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第6章 CFRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的膠結(jié)性能
目前，CFRP加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用也非常廣泛。粘貼CFRP修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)與加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理相同，但是由于鋼材基材的性質(zhì)與混凝土材料有著顯著的差別，因此帶來一系列與修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)不同的問題。
CFRP修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)成功的關(guān)鍵是確保CFRP與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)完好，使CFRP與鋼結(jié)構(gòu)成為一個整體共同受力。CFRP與鋼結(jié)構(gòu)間的膠層存在剪應(yīng)力和正應(yīng)力，特別是在不連續(xù)區(qū)域(如鋼結(jié)構(gòu)損傷裂紋處、膠層漏膠缺陷處和CFRP端部等區(qū)域)，膠層的剪應(yīng)力和正應(yīng)力存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，容易引起CFRP與鋼結(jié)構(gòu)之間的脫膠(Delamination)。如果CFRP端部與鋼板(或鋼梁)過早發(fā)生脫膠現(xiàn)象，將會顯而易見地影響其疲勞壽命和修復(fù)效果。因此本章將對CFRP與鋼結(jié)構(gòu)之間的界面粘結(jié)性能進(jìn)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(fù)失效。
6.1 粘結(jié)機(jī)理
粘貼CFRP修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)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(shù)，粘附作用主要由膠粘劑中的粘料或凝膠物質(zhì)產(chǎn)生。粘結(jié)過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。粘結(jié)力的產(chǎn)生，不僅取決于膠粘劑和鋼材表面及CFRP表面的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，而且和粘貼CFRP的工藝條件密切相關(guān)。
修復(fù)后的復(fù)合構(gòu)件是由多相材料構(gòu)成的，即鋼材、膠粘劑和CFRP，而CFRP則是由纖維和樹脂復(fù)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(fù)鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)果來看，界面破壞大都發(fā)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(guān)注的重點(diǎn)。
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(qū)域，這個區(qū)域是從與鋼材材料內(nèi)部性質(zhì)不同的那一點(diǎn)開始到膠粘劑內(nèi)與膠粘劑性質(zhì)相一致的某點(diǎn)終止。該區(qū)域材料的結(jié)構(gòu)與性能不同于鋼材和膠粘劑兩相中的任一相，稱此區(qū)域為界面相或界面層，但人們習(xí)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或兩相元素的擴(kuò)散、溶解而產(chǎn)生新相，即使不發(fā)生上述相互作用，也可能由于膠粘劑固化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，或兩相結(jié)構(gòu)間的誘導(dǎo)效應(yīng)使接近鋼材的膠粘劑部分結(jié)構(gòu)發(fā)生不同于膠粘劑本體結(jié)構(gòu)的差異形成界面相。界面相的微觀結(jié)構(gòu)對修復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性能影響很大，主要通過界面相來傳遞應(yīng)力，同時界面上的殘余應(yīng)力對整體力學(xué)性能也有影響。
6.1.1 粘結(jié)的一般過程
鋼材與膠粘劑之間形成固定的界面需要經(jīng)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(jié)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(zhì)的主要表面性能之一，不同的物質(zhì)由于其組成和結(jié)構(gòu)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(wěn)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(zhì)稱為物體表面層，其表面層分子所處的狀態(tài)與其本體內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同，表面層內(nèi)的分子，一方面受到內(nèi)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(nèi)部的不平衡力作用；而處于物體內(nèi)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?qū)ΨQ，故所受合力為零，因而是處于平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。所以，要把一個分子從物體內(nèi)部遷移到物體表面層，就必須反抗液體內(nèi)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(nèi)部分子的能量高，固體表面更為明顯。一個體系處于穩(wěn)定平衡時，應(yīng)有小的位能。當(dāng)鋼材表面與膠粘劑相互接觸時，一旦形成界面就會發(fā)生降低表面能的各種吸附現(xiàn)象。宏觀表現(xiàn)出膠粘劑在鋼材材料表面上的鋪展現(xiàn)象，即“浸潤”。“浸潤”好，兩相在界面上就有緊密的接觸。
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(jié)合，必須經(jīng)過物理(凝固等)或化學(xué)(交聯(lián)固化等)的固化過程，使膠粘劑分子處于能量低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的狀態(tài)，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(dú)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(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的因素可以分為兩大類――物理因素和化學(xué)因素。物理因素包括吸附、擴(kuò)散、機(jī)械等作用；而化學(xué)因素主要是化學(xué)鍵的結(jié)合。
形成界面的這兩種過程是連續(xù)進(jìn)行的。
6.1.2 粘結(jié)力的來源
膠粘劑對鋼材的浸潤只是二者粘結(jié)在一起的前提，它們之間必須形成粘結(jié)力，才能使膠粘劑與鋼材牢固地結(jié)合在一起。對于粘結(jié)力的產(chǎn)生，到目前已有很多理論，如浸潤理論、化學(xué)鍵理論、靜電理論、擴(kuò)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(jié)現(xiàn)象和問題。但是，由于界面是在熱、力學(xué)以及化學(xué)等環(huán)境條件下形成的體系，具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此，還沒有哪一種理論能夠解釋所有的界面現(xiàn)象。
1 浸潤理論
兩相界面的浸潤性對界面粘結(jié)強(qiáng)度有很大的影響。不完全的浸潤會在界面上產(chǎn)生缺陷，從而降低粘結(jié)強(qiáng)度；良好的浸潤性可以增加斷裂能和粘附功，從而使粘結(jié)強(qiáng)度提高。浸潤性理論是1966年由Zisman提出的，該理論認(rèn)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(chǎn)生空隙，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生開裂；如能實現(xiàn)完全浸潤，則膠粘劑在高能表面的物理吸附所提供的粘結(jié)強(qiáng)度可超過膠粘劑本體的內(nèi)聚能。
浸潤理論認(rèn)為，兩相間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘結(jié)與物理吸附。機(jī)械粘結(jié)模式認(rèn)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(tài)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(qū)產(chǎn)生機(jī)械咬合力。物理吸附模式則認(rèn)為，粘結(jié)是類似吸附現(xiàn)象的表面過程，膠粘劑中有機(jī)大分子通過鏈段與分子鏈的運(yùn)動逐漸向鋼材表面遷移，極性基團(tuán)靠近，當(dāng)距離小于5A時，能夠相互吸引，產(chǎn)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(diǎn)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(jié)力。
2 化學(xué)鍵理論
化學(xué)鍵理論認(rèn)為要使兩相之間實現(xiàn)有效的粘結(jié)，兩相的表面應(yīng)含有能相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性基團(tuán)，通過官能團(tuán)的反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。由于化學(xué)鍵的強(qiáng)度比范德華力高許多倍，因而形成化學(xué)鍵的粘結(jié)強(qiáng)度高，也是理想的粘結(jié)界面。若兩相之間不能直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，也可通過偶聯(lián)劑的媒介作用以化學(xué)鍵互相結(jié)合。例如，在鋼材表面涂敷硅烷偶聯(lián)劑，硅烷偶聯(lián)劑一端可與鋼材表面結(jié)合，另一端可參與膠粘劑的固化反應(yīng)。通過硅烷偶聯(lián)劑的媒介作用，膠粘劑與鋼材之間實現(xiàn)了界面的化學(xué)鍵結(jié)合，有效地提高了粘結(jié)性能。
化學(xué)鍵理論也僅是形成粘結(jié)力的一個方面。因此界面的粘結(jié)力如果完全由化學(xué)鍵組成，則粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)有很大的提高，而實際上粘結(jié)強(qiáng)度并沒有理論計算的高，相差很遠(yuǎn)。一般解釋為在界面上僅有個別的接觸點(diǎn)能形成化學(xué)鍵，所以在單位面積上所形成的化學(xué)鍵數(shù)目只是全部接觸中的極少部分，因此化學(xué)鍵對粘結(jié)強(qiáng)度不會有數(shù)量級的提高，但化學(xué)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(rèn)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(chǎn)生粘結(jié)力。
當(dāng)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(zhuǎn)移，使界面兩側(cè)產(chǎn)生接觸電勢，并形成雙電層，雙電層電荷性質(zhì)相反，從而產(chǎn)生靜電引力，如圖6.2所示。
在干燥環(huán)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(xiàn)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(jié)力是由物理吸附力、化學(xué)鍵力、機(jī)械咬合力和靜電引力等多種因素構(gòu)成的，只是在不同的場合下各自的貢獻(xiàn)大小不一而已。粘結(jié)力存在于兩相之間，可分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力，宏觀結(jié)合力是由裂紋及表面的凹凸不平而產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，而微觀結(jié)合力包含化學(xué)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(zhì)。化學(xué)鍵結(jié)合是強(qiáng)的結(jié)合，是界面粘結(jié)力貢獻(xiàn)的積極因素。