高韌性聚氨酯水泥復(fù)合材料力學(xué)性能研究

張可心，孫全勝

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來(lái)，由于超載、鋼筋腐蝕和混凝土老化等因素，許多橋梁結(jié)構(gòu)面臨著結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和維修的問(wèn)題[1]。在最近的幾十年中，用于橋梁結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和維修的費(fèi)用已經(jīng)逐年增加。因此，如何經(jīng)濟(jì)、快速、有效的對(duì)橋梁進(jìn)行加固，成為橋梁事業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。聚氨酯是一種性能優(yōu)良的高分子材料，有許多優(yōu)良的性能，如耐磨、綜合力學(xué)強(qiáng)度好等。

目前，聚氨酯膠凝材料的力學(xué)性能開(kāi)始引起人們對(duì)聚氨酯類(lèi)加固材料力學(xué)性能的探索。Haleem等[2]通過(guò)對(duì)聚氨酯粉煤灰立方體試塊獲得了材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，同時(shí)將聚氨酯粉煤灰運(yùn)用到混凝土梁的加固實(shí)驗(yàn)中，獲得了良好的加固效果。

將聚氨酯原料與水泥混合后形成的聚氨酯水泥材料，具有良好的粘結(jié)性能、高韌性、輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。本文以高韌性聚氨酯水泥為研究對(duì)象，對(duì)不同密度下的聚氨酯水泥材料進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)高密度聚氨酯水泥進(jìn)行鋼筋拉拔、混凝土軸向拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和抗折粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O32.5，哈爾濱亞太水泥廠；聚氨酯原料：異氰酸酯，萬(wàn)華PM200，上海萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，聚酯多元醇，山東益盛聚氨酯有限公司，聚氨酯原料比例如表1所示；消泡劑：硅油，江蘇省海安石油化工廠；催化劑：磷酸，河南順博化工產(chǎn)品有限公司。

表1 聚氨酯原料的質(zhì)量比例 %

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

聚氨酯原料和水泥作為主要材料，催化劑磷酸摻量占聚氨酯原料質(zhì)量的0.3%，使材料獲得較好的固化時(shí)間。根據(jù)消泡劑硅油的含量不同配制不同密度的聚氨酯水泥材料，聚氨酯水泥配合比如表2所示。

表2 聚氨酯水泥的配合比

將水泥在高溫下烘干，去除水泥中的自由水。按照比例將異氰酸酯和水泥混合攪拌1min，將摻有硅油和催化劑的聚酯多元醇倒入混合物中，攪拌3min。將攪拌后的聚氨酯水泥材料倒入相應(yīng)模具中。待試件固化后24h脫模，在常溫下養(yǎng)護(hù)28d。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）抗折強(qiáng)度：根據(jù)JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，每種配合比澆筑6個(gè)100mm×100 mm×400mm的棱柱體試件。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折試驗(yàn)。

（2）抗壓強(qiáng)度：根據(jù)JTG E30-2005進(jìn)行測(cè)試，每種密度澆筑6個(gè)70.5 mm×70.5 mm×70.5 mm的立方體試件。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

（3）握裹強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)加固中，聚氨酯水泥材料與鋼筋握裹強(qiáng)度直接影響加固后結(jié)構(gòu)的受力性能，因此鋼筋與聚氨酯水泥復(fù)合材料之間握裹強(qiáng)度是評(píng)價(jià)聚氨酯水泥材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)。制作3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的聚氨酯水泥鋼筋拉拔試件，聚氨酯水泥密度約為1500 kg/m3，拉拔鋼筋直徑為10 mm的光圓鋼筋，錨固深度為150 mm。在鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度被拔斷而導(dǎo)致試驗(yàn)終止，記錄下極限強(qiáng)度。

（4）拉拔試驗(yàn)：加固材料與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)破壞通常影響結(jié)構(gòu)加固耐久性，材料的粘結(jié)強(qiáng)度越高，加固材料自身越不容易與加固梁體發(fā)生脫離，因此通過(guò)軸向拉伸試驗(yàn)獲得聚氨酯水泥材料與混凝土的拉伸粘結(jié)破壞形式和粘結(jié)力顯得尤為重要。將100 mm×100 mm×400 mm的普通混凝土試塊用混凝土切割機(jī)切割成100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊，頂面中心澆筑50 mm×50 mm×50 mm的聚氨酯水泥材料，聚氨酯水泥密度約為1500 kg/m3，聚氨酯水泥中預(yù)埋直徑為12 mm的螺栓，埋入深度40 mm。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

（5）粘結(jié)試驗(yàn)：在結(jié)構(gòu)受力中，通常情況下為粘結(jié)材料與混凝土之間的抗折粘結(jié)受力形式，因此對(duì)材料進(jìn)行抗折粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)尤為重要。將70.5 mm×70.5 mm×70.5 mm的立方體模具兩側(cè)放入預(yù)先切割好70 mm×70 mm×70 mm的混凝土試塊，混凝土中間澆筑密度約為1500 kg/m3的聚氨酯水泥材料，高度為60 mm的抗折試件。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

不同密度聚氨酯水泥的抗折強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 不同密度聚氨酯水泥的抗折強(qiáng)度

由表3可知，聚氨酯水泥抗折強(qiáng)度隨著密度增加而提高。密度為372～443 kg/m3的聚氨酯水泥材料抗折強(qiáng)度為6.6～7.3 MPa，密度為1476～1552 kg/m3的聚氨酯水泥抗折強(qiáng)度為32.6～34.3 MPa。圖1為抗折強(qiáng)度與密度關(guān)系。

圖1 聚氨酯水泥材料抗折強(qiáng)度與密度的關(guān)系

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可得出密度與抗折強(qiáng)度關(guān)系如下：

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同密度聚氨酯水泥的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 不同密度聚氨酯水泥的抗壓強(qiáng)度

由表4可知，聚氨酯水泥抗壓強(qiáng)度隨著密度增加而提高，當(dāng)密度為 370～443 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度為 15.0～15.8 MPa；當(dāng)密度為 1483～1535 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度 55.0～56.4 MPa。圖 2為抗壓強(qiáng)度與密度的關(guān)系。

圖2 聚氨酯水泥材料抗壓強(qiáng)度與密度的關(guān)系

根據(jù)圖2數(shù)據(jù)擬合出密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如下：

2.3 鋼筋拉拔試驗(yàn)

聚氨酯水泥均未出現(xiàn)劈裂破壞現(xiàn)象，破壞形式均為圓鋼試件拔出破壞。鋼筋與聚氨酯間的握裹強(qiáng)度可由式（3）求得：

式中：τ——握裹強(qiáng)度，MPa；

P——荷載峰值，kN；

d——鋼筋直徑，mm；

l——鋼筋的錨固長(zhǎng)度，mm。

密度為1500 kg/m3的聚氨酯水泥拉拔試件的握裹強(qiáng)度為13.4 MPa，遠(yuǎn)高于普通混凝土的握裹強(qiáng)度[4]。

2.4 與混凝土軸向粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3為聚氨酯水泥材料與混凝土軸向拉伸粘結(jié)破壞形式。

圖3 聚氨酯水泥與混凝土軸向粘結(jié)破壞形式

由圖3可見(jiàn)，聚氨酯水泥與混凝土的粘結(jié)破壞形式為混凝土界面破壞，說(shuō)明聚氨酯水泥材料具有極強(qiáng)的粘結(jié)性能。密度為1500 kg/m3的聚氨酯水泥拉伸試件的平均粘結(jié)強(qiáng)度為5.44 MPa。

2.5 與混凝土的抗折粘結(jié)強(qiáng)度

聚氨酯水泥與混凝土的抗折粘結(jié)試件如圖4（a）所示，試件破壞形式如圖4（b）所示。

圖4 聚氨酯水泥與混凝土抗折粘結(jié)試件及破壞形式

由圖4（b）可見(jiàn)，試件破壞形式均為混凝土的粘結(jié)破壞，聚氨酯水泥材料表面附著一層厚的混凝土，說(shuō)明在抗折粘結(jié)試驗(yàn)中，聚氨酯水泥表現(xiàn)出極好的粘結(jié)性能。密度為1500 kg/m3的聚氨酯水泥試件的平均抗折粘結(jié)強(qiáng)度為4.66 MPa。

3 結(jié)論

（1）聚氨酯水泥材料抗折強(qiáng)度隨著材料密度的增加而提高，聚氨酯水泥材料最大密度約1500 kg/m3，該密度下的抗折強(qiáng)度為 32.6～34.3 MPa。

（2）聚氨酯水泥材料抗壓強(qiáng)度隨著材料密度的增加而提高，聚氨酯水泥材料最大密度約1500 kg/m3，該密度下的抗壓強(qiáng)度為 55.0～56.4 MPa。

（3）密度為1500 kg/m3的聚氨酯水泥材料與鋼筋的握裹強(qiáng)度為13.4 MPa，遠(yuǎn)高于普通混凝土。

（4）密度為1500 kg/m3的聚氨酯水泥復(fù)合材料與混凝土的軸向拉伸粘結(jié)破壞形式和抗折粘結(jié)破壞形式均為混凝土破壞，說(shuō)明聚氨酯水泥復(fù)合材料具有較高的粘結(jié)性能，其與混凝土的軸向拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和抗折粘結(jié)強(qiáng)度分別為5.44、4.66MPa。

[1] 黃微波，姜琳琳，向佳瑜，等.建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)新技術(shù)[J].新型建筑材料，2012（12）：66-69.

[2] Haleem K.，Zhang Liianzhen，Liu guiwei.An experimental study on strengthening reinforced concrete T-beam using new material polyurethane-cement（PUC）[J].Construction and building material，2013，40：104-117.

[3] Zhang Kexin，Sun Quansheng.Strengthening ofa reinforced concrete bridge with polyurethance-cement composite（PUC）[J].The Open Civil Engineering Journal，2016，（10）：768-781.

[4] 楊海濤，田石柱.鋼筋與再生混凝土握裹力的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2013（3）：6-10.