粘贴CFRP加固钢结构界面性能研究

本书系统探讨了纳米材料改性环氧胶黏剂在CFRP（碳纤维增强复合材料）加固钢结构中的应用及其界面性能优化机制。本书基于当前钢结构桥梁疲劳损伤修复的迫切需求，针对传统胶黏剂在高温、湿热及疲劳荷载下性能不足的问题，开展了从材料改性、微观机理到界面性能的系统研究。
全书共分七章，依次阐述了研究背景与现状、纳米材料改性胶黏剂的力学性能与微观结构、分子动力学模拟、胶黏剂关键组分对CFRP 板/钢板界面性能的影响、固化剂混掺对高温下界面性能的改善、温度对界面性能的影响规律，以及湿热与疲劳耐久性研究。通过大量试验与理论分析，揭示了纳米SiO2、碳纳米管等功能化纳米材料对胶黏剂韧性、耐热性与界面黏结性能的增强机制，提出了适用于不同服役环境的胶黏剂优化配比与固化工艺。本书不仅为CFRP 加固钢结构提供了高性能胶黏剂的研制方法与理论基础，也为工程实践中界面性能的评估与预测提供了实用模型与技术指南，具有重要的理论研究价值与工程应用前景。
本书可供从事桥梁与建筑加固设计的技术人员和研究人员、工程施工人员、建设管理人员参考，也可作为高等院校土木工程专业研究生和高年级本科生的教学参考用书。

无

第1章 绪论  001
1.1 研究背景与意义  001
1.2 国内外研究现状分析  003
1.2.1 钢桥疲劳与加固研究方面  003
1.2.2 环氧胶黏剂性能研究方面  007
1.2.3 胶黏CFRP 加固钢结构界面性能研究方面  010
1.3 本章小结  016

第2章 纳米材料改性胶黏剂的力学性能与微观结构  018
2.1 引言  018
2.2 试验概况  019
2.2.1 试验材料  019
2.2.2 试件设计与制作  022
2.2.3 试验方法  025
2.3 试验结果与分析  027
2.3.1 固化剂对胶黏剂力学性能影响  027
2.3.2 纳米材料对胶黏剂力学性能影响  029
2.4 本章小结  042

第3章 纳米材料改性胶黏剂的分子动力学研究  043
3.1 引言  043
3.2 分子动力学模拟  044
3.2.1 模型构建与优化  044
3.2.2 自由体积分析  051
3.2.3 玻璃化转变温度分析  054
3.2.4 链段运动分析  054
3.2.5 内聚能分析  055
3.2.6 力学性能分析  057
3.3 本章小结  061

第4章 胶黏剂关键组分对室温下CFRP 板/钢板界面性能影响  062
4.1 引言  062
4.2 试验概况  063
4.2.1 试验材料  063
4.2.2 试件设计与制作  064
4.3 试验方法  065
4.4 试验结果及分析  066
4.4.1 固化剂对CFRP 板/钢板界面性能的影响  066
4.4.2 纳米SiO2 掺量对CFRP 板/钢板界面性能的影响  076
4.5 本章小结  085

第5章 固化剂混掺对高温下CFRP 板/钢板界面性能影响  086
5.1 引言  086
5.2 试验概况  087
5.2.1 试验材料  087
5.2.2 试件设计与制作  088
5.2.3 试验方法  088
5.3 试验结果及分析  090
5.3.1 胶黏剂基本力学性能  090
5.3.2 CFRP 板/钢板搭接试件界面性能  093
5.3.3 研制胶黏剂的耐高温性能评价  104
5.4 本章小结  110

第6章 基于推荐配比胶黏剂的CFRP 板/钢板界面性能的温度影响  112
6.1 引言  112
6.2 试验概况  113
6.2.1 试验材料  113
6.2.2 试件设计与制作  113
6.2.3 试验方法  113
6.3 试验结果及分析  114
6.3.1 温度对胶黏剂基本力学性能影响  114
6.3.2 温度对CFRP 板/钢板界面性能影响  119
6.4 本章小结  136

第7章 基于推荐配比胶黏剂的CFRP 板/钢板界面湿热及疲劳耐久性  138
7.1 引言  138
7.2 试验概况  139
7.2.1 恒温水浴试验  139
7.2.2 疲劳试验  140
7.3 试验结果及分析  141
7.3.1 湿热耐久性  141
7.3.2 疲劳耐久性  148
7.4 本章小结  154

参考文献  156

钢结构因其高强度、轻质、施工便捷等优点，在桥梁、建筑等土木工程领域得到广泛应用。然而，在长期服役过程中，钢结构常面临疲劳、腐蚀、荷载超限等问题，导致结构性能退化甚至失效。特别是钢桥面板、正交异性板等关键构件，在车辆荷载与环境因素耦合作用下易出现疲劳裂纹，严重影响结构安全与使用寿命。
传统的加固方法如焊接、铆接或粘贴钢板，虽有一定效果，但存在施工复杂、自重增加、易引起应力集中等问题。近年来，CFRP (碳纤维增强复合材料)加固技术因其高强轻质、耐腐蚀、施工便捷等优势，逐渐成为钢结构修复与加固的重要方向。然而，CFRP与钢结构之间的黏结界面是加固体系中的薄弱环节，其性能直接决定了加固效果与耐久性。
目前市场上常用的环氧胶黏剂普遍存在韧性差、耐热性不足、湿热环境下性能退化等问题。尤其是在夏季高温环境下，钢桥面温度可达60℃以上，多数胶黏剂的玻璃化转变温度(Tg)低于50℃，导致界面黏结性能显著下降。此外，纳米材料改性胶黏剂在提升力学性能方面展现出潜力，但其在CFRP板/钢板界面中的多尺度行为、温度与湿热耦合作用下的耐久性等关键问题尚未系统研究。
为此，本书围绕“纳米材料改性胶黏剂-CFRP板/钢板界面性能-环境耐久性”这一主线，开展了从材料设计、微观机理到宏观性能的系统研究。通过引入氧化石墨烯、功能化碳纳米管、纳米SiO2 等纳米材料，显著提升了胶黏剂的拉伸强度、断裂韧性和剪切性能;结合分子动力学模拟，揭示了纳米材料在环氧树脂中的分散机制、自由体积变化与链段运动行为;通过大量双搭接接头试验，系统分析了固化剂种类、纳米材料掺量、环境温度等因素对界面黏结-滑移本构、有效黏结长度、破坏模式的影响规律。
本书首次提出了基于纳米SiO2 与混掺固化剂的胶黏剂优化配比，并建立了考虑温度影响的界面承载力与黏结-滑移本构预测模型。研究结果表明，所研制胶黏剂在70℃高温下仍保持优良的界面性能，其玻璃化转变温度可达85.8℃，远高于常用商品胶黏剂，为CFRP加固钢结构在高温、湿热等恶劣环境下的工程应用提供了理论与技术支撑。
本书的研究成果不仅丰富了CFRP加固钢结构的界面力学理论，也为高性能结构胶黏剂的开发与标准化设计提供了重要参考。希望本书能为从事结构加固、复合材料、胶接技术等领域的研究人员、工程师和研究生提供有益的借鉴与启发。
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

编著者
2025年11月