1.研究背景
碳纖維增強聚合物(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)因其卓越的力學性能和耐腐蝕性被廣泛應用于鋼結構的加固工程中。
研究表明 CFRP 與鋼結構之間的界面粘結性能對于加固效果影響較大，故需對CFRP-鋼結構界面剪切滑移性能進行研究。傳統測量方式是通過在CFRP表面貼應變片，粘貼會存在間距，致使測量結果離散，且操作繁瑣，成本高昂。
數字圖像相關技術DIC作為一種非接觸式光學測量手段，基于數字圖像相關和雙目視覺測量原理重建被測物表面點在變形前后的三維空間坐標，進而獲取形貌與變形信息，與應變片比具有可視化、全場連續動態測量等特點。
2.試驗簡介
研究人員通過雙剪試驗，采用千眼狼3D-DIC非接觸應變測量系統，研究3類溫度（-10°C、25°C、60°C），3類濕度（30%、60%、90%），4種粘結長度（40mm、60mm、80mm、100mm），2種膠層厚度（0.5mm、1mm）對CFRP-鋼界面的剪切應力分布，并通過平滑法擬合其剪切-滑移本構關系。
圖1 CFRP-鋼板試件
3.試驗步驟
1）按3類溫度、3類濕度、4種粘結長度、2種膠層厚度四個維度有效搭配，準備共計56個雙剪試件，試件由兩塊鋼板、兩塊CFRP板通過粘結劑粘結組成。如圖1所示。
2）將待觀察應變的一側CFRP板打磨后噴白色啞光漆，粘貼散斑。如圖2（左）所示。
3）使用500kN疲勞試驗機加載，速率0.2mm/min，采集頻率100Hz。
4）利用標定板對試件標定，確定CFRP板上散斑點位置與軟件中對應點的位置關系。
5）采用千眼狼3D-DIC非接觸應變測量系統，以1Hz頻率與疲勞試驗機同步采集，記錄加載過程中CFRP板的應變分布變化。如圖2（右）所示。
6）加載結束后使用千眼狼3D-DIC軟件計算CFRP表面應變數據。
圖2試件制作步驟及加載裝置
4.試驗部分數據
圖3為-10°C、100mm粘結長度、0.5mm膠層厚度、30%濕度下試件在不同載荷下，用千眼狼3D-DIC技術捕捉的不同載荷下應變分布的演化過程和局部應變和應力集中現象。起初，應變主要集中在加載端，呈現出高應變梯度。 隨著荷載增加，應變影響區域逐漸向自由端擴散，表明剪應力界面的影響區域逐漸增大。
圖3 DIC應變云圖
根據3D-DIC分析數據，可獲得每個試件拉伸時CFRP的軸向應變數據。圖4 為A（-10°C）、B（25°C）組中4個存在應變軟化試件的應變分布曲線。以峰值載荷Pu 為依據，依次繪出0.2 Pu、0.4 Pu、0.6 Pu、0.8 Pu、Pu 的應變分布曲線。初始加載階段，軸向應變主要在加載端附近高度集中，且最大應變隨著施加載荷的提升而增加。當荷載達到特定值，界面剝離的跡象便顯現，隨后最大應變趨于穩定并在一定區間內波動。
圖4 部分應變軟化試件軸向應變分布曲線
5.研究總結
研究基于雙剪試驗探析溫濕度養護環境對CFRP與鋼板界面粘結性能的影響機理。分析溫度、相對濕度、粘結長度、膠層厚度因素對粘結性能的影響，采用3D-DIC技術獲得CFRP板表面的應變場，分析靜載拉伸過程中CFRP-鋼板粘結界面力學性能及破壞過程。
試驗結果表明：60°C與60%相對濕度養護條件下粘結峰值載荷較高；低溫和高濕環境易致界面失效；溫度升高和濕度增加均會導致界面剪應力峰值降低與滑移量增加；粘結長度的增加有助于分散區域應力，較薄的膠層有助于提高界面剪應力峰值和改善應力分布。研究為CFRP加固鋼結構的工程應用提供理論支持和設計參考。
文章來源《溫濕度養護環境對CFRP-鋼板界面粘結性能的影響》
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