Durability and fatigue performance of a typical cold-curing structural adhesive in bridge construction

Abstract

The science of adhesives and adhesion for structural connections has undergone significant development during the last few decades - and successfully so in a wide variety of industries. Recent applications of structural bonding are being adopted in the construction sector, and particularly in bridge engineering for the rehabilitation and strengthening of existing structures or new constructions. Knowledge concerning structural bonding, however, is rarely specifically intended for the civil engineering domain, where, unlike in aerospace and automotive applications, in situ conditions involve the manufacturing control of often large bonding surfaces and use of cold-curing adhesives, particularly epoxy-based, under uncontrolled weather conditions. Various environmental factors may influence the durability of a bonded bridge connection throughout the long-term service life, with concurrent effects on the development of the physical and mechanical properties of the adhesive that participates in the structural integrity of the joint. In parallel, the curing degree of cold-curing adhesives, which is not completely developed particularly in the earlier age, continues to govern both the physical and mechanical responses of the adhesive. Despite a significant amount of current research on the long-term characterization of cold-curing structural adhesives, precise information concerning the reliability of these materials over their long-term service life, of up to 100 years in the case of bridge applications, is yet to be compiled in order to encourage their wider use by bridge engineers. The objective of this work, based on an extensive experimental campaign followed by analytical and numerical approaches, has therefore been to investigate the long-term effects of curing and aging on the property development of a cold-curing epoxy adhesive under exposure to environmental and cyclic mechanical actions like those typically encountered in bridge applications. Investigations have been conducted concerning adhesive exposures under dry conditions, in normal cases of sealed bridge joints, and wet conditions, when the sealing is distorted or the adherends are permeable, or cases of alkaline attacks when the adhesive is in contact with cementitious substrates. Physical aging (densification) in the earlier age and curing continuation in the later age govern the physical and mechanical property development in the case of dry environments, while curing effects are compensated by plasticization in the later age in wet environments. In both dry and wet environments, the tensile E-modulus developed almost independently of the adhesive’s curing degree, in contrast to the tensile strength, which however converged to similar values within the investigating times despite differences in the glass transition temperatures. A 30% reduction of the tensile E-modulus and strength over a 100-year life in immersed conditions has been predicted, but is found to be fully reversible upon drying. The adhesive’s exposure to alkaline solutions had no detrimental effect. The adhesive environmentally aged over periods of up to 100 years by accelerated conditioning is capable of attaining fatigue lives of ca. 10 million cycles, typical for a bridge lifetime, without failure at maximum cyclic stress levels of higher than 5 MPa. The results of this study are implemented in bridge design concepts and practical recommendations are provided. A preconditioning program for adhesive test specimens is proposed to ascertain the strength and elastic modulus properties relevant to the first year in service. The moisture ingress into the adhesive layer of two typical bridge joints has been numerically investigated and the corresponding degradation of mechanical properties is derived. Depending on the joint type, this effect may be critical, as for example in the case of the thin bondlines of CFRP strengthening elements.

Η επιστήμη των συγκολλητικών μέσων και της πρόσφυσης σε συνδέσεις δομικών στοιχείων έχει αναπτυχθεί σημαντικά κι επιτυχώς τις τελευταίες δεκαετίες, με εφαρμογές σε ευρύ φάσμα βιομηχανιών. Εφαρμογές συγκόλλησης δομικών στοιχείων έχουν υιοθετηθεί πρόσφατα και στον κατασκευαστικό τομέα. Ειδικότερα στη γεφυροποιία οι εφαρμογές αφορούν τόσο στην αποκατάσταση κι ενίσχυση υφιστάμενων όσο και σε νέες κατασκευές. Στο συγκεκριμένο κλάδο σε αντίθεση με άλλους, όπως η αεροδιαστημική κι η αυτοκινητοβιομηχανία, υπάρχουν πολλά περιθώρια εμπλουτισμού του ερευνητικού έργου καθώς οι συνθήκες πεδίου απαιτούν τον έλεγχο κατασκευής μεγάλων επιφανειών συγκόλλησης και τη χρήση συγκολλητικών ψυχρής εφαρμογής, κυρίως εποξειδικής σύστασης, κάτω από ανεξέλεγκτες καιρικές συνθήκες. Διάφοροι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορεί να επηρεάσουν την ανθεκτικότητα μιας συγκολλητής σύνδεσης σε γέφυρα κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής της, με ταυτόχρονες επιδράσεις στην ανάπτυξη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων της κόλλας, επηρεάζοντας την κατασκευαστική αρτιότητα της σύνδεσης. Παράλληλα, ο βαθμός σκλήρυνσης των κολλών ψυχρής εφαρμογής, ο οποίος δεν είναι πλήρως ανεπτυγμένος ιδιαίτερα στην πρώιμη ηλικία, συνεχίζει να διέπει τόσο τη φυσική όσο και τη μηχανική απόκριση της κόλλας. Παρά την πρόσφατη έρευνα που έχει διεξαχθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, ο μακροπρόθεσμος προσδιορισμός των ιδιοτήτων των συγκολλητικών ψυχρής εφαρμογής επιδέχεται βελτίωσης. Η αξιοπιστία των υλικών αυτών στη διάρκεια του κύκλου ζωής μιας γέφυρας (100 έτη), πρέπει να ενισχυθεί ώστε να ενθαρρυνθεί η ευρύτερη χρήση τους από τους μηχανικούς των γεφυρών. Ο στόχος αυτής της εργασίας, που βασίστηκε σε εκτεταμένα πειράματα, αναλυτικές κι αριθμητικές προσεγγίσεις, ήταν η διερεύνηση των μακροπρόθεσμων επιδράσεων της σκλήρυνσης και γήρανσης στην ανάπτυξη των ιδιοτήτων μιας εν ψυχρώ εποξειδικής κόλλας που υποβλήθηκε σε περιβαλλοντικές και κυκλικές μηχανικές φορτίσεις, όπως εκείνες που συναντώνται συνήθως στη γέφυρα. Η συμπεριφορά της κόλλας εξετάστηκε σε ξηρές συνθήκες, που αντιστοιχούν σε υδατοστεγανές συνδέσεις γέφυρας, και σε υγρές συνθήκες, που αντιστοιχούν σε περιπτώσεις που η μόνωση έχει προσβληθεί, οι προσκολλήσεις είναι διαπερατές ή το περιβάλλον είναι αλκαλικό (η κόλλα είναι σε επαφή με τσιμεντοειδή υποστρώματα). Σε ξηρό περιβάλλον η φυσική γήρανση (πύκνωση) στην πρώιμη ηλικία κι η συνέχιση της σκλήρυνσης στη μετέπειτα ηλικία παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων, ενώ σε υγρό περιβάλλον η διαδικασία της σκλήρυνσης αντισταθμίζεται από την πλαστικοποίηση σε μεταγενέστερη ηλικία. Το μέτρο ελαστικότητας E αναπτύχθηκε σχεδόν ανεξάρτητα από το βαθμό σκλήρυνσης της κόλλας, τόσο σε ξηρό όσο και σε υγρό περιβάλλον, σε αντίθεση με την αντοχή σε εφελκυσμό, η οποία ωστόσο συνέκλινε σε παρόμοιες τιμές εντός των χρόνων διερεύνησης παρά τις διαφορές στη θερμοκρασία υαλώδους μεταπτώσεως. Σε συνθήκες εμβάπτισης προβλέφθηκε μείωση 30% του μέτρου ελαστικότητας Ε και της αντοχής για κύκλο ζωής 100 ετών, η οποία ήταν πλήρως αναστρέψιμη κατά την ξήρανση. Η έκθεση της κόλλας σε αλκαλικά διαλύματα δεν είχε καμία επιβλαβή επίδραση. Τα δοκίμια της εποξειδικής κόλλας που συντηρήθηκαν σε προσομοιωμένο φυσικό περιβάλλον γέφυρας με επιταχυνόμενες εργαστηριακά συνθήκες μέχρι και τα 100 έτη, στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε 10 εκατομμύρια κύκλους φόρτισης, όσους αναμένεται να λάβουν χώρα στη διάρκεια ζωής της γέφυρας. Δεν εμφανίστηκε αστοχία σε μέγιστα επίπεδα κυκλικής φόρτισης μεγαλύτερα από 5 MPa. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης εφαρμόστηκαν σε αντιπροσωπευτικά σενάρια σχεδιασμού συνδέσεων γεφυρών και συστήνονται καλές πρακτικές. Προτείνεται δειγματοληπτική προφόρτιση της κόλλας για να εκτιμηθεί η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας κατά τον πρώτο χρόνο λειτουργίας. Προσομοιώθηκε αριθμητικά η διείσδυση υγρασίας στο συγκολλητικό στρώμα δύο τυπικών συνδέσεων στοιχείων γέφυρας και υπολογίστηκε η αντίστοιχη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων της. Ανάλογα με τον τύπο της σύνδεσης το αποτέλεσμα μπορεί να είναι κρίσιμο, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ενίσχυσης στοιχείων με λεπτές λωρίδες CFRP.

La science des adhésifs utilisés pour les connexions structurales s’est largement développée durant les dernières décennies dans une large variété d’industries. Des applications récentes de collages structuraux sont utilisées dans le secteur de la construction, et en particulier dans le domaine des ponts dans le cadre de l’assainissement et le renforcement d’ouvrages existants ou dans des nouvelles structures. Les connaissances associées au collage structural sont toutefois généralement limitées en ingénierie civile, où, contrairement aux applications dans les domaines tels que l’aérospatial et l’automobile, les conditions in situ impliquent un contrôle lors de la production de larges surfaces de contact avec l’utilisation d’adhésif avec durcissement à froid –principalement à base d’époxy– dans des conditions climatiques variables. Plusieurs facteurs environnementaux peuvent influencer la durabilité des connexions collées d’un pont lors de sa durée de service à long-terme, avec des effets simultanés sur le développement des propriétés physiques et mécaniques de l’adhésif qui participent à l’intégrité structurale du joint. Parallèlement, le niveau de durcissement d’adhésifs durcis à froid, qui n’est pas complètement développé (particulièrement à jeune âge), continue à contrôler les réponses physiques et mécaniques de l’adhésif. Malgré la quantité importante de recherches sur la caractérisation à long-terme d’adhésifs structuraux durcis à froid, des informations précises sur la fiabilité de ces matériaux à long-terme –jusqu’à 100 ans dans le cas des ponts– doivent encore être obtenues pour en encourager une plus large utilisation par les ingénieurs. L’objectif de ce travail, basé sur une importante campagne expérimentale ainsi que des approches analytiques et numériques, est d’étudier les effets à long-terme du durcissement et du vieillissement sur le développement des propriétés des adhésifs durcis à froid, exposés à l’environnement et des cycles de sollicitations mécaniques similaires à ce qui peuvent apparaître dans des applications pratiques. Des études ont été menées sur des adhésifs dans des conditions sèches –cas usuel pour les ponts à joints avec étanchéité– et des conditions humides –lorsque l’étanchéité est altérée ou les composants collés sont perméables– ou encore dans le cas d’attaques alcalines pouvant apparaître lorsque l’adhésif est en contact avec des substrats de ciment. Le vieillissement physique (densification) et le durcissement contrôlent –respectivement au jeune âge et à long terme– le développement des propriétés physiques et mécaniques dans le cas d'environnements secs. Dans des environnements humides, les effets du durcissement sont compensés par la plastification à long-terme. Dans ces deux types d’environnements, le module d’élasticité à la traction E se développe presque indépendamment du niveau de durcissement de l’adhésif, au contraire de la résistance à la traction qui, dans les deux cas, converge à des valeurs identiques dans le temps d’étude considéré malgré des différences dans les températures de transition vitreuse. Une réduction de 30% a été prédite pour le module d’élasticité à la traction E ainsi que la résistance de l’adhésif sur une durée de service de 100 ans pour des conditions immergées, mais ceci est totalement réversible lors du séchage. L’exposition des adhésifs à des solutions alcalines n’a également pas montré d’effets nuisibles. Les adhésifs vieillis par l’environnement sur une période jusqu’à 100 ans (en accélérant le conditionnement) peuvent atteindre une résistance à la fatigue d’environ 10 millions de cycles –correspondant à la durée de service d’un pont– sans rupture pour des cycles de charge avec contraintes maximales supérieures à 5 MPa. Les résultats de cette étude sont implémentés dans des concepts de dimensionnement pour ponts et des recommandations pratiques sont également fournies. Un programme de conditionnement pour échantillons d’adhésifs en vue d’essais est proposé pour vérifier les propriétés de résistance et de module d’élasticité nécessaires pendant la première année de service. La pénétration de l’humidité dans les couches de l’adhésif a été numériquement étudiée pour deux détails typiques de joints de ponts, et la dégradation des propriétés mécaniques résultante en est dérivée. Selon le type de joint, cet effet peut être critique, comme par exemple dans le cas de fines couches d’adhésif utilisées pour des renforcements avec CFRP.