力存在于兩相之間，可分為宏觀結合力和微觀結合力，宏觀結合力是由裂紋及表面的凹凸不平而產生的機械咬合力，而微觀結合力包含化學鍵和次價鍵，這兩種鍵的相對比例取決于組成成分及其表面性質?；瘜W鍵結合是強的結合，是界面粘結力貢獻的積極因素。