预张力混合接头的环境老化

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Environmental ageing of pretensioned hybrid joints

　　

研究人员量化了预张力混合接头中胶粘剂级老化向结构响应的载荷路径依赖型转化，并与匹配的粘接接头及螺栓接头参照组进行了对比。两种结构胶粘剂，即聚氨酯（PUR）与环氧树脂（EPX），被分别施用于有机涂层钢板与热浸镀锌钢板，在经过最长6周的气候循环与盐雾暴露后开展研究。集成研究方案包含80个暴露特异性条件单元，各设5个名义重复，对应基于70个物理独立接头系列与350个接头试样的400个矩阵条目；辅以70次本体拉伸试验与28次动态机械分析（DMA）。粘接接头表现出最强的表面依赖与胶粘剂依赖退化：气候暴露下镀锌钢上的EPX，其极限搭接剪切强度由14.86 MPa降至0.40 MPa，断裂能由38.9 J降至1.1 J，而相应混合接头峰值强度仅由22.42 MPa微变为22.55 MPa；在涂层PUR盐雾混合系列中，峰值强度由16.04 MPa升至19.91 MPa，能量由55.3 J增至141.0 J。混合结果中，峰值强度保留率并未暗示起裂相关或耗散相关响应不变。螺栓接头峰值响应保持稳定。结果表明，在对应暴露条件下测得的胶粘剂级响应会依据可用载荷路径被差异化转译，且不存在单一本体—接头关系可描述所有构型。测得接头级趋势与此前直接仪器化研究相容，但老化试样中未测量局部机制。预紧力演化、试样特异性胶层厚度、局部载荷分配与界面化学均未被直接测量；因此六周暴露仅代表加速早期老化而非服役寿命鉴定。

研究背景与立项依据

在钢结构暴露于风化与侵蚀性环境时，接头性能不仅取决于完好静态抗力，更受机械与环境作用下可用载荷路径演化的支配。既有研究多将几何、预紧、胶粘剂体系、表面状态与暴露协议同时变动，导致构型间直接比对困难；胶粘剂老化常脱离对应结构接头单独表征，而接头研究又往往仅报峰值强度，缺乏同步本体与热机械测量，致使起裂、能量耗散与极限抗力的老化后果难以分离。此前关于预张力螺栓—胶粘剂混合接头的研究虽已覆盖静力预测、几何效应、预紧影响、胶层厚度分布及DIC（数字图像相关）/有限元损伤发展，但未将环境暴露与本体力学、热机械、螺栓/粘接/混合三类接头表征在同一匹配矩阵中耦合。本论文发表于《International Journal of Adhesion and Adhesives》，其创新在于建立跨尺度配置分辨老化基准：在固定几何与共享暴露史下，对两种胶粘剂化学、两种防护钢表面态、两条暴露路径、四个老化状态，同步协调测定本体拉伸、DMA、螺栓接头、粘接接头与预张力混合接头响应，从而把“胶粘剂级退化”与“结构后果”直接解耦。

主要技术方法概括

研究人员构建含80个暴露条件单元（每单元5重复，合计350个物理接头试样、70个物理独立系列）的匹配矩阵，辅以70次本体拉伸与28次DMA。接头为6 mm厚钢板200 mm×50 mm单搭构型，叠接区布2×2排布?6.6 mm孔，M6 10.9级螺栓扭矩12 N·m（估约预紧10 kN）；表面态为有机涂层（环氧/聚酰胺底漆约100 μm干膜）与ISO 1461热浸镀锌（焊前70%异丙醇擦拭无额外转化层）。胶粘剂为冷固化双组分PUR与EPX。暴露分气候循环（80 °C/85%RH 6 h ? ?20 °C干态6 h）与盐雾（35 °C、5% NaCl、pH 6.5–7.2）两路，取REF/2W/4W/6W四水平。接头以位移控制拉伸至破坏，提取面积归一化峰值剪应力τ_u、起裂敏感τ_kink、下降段τ_drop及耗能W=∫F(u)du；本体按DIN EN ISO 527测E_t、σ_m、ε_m、σ_b、ε_b，DMA按2 K/min扫温提23 °C储能模量E′、损耗模量E″与tanδ峰位T_g；断口采用A/BL/C半定量分区评分；统计用逐步单因素ANOVA（α=0.05）配Shapiro–Wilk与Levene检验及Cohen's d效应量。

研究结果

3.1 胶粘剂本体

3.1.1 拉伸试验：PUR在气候循环下E_t与σ_m于2W/4W低于REF、6W部分回升；盐雾下E_t持续低于REF，ε_m、ε_b偏高且离散。EPX两类暴露E_t均低于REF，σ_m非单调（气候循环均匀降、盐雾4W暂升6W再降），属中度本体损失而非灾难性退化。断裂应变CV在PUR盐雾6W达54.9%，趋势判读需谨慎。

3.1.2 DMA（文内简述）：存储/损耗模量与T_g随暴露偏移，但变化幅度不及特定粘接系统接头强度崩溃，印证本体—接头非线性传递。

3.2 接头级响应

螺栓接头：峰值面积归一化指标在两条暴露路下四水平间基本稳定，验证机械路径不依赖胶粘剂老化。

粘接接头：镀锌EPX气候6W时τ_u由14.86降至0.40 MPa、断裂能38.9→1.1 J，退化最剧；涂层PUR盐雾下亦显著失落。表面态与胶粘剂化学强交互：EPX配镀锌弱、PUR配涂层相对耐盐雾。

混合接头：镀锌EPX气候6W中τ_u^?=1.006（峰值几乎保留），但起裂敏感τ_kink^?=0.608、耗能W^?=1.212，显示峰值保留≠起裂/耗散保留；涂层PUR盐雾混合τ_u由16.04升至19.91 MPa、W由55.3升至141.0 J，螺栓路径参与改变载荷再分配。跨混合结果一致表明：胶粘剂级响应按可用载荷路径差异化转译，无通用本体—接头关系式。

3.3 断口与表观

老化粘接试样AD（粘附）比例上升、BL（边界层内聚）出现、C（内聚）缩减；镀锌系列伴锌腐蚀产物伸入叠接区。混合断口因螺栓止裂呈不同分区权重。表观锈蚀分无/轻/中/重四级仅作图像记录，未折算质量损失。

讨论与结论翻译

讨论指出，六周暴露属加速早期老化，不代表服役寿命认证；预紧力残留、试样特异胶层厚（文献上下文PUR≈22 μm、EPX≈84 μm但未在本几何实测）、局部接触摩擦与界面化学未直接监测，故机制解释依赖此前DIC/FEA仪器化先验而非本老化样重测。峰值强度保留在混合构型中掩盖了起裂门槛下移与耗能轨迹改变，若仅以峰值评价耐久会误判。涂层态与镀锌态对比应理解为“所研制备态系统级对比”，不可外推至喷砂/转化层优化预处理。

研究结论：在匹配老化下，峰值强度保留与起裂敏感保留、能量耗散保留脱钩；观测到的结构保留取决于可用载荷路径而非单靠测得胶粘剂级响应。镀锌EPX经六周气候暴露，混合接头τ_u^?=1.006而对应粘接系列仅τ_u^?=0.027，该区分无法由纯胶粘剂表征或单构型接头研究获得。螺栓参照稳定、粘接特定系统剧衰、混合峰值保真但次指标迁移——这一解耦只能由跨尺度匹配矩阵显现。结论限定于焊前擦拭热浸镀锌与有机涂层两态、PUR/EPX两胶、气候/盐雾两路、最长6周加速早期窗口，不替代长期服役鉴定，也不推广至机械/化学预处理镀锌钢。