第6章  CFRP加固修复钢结构的胶结性能

　　目前，CFRP加固修复混凝土结构技术已经比较成熟，应用也非常广泛。粘贴CFRP修复钢结构与加固修复混凝土结构的基本原理相同，但是由于钢材基材的性质与混凝土材料有着显著的差别，因此带来一系列与修复混凝土结构不同的问题。
　　CFRP修复钢结构技术成功的关键是确保CFRP与钢结构之间的粘结完好，使CFRP与钢结构成为一个整体共同受力。CFRP与钢结构间的胶层存在剪应力和正应力，特别是在不连续区域(如钢结构损伤裂纹处、胶层漏胶缺陷处和CFRP端部等区域)，胶层的剪应力和正应力存在严重的应力集中，容易引起CFRP与钢结构之间的脱胶(Delamination)。如果CFRP端部与钢板(或钢梁)过早发生脱胶现象，将会显而易见地影响其疲劳寿命和修复效果。因此本章将对CFRP与钢结构之间的界面粘结性能进行深入的分析和研究论述，防止由于胶层界面破坏而引起修复失效。

6.1　粘结机理

　　粘贴CFRP修复钢结构是利用胶粘剂的粘附作用将钢材表面和CFRP表面连接起来的技术，粘附作用主要由胶粘剂中的粘料或凝胶物质产生。粘结过程是一个复杂的物理、化学过程。粘结力的产生，不仅取决于胶粘剂和钢材表面及CFRP表面的结构与状态，而且和粘贴CFRP的工艺条件密切相关。
　　修复后的复合构件是由多相材料构成的，即钢材、胶粘剂和CFRP，而CFRP则是由纤维和树脂复合而成的。因此在它们之间形成了多种界面，包括CFRP中纤维与树脂之间的界面、钢材与胶粘剂之间的界面和CFRP与胶粘剂之间的界面。对于CFRP修复钢结构而言，无论是采用CFRP布，还是采用CFRP板，CFRP中纤维与树脂之间的界面相对来说是“强相”，而钢材与胶粘剂之间的界面和CFRP与胶粘剂之间的界面则是“弱相”。从试验结果来看，界面破坏大都发生于钢材与胶粘剂之间的界面，因此，钢材与胶粘剂之间的界面是我们关注的重点。
　　钢材与胶粘剂之间的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个过渡区域，这个区域是从与钢材材料内部性质不同的那一点开始到胶粘剂内与胶粘剂性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于钢材和胶粘剂两相中的任一相，称此区域为界面相或界面层，但人们习惯上把界面相称为界面。由于钢材与胶粘剂接触时在一定条件下可能发生化学反应，或两相元素的扩散、溶解而产生新相，即使不发生上述相互作用，也可能由于胶粘剂固化产生内应力，或两相结构间的诱导效应使接近钢材的胶粘剂部分结构发生不同于胶粘剂本体结构的差异形成界面相。界面相的微观结构对修复结构的整体性能影响很大，主要通过界面相来传递应力，同时界面上的残余应力对整体力学性能也有影响。

6.1.1　粘结的一般过程
　　钢材与胶粘剂之间形成固定的界面需要经历以下二个阶段：
　　阶段是液体胶粘剂与钢材表面接触与浸润过程，这是形成界面结合的必要条件。能否浸润，这主要取决于它们的表面自由能，即表面张力，表面张力是物质的主要表面性能之一，不同的物质由于其组成和结构不同，其表面张力也各不相同，但不论表面张力大小，它总是力图减小物体的表面，趋向于稳定。物体表面下厚度约等于其表面分子作用半径的一层物质称为物体表面层，其表面层分子所处的状态与其本体内部分子所处的状态不同，表面层内的分子，一方面受到内部分子的作用，另一方面又受到外部气体分子的作用，如图6.1所示。但是，气体密度比固体和液体密度要小得多，气体分子对物体表面层分子的作用力也很小。因此，在物体表面层中，每个分子都受到垂直于物体表面并且指向物体内部的不平衡力作用；而处于物体内部的任何一个分子则是四面八方都受到相同分子力的作用，在单位时间里，由于呈各向对称，故所受合力为零，因而是处于平衡的稳定状态。所以，要把一个分子从物体内部迁移到物体表面层，就必须反抗液体内部的作用力而作功，这样，就会增加这个分子的位能，也就是说在物体表面层分子的能量比其内部分子的能量高，固体表面更为明显。一个体系处于稳定平衡时，应有小的位能。当钢材表面与胶粘剂相互接触时，一旦形成界面就会发生降低表面能的各种吸附现象。宏观表现出胶粘剂在钢材材料表面上的铺展现象，即“浸润”。“浸润”好，两相在界面上就有紧密的接触。
　　第二阶段是胶粘剂的固化过程，胶粘剂要与钢材材料形成固定的界面结合，必须经过物理(凝固等)或化学(交联固化等)的固化过程，使胶粘剂分子处于能量低、结构稳定的状态，使钢材与胶粘剂之间的界面固定。界面可以看作是一个单独的相，但是，界面相又依赖于两边的钢材和胶粘剂，影响界面的形成、界面的结构及其稳定性的因素可以分为两大类――物理因素和化学因素。物理因素包括吸附、扩散、机械等作用；而化学因素主要是化学键的结合。
　　形成界面的这两种过程是连续进行的。 
6.1.2　粘结力的来源
　　胶粘剂对钢材的浸润只是二者粘结在一起的前提，它们之间必须形成粘结力，才能使胶粘剂与钢材牢固地结合在一起。对于粘结力的产生，到目前已有很多理论，如浸润理论、化学键理论、静电理论、扩散理论、弱边界层理论、可逆水解理论等，这些理论从一定程度上解释了部分粘结现象和问题。但是，由于界面是在热、力学以及化学等环境条件下形成的体系，具有十分复杂的结构，因此，还没有哪一种理论能够解释所有的界面现象。
1　浸润理论
　　两相界面的浸润性对界面粘结强度有很大的影响。不完全的浸润会在界面上产生缺陷，从而降低粘结强度；良好的浸润性可以增加断裂能和粘附功，从而使粘结强度提高。浸润性理论是1966年由Zisman提出的，该理论认为，浸润是形成界面的基本条件之一，两相因浸润不良会在界面上产生空隙，易产生应力集中而发生开裂；如能实现完全浸润，则胶粘剂在高能表面的物理吸附所提供的粘结强度可超过胶粘剂本体的内聚能。
　　浸润理论认为，两相间的结合模式属于机械粘结与物理吸附。机械粘结模式认为，对于任何物体来说，无论其表面多么光滑平整，从微观上看都是凹凸不平的。在胶粘剂与钢材接触的过程中，液态胶粘剂流入并充满钢材表面的缝隙或凹凸之处，固化后在界面区产生机械咬合力。物理吸附模式则认为，粘结是类似吸附现象的表面过程，胶粘剂中有机大分子通过链段与分子链的运动逐渐向钢材表面迁移，极性基团靠近，当距离小于5A时，能够相互吸引，产生分子间的作用力，也就是所谓的范德华力和氢键力。实际上往往这两种作用同时存在。
　　从界面浸润性的观点来看，要使胶粘剂能在钢材表面尽量铺展开，则胶粘剂的表面张力必须小于钢材的表面张力。浸润理论解释了钢材表面和CFRP表面粗糙化的理由，可以增加表面积从而有利于提高界面粘结力。
2　化学键理论
　　化学键理论认为要使两相之间实现有效的粘结，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键结合形成界面。由于化学键的强度比范德华力高许多倍，因而形成化学键的粘结强度高，也是理想的粘结界面。若两相之间不能直接进行化学反应，也可通过偶联剂的媒介作用以化学键互相结合。例如，在钢材表面涂敷硅烷偶联剂，硅烷偶联剂一端可与钢材表面结合，另一端可参与胶粘剂的固化反应。通过硅烷偶联剂的媒介作用，胶粘剂与钢材之间实现了界面的化学键结合，有效地提高了粘结性能。
　　化学键理论也仅是形成粘结力的一个方面。因此界面的粘结力如果完全由化学键组成，则粘结强度应有很大的提高，而实际上粘结强度并没有理论计算的高，相差很远。一般解释为在界面上仅有个别的接触点能形成化学键，所以在单位面积上所形成的化学键数目只是全部接触中的极少部分，因此化学键对粘结强度不会有数量级的提高，但化学键的存在对界面的耐久性有较大的改善。
3　静电理论
　　静电理论认为，胶粘剂与钢材之间存在双电层，带有不同的电荷，则相互接触时由于静电的相互吸引而产生粘结力。
　　当钢材与高分子胶粘剂紧密接触时，由于钢材对电子的亲合力低，容易失去电子；而非钢材对电子亲合力高，容易得到电子，电子可以从钢材转移，使界面两侧产生接触电势，并形成双电层，双电层电荷性质相反，从而产生静电引力，如图6.2所示。

　　在干燥环境中胶层从钢材表面快速剥离时，可以用仪器或肉眼观察到放电的光、声现象，证实了静电作用的存在。  
　　综合而论，钢材与胶粘剂之间的粘结力是由物理吸附力、化学键力、机械咬合力和静电引力等多种因素构成的，只是在不同的场合下各自的贡献大小不一而已。粘结力存在于两相之间，可分为宏观结合力和微观结合力，宏观结合力是由裂纹及表面的凹凸不平而产生的机械咬合力，而微观结合力包含化学键和次价键，这两种键的相对比例取决于组成成分及其表面性质。化学键结合是强的结合，是界面粘结力贡献的积极因素。