不同粘合剂对碳纤维增强塑料（CFRP）与钢材界面粘合性能的影响 王秦、 郭文浩、 高李、 李陆昌、 赵梦达、 庄梅玲、 孙传志、 葛付和

《Buildings》：Effect of Different Adhesives on the Bonding Performance of the CFRP–Steel Interface Qin Wang, Wenhao Guo, Li Gao, Luchang Li, Mengda Zhao, Mei-Ling Zhuang, Chuanzhi Sun and Fuhe Ge

　　摘要：本研究通过静态拉伸双剪试验，探讨了不同类型粘合剂对碳纤维增强塑料（CFRP）板材与钢材界面结合性能的影响。测试了三种粘合剂（Araldite 420A/B、2015-1、Sikadur-30CN）在四种不同粘合长度下的性能。结果表明，粘合剂的强度显著影响破坏特性，并观察到不同材料之间的性能差异。粘合长度影响应力分布，增强分散效应，同时可能改变损伤进展。高性能粘合剂由于具有更好的粘性，表现出更强的抗剪切能力和断裂能量；而中等塑性的粘合剂则通过提高流动性和与基材的接触性，实现适应性变形和耐久性 bonding。这些发现为 CFRP 加固钢结构中的材料选择提供了理论依据，并为结构修复工程应用提供了实际指导。

1. 引言
随着现代工程结构的不断发展，碳纤维增强聚合物（CFRP）材料因其出色的性能（如低重量、高强、优异的刚性以及出色的抗疲劳性和耐腐蚀性）而在航空航天、汽车制造、体育器材和土木工程中得到了广泛应用[1,2,3]。这些特性使得 CFRP 在钢结构加固项目中得到了广泛应用。传统的钢材加固技术（如焊接、螺栓连接和表面涂层）常常面临残余应力积累、弯曲变形和复杂的实施过程等问题[4,5]。相比之下，CFRP 结合的钢结构避免了这些问题，并具有施工简单和维护成本降低的优势。CFRP-钢材界面的 bonding 性能在决定复合结构的整体承载能力和使用寿命方面起着决定性作用。作为应力传递的关键介质，粘合剂的性能直接影响界面 bonding 强度和耐久性[6,7]。尽管基于环氧树脂的粘合剂目前主导着工程应用[8]，但它们在复杂环境下的性能仍需进一步研究。不同类型的粘合剂在化学成分、机械性能、环境耐久性和成本效益及施工适应性方面存在显著差异，这些差异导致 CFRP-钢材界面的破坏模式、bond 强度和长期耐久性有所不同。因此，系统地研究不同粘合剂对 CFRP-钢材界面的影响对于提高钢结构加固效果、优化 bonding 材料选择和提升结构可靠性至关重要。

近年来，已有大量学术研究聚焦于纤维增强聚合物（FRP）-混凝土[9,10] 和 FRP-钢材界面的 bonding 特性[11]。该研究领域主要采用两种方法：单剪试验和双剪试验，这两种方法旨在诱导 CFRP 板材与钢板之间的剪切相互作用以评估 bonding 性能。在结构加固应用中，CFRP-钢材界面的耐久性受多种因素影响。实证研究表明[12]，粘合层厚度的不均匀性会严重影响承载能力，在控制变异性条件下，0.5 mm 厚度时性能最佳。此外，粘合剂在不同的使用环境中表现出不同的行为模式。例如，Dai 等人[13]通过系统的温度循环实验证明了低温下粘合强度的显著下降，并相应地开发了理论模型和标准化测试协议。然而，仍存在明显的研究空白：虽然之前的研究已经对个别粘合剂类型进行了表征，但在相同实验条件下对多种粘合剂进行对比分析仍然非常有限。现有大多数研究要么专注于单一粘合剂，要么在不同测试设置下比较研究结果，导致直接比较不可靠。特别是，系统研究不同粘合剂如何在相同测试条件下影响界面破坏机制、载荷-位移特性、剪切应力分布和 bond-滑移行为的研究较少。这一知识缺口亟需全面填补。因此，本研究重点系统分析不同粘合剂对 CFRP-钢材界面性能的具体影响。本工作的创新之处在于三个方面：(1) 对三种具有显著不同机械性能的粘合剂进行峰值剪切应力、断裂能量和滑移参数的定量比较；(2) 应用 3D-DIC 技术获得全场连续应变分布，从而准确推导 bond-滑移本构关系；(3) 识别特定粘合剂的破坏模式，为工程粘合剂选择提供实用指导。

传统的研究方法主要依赖于单点力学测量（如应变计应用），这些方法存在操作限制，包括测量范围有限、安装要求复杂以及由此导致的数据局限性。这些因素共同阻碍了对结构构件全场应变分布的准确评估，最终影响结果的可靠性。为应对这些挑战，本研究采用数字图像相关（DIC）技术对不同粘合处理的 CFRP-钢材试样进行力学性能评估。作为一种非接触式光学测量技术，3D-DIC[13,14]通过跟踪连续表面图像中的相同像素坐标来重建试样位移矢量，从而实现全场位移映射。这种方法能够实时监测 CFRP-钢材界面的变形模式，提供关于应力传递机制、应力集中现象和损伤传播过程的精确见解。其他研究者[14,15]对该技术的成功应用为本研究提供了宝贵的方法论借鉴。本研究旨在阐明粘合剂性能与 CFRP-钢材界面性能之间的力学关系，为结构应用中的最佳粘合剂选择奠定科学基础。研究结果将进一步推动 CFRP 加固钢结构设计和施工实践的理论进展，最终提升结构加固效果和长期耐久性。

2. 实验程序
2.1. 原材料
本研究使用了三种不同的粘合剂系统。第一种是双组分环氧粘合剂 Araldite 420A/B（Huntsman Advanced Materials，瑞士巴塞尔），该粘合剂具有优异的防潮性、高机械强度和出色的韧性。其高温固化过程能够进一步提升整体性能。第二种是 Araldite 2015-1（Huntsman Advanced Materials，瑞士巴塞尔），这是一种室温固化的双组分糊状粘合剂，具备弹性 bonding、触变行为和出色的耐候性。第三种是 Sikadur-30CN（Sika AG，瑞士巴尔），这是一种主要由环氧树脂和特殊填料组成的无溶剂结构粘合剂，具有较高的早期和最终机械强度。试样采用 Q345B 钢板（宝山钢铁有限公司，中国上海）制成，尺寸为 200 mm × 50 mm × 10 mm，以及 Toray T300 CFRP 板材（长平申英碳纤维有限公司，中国连云港）。CFRP 板材由 M40J 碳纤维增强，其中环氧树脂含量按重量计占 33%。材料的机械性能见表 1。

2.2. 试样设计与制作
双剪试样（图 1，尺寸单位：mm）由两块钢板组成，它们通过粘合剂固定在上下 CFRP 板材之间，中间有 8 mm 的间隙，由精密间隔件保持（图 2）。共制作了 24 个试样（每种粘合剂类型 8 个：Araldite 420A/B、Araldite 2015-1、Sikadur-30CN），每个粘合长度都有重复样本以确保可靠性，所有试样的粘合层厚度统一控制在 0.5 mm。CFRP 板材的长度分别为 100 mm、140 mm、180 mm、220 mm，对应的有效 bonding 长度分别为 40 mm、60 mm、80 mm 和 100 mm。这种非对称设计借鉴了成熟的方法[16]，确保破坏始终发生在粘合区域内，同时 CFRP 宽度固定为 50 mm。

2.3. 试验加载装置和程序
双剪试验中，制备好的试样安装在了 MTS 加载系统上。加载使用 MTS322 疲劳试验机进行，最大载荷能力为 500 kN。为防止试样与夹具之间的相对滑动，上下夹具的夹紧长度均设置为 50 mm。完整的试验装置如图 3 所示。试验以 0.2 mm/min 的加载速率进行[17]。3D-DIC 系统（型号 M230，HF Agile Device Co., Ltd.，中国合肥）与 MTS 机器同步，该系统配备 1920 × 1080 像素的摄像头，工作距离约为 400 mm，采集频率为 1 Hz，用于捕捉全场应变。为了制备斑点图案，先涂上一层白色喷漆作为基底，然后印上直径约为 0.5 mm 的黑色圆形随机点。加载前，系统使用校准板进行校准，以建立 3D 到 2D 的空间映射。加载过程中，两台相机同时获取试样的表面图像。实验室环境光线被调暗，LED 灯提供均匀照明以确保 DIC 图像质量。通过计算机实时监测应变分布，当试样发生明显破坏时立即停止加载，并保存所有数据。DIC 系统和 MTS 机器的原始数据在 Origin 软件（OriginPro 2025 SR1）中处理，以计算和可视化 CFRP 表面应变分布，从而定量评估 CFRP-钢材界面的 bonding 性能。

3. 结果与讨论
3.1. 试验结果与分析
研究 CFRP 与钢材界面处的破坏特性和模式对于评估 CFRP 加固钢结构的性能至关重要。本研究检验了使用三种不同粘合剂（Araldite 420A/B、Araldite 2015-1 和 Sikadur-30CN）粘合的试样。在加载初期阶段，所有试样均未观察到明显变化。载荷与位移呈线性增长关系。当达到临界载荷阈值时，出现明显的“开裂”、“剥落”和“爆裂”等声音。随着载荷的进一步增加，特定界面区域容易产生应力集中，这通常会引发界面破坏。随后，破坏向粘合端的远端蔓延。由于 CFRP 的固有脆性和缺乏显著的塑性变形，CFRP-钢材界面通常会发生灾难性破坏，伴随着尖锐的“叩击”声，断裂时表面保持平整。试样中的主要破坏模式分为四种类型：(a) 黏合剂层内的内聚破坏；(b) CFRP 板材的拉伸断裂；(c) CFRP 层之间的分层；(d) 混合模式破坏，包含上述类型的组合。代表性的破坏模式如图 4 所示。表 2 总结了所有试样的关键实验数据，包括最终载荷、破坏模式、界面剪切应力、相应滑移量和界面断裂能量。实验结果表明，三种粘合剂的破坏模式受粘合长度的影响显著不同。对于 Araldite 420A/B，40 mm 和 60 mm 的粘合长度下以粘合剂层内的内聚破坏为主；80 mm 和 100 mm 时则主要为 CFRP 断裂。Araldite 2015-1 主要发生在钢材-粘合剂界面，但也观察到界面脱粘、粘合剂内聚破坏和 CFRP 分层混合模式。Sikadur-30CN 在 40 mm 和 60 mm 时引起 CFRP 分层，在 80 mm 和 100 mm 的较长粘合长度下转变为 CFRP 断裂。

将这些破坏模式与粘合剂的机械性能进行分析，发现其与拉伸强度排名相关：Araldite 420A/B < Araldite 2015-1 < Sikadur-30CN。作为一种线性弹性、低强度的粘合剂，Araldite 420A/B在其自身材料内部始终表现出内聚性失效。相比之下，Sikadur-30CN作为一种线性弹性、高强度的粘合剂，能够将应力传递到碳纤维增强塑料（CFRP）上，导致分层或断裂。粘合长度也影响了失效的起始。较短的粘合长度使得界面应力更加集中，增加了突然剥离失效的风险。超过某个临界长度后，应力分布变得复杂，导致混合失效模式或CFRP断裂。较长的粘合长度通常通过扩展应力分布来提高极限载荷，但这种效果在超过有效长度后趋于平稳。对于Araldite 2015-1来说，60毫米和100毫米的极限载荷差异很小——60毫米的粘合长度甚至略有升高——因为长度增加会降低界面硬度，导致强度收益减少。极限载荷的比较表明，Araldite 420A/B的承载能力最高，大约是Araldite 2015-1和Sikadur-30CN的1.2倍，这归因于其更高的强度和韧性。

3.2. 载荷-位移曲线
图5中的载荷-位移曲线显示了三个不同的阶段。
- 阶段I（弹性/线性阶段）：加载开始时，CFRP-钢界面主要表现出生理性行为。载荷和位移以恒定速率线性增加，表明界面完整且硬度稳定。
- 阶段II（非线性/损伤阶段）：随着载荷增加，界面处开始出现微裂纹和局部损伤。曲线斜率减小，意味着位移增长速度快于载荷。响应变得非线性，界面硬度开始下降。
- 阶段III（失效阶段）：达到峰值载荷后，界面完全失效。载荷迅速降至接近零，而位移急剧增加。对于较弱的粘合剂，粘合剂的内聚性撕裂可能引发失效。最终的粘合失效会导致结构失效，有时会伴随纤维脱离和界面分离等混合模式。
对于Araldite 420A/B来说，峰值载荷通常随着粘合长度的增加而增加，因为更大的粘合面积能够更好地抵抗力。然而，这种好处受到有效粘合长度的限制。超过这个长度后，增加材料并不会带来额外的强度增益，正如s-Sika-100-0.5-a和s-Sika-80-0.5-a的实验结果所示，它们的峰值载荷相似或更低。过长的粘合长度不仅浪费材料，还会增加成本，而不会带来相应的强度提升。比较曲线可以清楚地看到粘合剂之间的差异。Sikadur-30CN样品在峰值后通常有一个明显的平台期，表明其具有良好的延展性。这可能是由于其高韧性，可以在大变形期间重新分配载荷，或者失效模式发生了转变（例如，从粘合剂脱离变为CFRP分层），暂时维持了载荷。相比之下，Araldite 2015-1样品在峰值后通常会出现明显的脆性下降，延展性较差。
最后，在相同的粘合长度和厚度下，失效位移的顺序如下：Sikadur-30CN < Araldite 2015-1 < Araldite 420A/B（忽略小的分散）。这种顺序与粘合剂的拉伸模量相匹配。Sikadur-30CN的模量较高（3600 MPa），因此在应力作用下变形较少，能够更好地抵抗界面处的滑动。Araldite 2015-1和Araldite 420A/B的模量较低，使其接头更加灵活，导致在失效前产生更大的位移。

4. 粘合剂失效机制
4.1. CFRP应变分布
与仅提供全局测量的传统位移传感器不同，3D-DIC技术能够实现全场、非接触式监测CFRP-钢界面沿线的局部应变和连续滑移分布，这对于准确推导粘合-滑移本构关系至关重要。图6展示了通过3D-DIC获得的样品s-2015-40-0.5-a在逐渐增加载荷下的应变分布。全场应变等高线图为实时可视化和动态量化粘合界面上的应变演变提供了强大的手段。这种能力为预测CFRP-钢界面的粘合性能、优化结构设计以及评估增强效果提供了理论和社会实践上的洞察。

4.2. CFRP-钢界面剪切应力分布
界面处的剪切应力在决定复合材料和金属结构组件之间的粘合效果中起着关键作用。由于CFRP板材与钢基板之间的载荷传递依赖于粘合剂，因此这种界面剪切应力从根本上决定了结构的承载能力和长期耐久性。本研究采用了先前研究中的四个关键假设[18]：(1) CFRP元件的弯曲变形可以忽略不计；(2) 钢基板被建模为理想的刚体，没有变形；(3) CFRP的轴向应变在其厚度方向上分布均匀；(4) 分析中排除了normal应力的影响。界面剪切应力的数学公式来源于参考文献[8]。
界面在x处相对于加载端的相对滑移可以通过以下公式计算：
其中Ef表示CFRP的弹性模量；tf是CFRP板材的厚度；是加载端的轴向应变值。
图8展示了在不同载荷条件下的CFRP-钢界面剪切应力分布。曲线显示，随着载荷的增加，应力梯度变得更加明显，表明应力集中更加显著。在初始加载阶段，最大剪切应力集中在加载端附近。随着载荷的增大，峰值剪切应力和分布曲线的斜率逐渐增加，而剪切应力向自由端逐渐减小。

4.3. CFRP-钢界面粘合-滑移本构关系
粘合-滑移本构模型捕捉了剪切应力与相对滑移之间的关系，以及样品中的局部和粘合失效过程。图9显示了CFRP-钢界面处的粘合-滑移曲线。尽管粘合剂类型和粘合长度存在差异，但曲线总体呈现出一定的趋势。界面力过程分为三个阶段：在初始阶段，剪切应力随滑移线性增加，直到达到峰值，表明处于弹性工作阶段；随后是一个平台期，在此期间界面开始剥离，但剪切应力在一定范围内保持几乎恒定；最后，当相对滑移较大时，发生局部损伤，剪切应力逐渐减小至零。
为了便于研究粘合-滑移关系，所有测试样品的本构行为都符合参考文献[16,19]中描述的三线性模型。相应的界面剪切应力和相对滑移方程如下：
其中τ是界面剪切应力；τmax是最大粘合剪切应力；s1是对应于最大剪切应力的相对滑移值；s2是对应于剪切平台期结束的相对滑移值；sf是界面的最终滑移值。
所有CFRP-钢界面样品的粘合-滑移曲线都呈现出特征性的梯形轮廓，如图9所示的三参数粘合-滑移关系所证明的。相应的粘合-滑移参数在表2中进行了系统编译。
界面断裂能量（Gf）代表了断裂传播过程中的能量耗散，是评估界面粘合性能的关键参数。如图9a所示，粘合-滑移曲线下的积分面积定量对应于断裂能量。增强的断裂能量有助于提高材料的抗断裂能力。虽然Gf在理论上被认为是界面的固有属性，与粘合长度无关，但我们的实验结果显示，即使使用相同粘合剂但不同粘合长度的样品，Gf也有明显差异。这种差异可以归因于三个关键因素：首先，短粘合长度下的应力集中改变了整个Gf的值；其次，随着粘合长度的缩短，加载端的应力集中加剧，导致界面沿线的应力分布不均匀，从而在较小区域内导致提前失效；最后，载荷长度的差异影响了能量耗散。短粘合长度倾向于通过突然的界面剥离失效，该过程涉及的能量吸收较少。相反，长粘合长度表现出更渐进的失效模式，涉及更多的能量耗散，从而导致更高的测量Gf值。

实验结果表明，粘合长度和粘合剂类型显著影响粘合-滑移曲线参数。由于其高的剪切模量和两组分环氧树脂的组成，Araldite 420A/B在粘合-滑移曲线中表现出一个陡峭的初始线性段和高的初始硬度，这使得即使在最小滑移情况下也能高效传递载荷。随后曲线显示了一个平台期，峰值后的剪切应力保持恒定，表明具有持续的塑性变形能力，最后以一个平缓下降段结束，有助于能量的耗散。相比之下，Araldite 2015-1表现出更陡峭的初始上升和延展性的屈服平台，峰值剪切应力高于Araldite 420A/B，这表明其具有更好的抗剪切变形能力。Sikadur-30CN由于其无溶剂和触变特性，表现出陡峭的初始上升和高硬度，但平台期较短，在三种粘合剂中达到了最高的峰值剪切应力。滑移参数s1、s2和sf与粘合长度呈正相关，因为较长的粘合长度允许更大的样品变形，从而导致更大的滑移位移。最大界面剪切应力与粘合剂的拉伸强度成正比，这一关系适用于线性和非线性以及高/低强度的粘合剂。具有29 MPa（Araldite 420A/B）、31 MPa（Araldite 2015-1）和40 MPa（Sikadur-30CN）的拉伸强度，后者显著优于前两者。表2中的相应粘接-滑移参数平均值证实了这一层级关系：最大峰值剪应力顺序为Sikadur-30CN > Araldite 2015-1 > Araldite 420A/B。粘接长度的增加会降低最大剪应力，主要原因有二：（1）粘接端部的应力集中导致剪应力分布不均——端部较高，中部较低。随着粘接长度的增加，这种效应会加剧，减少了中间区域的贡献；（2）由于有效长度的限制，超出有效粘接长度的部分对承载力的贡献很小。制造缺陷如厚度不一致、空洞和杂质会进一步增加应力集中。此外，在较长的粘接中，裂纹扩展会消耗更多能量，因此在达到临界长度后剪应力会下降。总体而言，虽然增加粘接长度通常能改善载荷分布，但其好处仅限于有效范围内。

如表3所示，不同粘合剂的峰值剪应力差异显著。Araldite 420A/B的值最低（38.79 MPa），Araldite 2015-1达到43.37 MPa，而Sikadur-30CN的最高（65.07 MPa），比Araldite 420A/B高出49.69%，比Araldite 2015-1高出65.07%。Sikadur-30CN因其优异的机械性能而表现最佳，包括40 MPa的拉伸强度和3200 MPa的拉伸模量，这些指标均远高于其他粘合剂。剪应力与拉伸强度/模量之间的正相关性表明，更强韧的粘合剂通常具有更高的内聚强度和更好的抗剪切滑移能力。此外，拉伸模量直接影响界面剪应力传递，高模量粘合剂能更有效地传递载荷。

关于滑移参数，Araldite 420A/B的值最高——分别比其他两组高出6.82%和42.42%，大约是后者的3.2到3.8倍。与Araldite 2015-1和Sikadur-30CN相比，其增幅分别达到40%和44.83%。这表明Araldite 420A/B具有更大的塑性变形能力，从而实现有效的弹性粘接和更好的粘合流动性。在断裂能量方面，Araldite 420A/B和Sikadur-30CN都显示出较高的值，反映了其强大的断裂韧性和在失效过程中吸收大量能量的能力。

总之，粘合剂的选择对CFRP-钢界面的性能有很大影响。Sikadur-30CN因其高拉伸强度和模量，在抗剪切和载荷传递方面表现优异，使得峰值剪应力更高。而Araldite 420A/B则具有更好的滑移特性，表明其具有更好的粘接韧性、塑性变形能力和粘合流动性。

5. 结论

基于使用双剪切测试系统对CFRP-钢界面粘接性能的系统性研究，结论被总结为以下三个简洁的项目列表：
(1) 研究发现（直接回应研究目标）：通过双剪切测试，本研究表明粘合剂类型和粘接长度显著影响CFRP-钢界面的失效模式、剪应力分布和粘接-滑移行为。主要失效机制包括粘合剂-钢材脱粘、粘合剂层失效、CFRP断裂和层间分离。在评估的三种粘合剂中，Sikadur-30CN的表现最为突出，其峰值剪应力高出多达67.7%，界面断裂能量高出20.08%；而Araldite 2015-1则具有优异的塑性变形特性，其滑移参数比Araldite 420A/B和Sikadur-30CN高出两倍以上（超过100%）。有效粘接长度约为80毫米，超过此长度后，承载能力趋于稳定。
(2) 对工程师的实际建议：对于需要高剪切强度和刚度的工程应用，推荐使用Sikadur-30CN；而对于优先考虑变形适应性的场景，Araldite 2015-1更为合适，因其优异的弹性粘接性能有助于适应界面变形。为了实现经济高效的设计，粘接长度应接近确定的有效长度（约80毫米），因为过长的粘接长度虽然能改善应力分布，但可能导致更复杂的失效模式。工程师应充分利用Araldite 2015-1良好的粘性流动性，以确保界面处粘合剂分布均匀。
(3) 研究局限性和未来工作：本研究中观察到的界面断裂能量随粘接长度的变化归因于应力集中效应以及较短粘接长度试样中的失效模式转变。该研究仅限于在单一环境条件下的单调静态加载测试，且仅使用了三种特定粘合剂（Araldite 420A/B、Araldite 2015-1和Sikadur-30CN），粘接长度分别为40、60、80和100毫米。在不同环境条件下的性能、其他粘合剂配方以及疲劳和长期耐久性评估尚未进行研究，这些都是未来工作的重要方向。