王小萌等：干/湿状态下HFRP搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型 ·1397· 纤维增强复合材料(FRP)因其自身质轻高强易施 牌，其中环氧树脂型号为618，固化剂型号为650，按照 工等优异的性能，已广泛应用于航空航天、车辆及土木 I:1的质量比进行混合制备.HFRP为中国南京海拓复 工程等诸多领域.为了综合不同纤维的优点，目前已 合材料有限公司生产的C/GRP单向混杂纤维布. 由原来单一FRP发展出了混杂FRP(HFRP)技术.HFRP HFRP试件如图1(a)所示，根据国标GB/T1040.5一 有着优异的综合性能，在提高了FRP综合力学性能的同 2008[uo的规定，试件主体长度为250mm,厚度为0.65 时，增大了材料利用率，降低了材料成本，从而达到“1+ mm,宽度为25mm.两端用厚度为2mm,长度为50mm 1>2”的效果四，因此HFRP技术很具应用潜力. 的铝片进行加固.HFRP搭接试件如图1(b)所示，试 结构中为实现载荷的传递，FRP之间的连接是必 件主体长度为251mm(如图2所示).根据文献[)对 不可少的，搭接是FRP最主要的连接形式之一.其中 不同搭接长度的FRP胶接接头的强度试验，搭接长度 环氧树脂因其黏结性能好、施工简便、黏结接头应力分 在20mm以下，搭接长度越长，强度越大，但搭接长度 布均匀等优点逐渐成为FRP搭接用胶的首选.然而胶 到了一定阶段，随着长度的增加，强度变化不大.因 接接头的性能受黏结剂自身的力学性能以及黏结剂与 此，本试验接头的搭接长度选择40mm.胶层厚度为 FRP黏附性能的限制，剪切强度较低，FRP搭接结构的 0.25mm. 失效往往发生在接头处.对此国内外学者对胶接接头 展开了大量研究.Dean)的研究表明，环氧树脂所受 应力以及所处环境的湿度均对其蠕变行为有明显的影 (a) 响，张军等)对不同恒定应力以及不同环境下环氧树 脂的拉伸蠕变性能进行了试验研究，结果表明湿热环 境对环氧树脂拉伸蠕变性能影响显著，且这种影响随 (b) 着应力的增大被逐步扩大.Knight等[、Korta等)、 图1试件.(a)HFP试件：(b)双搭接试件 Liu等[o、Kim等[]分别对铝、钢、FRP等不同材质的 Fig.1 Specimens:(a)HFRP;(b)double-lap joint 单、双胶结接头的力学性能进行了试验研究，并考虑湿 热、干湿循环、冻融循环等环境条件对试件的影响，试 125 验结果表明经过湿热、干湿循环、冻融循环处理后的接 头，与常温常湿对照组相比，其剪切模量与剪切强度均 有明显的下降.山等[6]的研究表明湿度的增加导致 0回 碳纤维增强复合材料(CFRP)搭接接头的破坏模式由 251 树脂破坏转变为树脂/纤维界面破坏，但温度的变化不 图2双搭接试件的尺寸（单位：mm) 会导致破坏模式的改变.在长期力学性能方面，Jhin Fig.2 Dimension of the double-lap joint specimen unit:mm) 等[)对铝板胶结接头在静载、疲劳荷载以及恒定荷载 作用下的力学性能进行了试验，并建立了混合断裂模 1.2试验方法 式下的黏聚力模型.Khalil等[]对铝板胶接接头的蠕 首先进行HFRP搭接接头的剪切强度试验，试件 变性能进行了试验研究，并在接头处加入双向编织的 的破坏形态如图3所示.剪切强度的平均值为12.1 CFRP、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玻璃纤维增强 MPa.蠕变试验的恒定应力根据极限强度选定，取剪 复合材料(GFRP)进行加强，试验表明FRP的加入可 切强度的30%~70%，分别为4,6和8MPa. 明显改善胶结接头的蠕变性能. 剪切蠕变试验在长春试验机研究所生产CSS- 已有研究结果表明，环氧树脂胶结FRP接头具有 3910电子蠕变试验机进行（如图4所示），配套的 明显的黏弹性，在长期荷载作用下将导致黏接结构的 EDC120/60数字控制器由德国D0LI电子公司生产的 蠕变，最终可能导致黏接结构失去原有形态而丧失功 配以计算机系统组合而成.配套引伸计的精确度为 能.因此对于P搭接结构，在满足强度要求的情况下， 0.001mm.试件的剪切蠕变变形计算方法如下所示. 还应保证其能够长期使用而不发生失效.此外，RP搭接 设引伸计测点分别为A-A'与B-B'(如图5所 头可能会在不同工作环境以及载荷水平下工作，因此必 示).A-A'到B-B的距离为△B·试验开始后，蠕变试 须深入研究上述环境因素对其长期性能的影响. 验机开始加载，在t。时达到至指定荷载P,此时FRP受 1试验材料与方法 力产生变形，令FRP变形引起的△s的增加量为 △，，则此时搭接接头的剪切弹性应变y为： 1.1试件与材料 y.=4u()-4m) (1) 本试验采用的环氧树脂与固化剂均为国产凤凰 2h王小萌等: 干/ 湿状态下 HFRP 搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型 纤维增强复合材料(FRP)因其自身质轻高强易施 工等优异的性能,已广泛应用于航空航天、车辆及土木 工程等诸多领域. 为了综合不同纤维的优点,目前已 由原来单一 FRP 发展出了混杂 FRP(HFRP)技术. HFRP 有着优异的综合性能,在提高了 FRP 综合力学性能的同 时,增大了材料利用率,降低了材料成本,从而达到“1 + 1 >2冶的效果[1] ,因此 HFRP 技术很具应用潜力. 结构中为实现载荷的传递,FRP 之间的连接是必 不可少的,搭接是 FRP 最主要的连接形式之一. 其中 环氧树脂因其黏结性能好、施工简便、黏结接头应力分 布均匀等优点逐渐成为 FRP 搭接用胶的首选. 然而胶 接接头的性能受黏结剂自身的力学性能以及黏结剂与 FRP 黏附性能的限制,剪切强度较低,FRP 搭接结构的 失效往往发生在接头处. 对此国内外学者对胶接接头 展开了大量研究. Dean [2] 的研究表明,环氧树脂所受 应力以及所处环境的湿度均对其蠕变行为有明显的影 响,张军等[3]对不同恒定应力以及不同环境下环氧树 脂的拉伸蠕变性能进行了试验研究,结果表明湿热环 境对环氧树脂拉伸蠕变性能影响显著,且这种影响随 着应力的增大被逐步扩大. Knight 等[4] 、Korta 等[5] 、 Liu 等[6] 、Kim 等[7] 分别对铝、钢、FRP 等不同材质的 单、双胶结接头的力学性能进行了试验研究,并考虑湿 热、干湿循环、冻融循环等环境条件对试件的影响,试 验结果表明经过湿热、干湿循环、冻融循环处理后的接 头,与常温常湿对照组相比,其剪切模量与剪切强度均 有明显的下降. Liu 等[6] 的研究表明湿度的增加导致 碳纤维增强复合材料(CFRP)搭接接头的破坏模式由 树脂破坏转变为树脂/ 纤维界面破坏,但温度的变化不 会导致破坏模式的改变. 在长期力学性能方面,Jhin 等[8]对铝板胶结接头在静载、疲劳荷载以及恒定荷载 作用下的力学性能进行了试验,并建立了混合断裂模 式下的黏聚力模型. Khalili 等[9]对铝板胶接接头的蠕 变性能进行了试验研究,并在接头处加入双向编织的 CFRP、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玻璃纤维增强 复合材料(GFRP) 进行加强,试验表明 FRP 的加入可 明显改善胶结接头的蠕变性能. 已有研究结果表明,环氧树脂胶结 FRP 接头具有 明显的黏弹性,在长期荷载作用下将导致黏接结构的 蠕变,最终可能导致黏接结构失去原有形态而丧失功 能. 因此对于 FRP 搭接结构,在满足强度要求的情况下, 还应保证其能够长期使用而不发生失效. 此外,FRP 搭接 头可能会在不同工作环境以及载荷水平下工作,因此必 须深入研究上述环境因素对其长期性能的影响. 1 试验材料与方法 1郾 1 试件与材料 本试验采用的环氧树脂与固化剂均为国产凤凰 牌,其中环氧树脂型号为 618,固化剂型号为 650,按照 1颐 1的质量比进行混合制备. HFRP 为中国南京海拓复 合材料有限公司生产的 C/ GFRP 单向混杂纤维布. HFRP 试件如图 1( a)所示,根据国标 GB/ T 1040郾 5 ― 2008 [10]的规定,试件主体长度为 250 mm,厚度为 0郾 65 mm,宽度为 25 mm. 两端用厚度为 2 mm,长度为 50 mm 的铝片进行加固. HFRP 搭接试件如图 1( b)所示,试 件主体长度为 251 mm(如图 2 所示). 根据文献[11] 对 不同搭接长度的 FRP 胶接接头的强度试验,搭接长度 在 20 mm 以下,搭接长度越长,强度越大,但搭接长度 到了一定阶段,随着长度的增加,强度变化不大. 因 此,本试验接头的搭接长度选择 40 mm. 胶层厚度为 0郾 25 mm. 图 1 试件. (a) HFRP 试件;(b) 双搭接试件 Fig. 1 Specimens: (a) HFRP; (b)double鄄lap joint 图 2 双搭接试件的尺寸(单位:mm) Fig. 2 Dimension of the double鄄lap joint specimen (unit: mm) 1郾 2 试验方法 首先进行 HFRP 搭接接头的剪切强度试验,试件 的破坏形态如图 3 所示. 剪切强度的平均值为 12郾 1 MPa. 蠕变试验的恒定应力根据极限强度选定,取剪 切强度的 30% ~ 70% ,分别为 4,6 和 8 MPa. 剪切蠕变试验在长春试验机研究所生产 CSS鄄鄄 3910 电子蠕变试 验 机 进 行 ( 如 图 4 所 示),配 套 的 EDC120 / 60 数字控制器由德国 DOLI 电子公司生产的 配以计算机系统组合而成. 配套引伸计的精确度为 0郾 001 mm. 试件的剪切蠕变变形计算方法如下所示. 设引伸计测点分别为 A鄄鄄 A忆与 B鄄鄄 B忆(如图 5 所 示). A鄄鄄A忆到 B鄄鄄B忆的距离为 驻AB . 试验开始后,蠕变试 验机开始加载,在 t 0时达到至指定荷载 P,此时 FRP 受 力产 生 变 形, 令 FRP 变 形 引 起 的 驻AB 的 增 加 量 为 驻AB,FRP ,则此时搭接接头的剪切弹性应变 酌e为: 酌e = 驻AB (t 0 ) - 驻AB,FRP (t 0 ) 2h . (1) ·1397·