聚氨酯涂層加固混凝土梁的力學(xué)性能研究

雷 波，黃顯彬

(1.廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，廣安 638000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，都江堰 611800)

0 引 言

隨著混凝土結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的破壞增加，建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)和加固進(jìn)程受到了研究者們的廣泛關(guān)注。沖擊荷載通常會在短時間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的荷載和壓力，使構(gòu)件產(chǎn)生顯著的應(yīng)變率和慣性效應(yīng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)具有較大的差異[1]。由沖擊荷載引起的內(nèi)部損傷有時無法檢測，這些損傷可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力降低，甚至是災(zāi)難性破壞。因此，應(yīng)及時對構(gòu)件進(jìn)行防護(hù)和加固，以減輕破壞程度。與低碳鋼等其他結(jié)構(gòu)材料相比，混凝土的拉伸應(yīng)變能力很低，當(dāng)混凝土材料受沖擊荷載作用時，多數(shù)會因拉伸開裂而遭到破壞[2]。目前，纖維增強(qiáng)聚合物(fiber reinforced polymer, FRP)復(fù)合材料及其變體[3-8]和膠凝復(fù)合材料[9-10]等已被用于改善混凝土性能和其他土木結(jié)構(gòu)性能，以適應(yīng)廣泛的荷載條件。然而，它們在沖擊荷載作用下具有一定的局限性，如纖維復(fù)合材料與混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能被弱化以及膠凝復(fù)合材料易開裂破壞等，這促使人們尋求更加新穎、可行的技術(shù)來改善混凝土結(jié)構(gòu)的性能。

以往的研究[3,11]表明，提高結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和能量吸收能力可顯著降低結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的損傷和斷裂效應(yīng)。使用具有高剛度和高應(yīng)變的材料是提高結(jié)構(gòu)吸能能力的有效手段，如應(yīng)用彈性體涂層保護(hù)結(jié)構(gòu)可減輕其在沖擊荷載下的破壞。彈性體涂層通過拉伸之后就像一層膜，能夠最大限度地提高結(jié)構(gòu)對沖擊荷載的抵抗能力，減少撞擊時碎片飛濺和避免人員傷亡事故，因此，許多學(xué)者對彈性體涂層在結(jié)構(gòu)加固方面的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。田穎等[12]對噴涂聚氨酯加固黏土磚砌體墻的抗震性進(jìn)行了研究,Parniani等[13]對聚脲涂層體系加固混凝土梁的疲勞和單調(diào)性能進(jìn)行了研究,Iqbal等[14]對聚脲涂層增強(qiáng)混凝土抗爆炸性能進(jìn)行了研究。這些研究結(jié)果表明，彈性體涂層的應(yīng)用提高了鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎能力和延性。在眾多的彈性體材料中，聚氨酯(polyurethane, PU)及其變體由于具有高柔性、高彈性、抗沖擊性、耐磨性等諸多優(yōu)點(diǎn)受到越來越多研究人員的關(guān)注[2]。此外，PU容易附著在混凝土表面并快速固化，使用PU對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法較多，如噴涂、刷涂、計(jì)量棒涂覆等，而且這些方法均簡單易操作。

以涂覆PU涂層和未涂覆PU涂層的混凝土梁試件為研究對象，分析PU涂層在實(shí)驗(yàn)室沖擊荷載作用下的適用性和有效性。為了提高試驗(yàn)的效率，使用澆筑無鋼筋的混凝土試件，并設(shè)計(jì)了正面涂覆和反面涂覆兩種不同的方案，這些方案再由不同厚度的涂層進(jìn)行組合。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件制備

制備試件采用的原料如下：水泥采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；細(xì)骨料密度為2 650 kg·m-3；河砂最大粒徑為5 mm，細(xì)度模數(shù)為2.61；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的碎石；試驗(yàn)用水為自來水。混凝土配合比如表1所示。養(yǎng)護(hù)28 d后，測得試件立方體抗壓強(qiáng)度為41.57 MPa。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

試驗(yàn)中所用PU涂層為多異氰酸酯和聚醚多元醇按體積1 ∶1混合噴涂制成的雙組分聚氨酯彈性體?；炷猎嚰凑毡?所示的配合比設(shè)計(jì)，采用澆筑法制作，在攪拌機(jī)中均勻攪拌混凝土，然后將混凝土倒入模具中，使用機(jī)械振動臺均勻壓實(shí)混凝土，直到表面沒有氣泡出現(xiàn)。配制的混凝土試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，澆筑1 d后從模具中取出，并放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。未涂覆PU涂層的試件如圖1(a)所示，以此為對照組，命名為CG。PU能在混凝土表面上與混凝土自行黏結(jié)，不需用額外的粘合劑，在混凝土試件放置到表面干燥后可直接進(jìn)行涂覆。當(dāng)進(jìn)行側(cè)面涂覆時，雖然PU與混凝土具有很好的黏結(jié)性能，但黏結(jié)面受到較大剪力作用，PU與混凝土的變形不協(xié)調(diào)，極大可能導(dǎo)致PU涂層與混凝土梁試件脫黏，無法發(fā)揮材料的特性。因此，在整個研究過程中，考慮了正反兩種涂覆方式，總共使用了6種不同類型的涂層配置：正面涂覆，涂層厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm，分別以FC-1、FC-2、FC-3表示；反面涂覆，涂層厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm，分別以RC-1、RC-2、RC-3表示。PU涂層厚度分別為未涂覆混凝土試件高度的2.5%、5.0%、7.5%，涂覆PU涂層的試件如圖1(b)所示。

圖1 制備完成的試件Fig.1 Prepared specimens

1.2 動態(tài)彎曲測試

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.2 Three point bending test

所有試件在涂覆后的同一天進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以大致保持試件的齡期相同，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖2所示。測試跨度的長度為120 mm，是測試高度的3倍，因此允許在兩端有足夠的距離(20 mm)，以避免滑過支撐點(diǎn)，使試件脫落。所有試件均在室溫下進(jìn)行測試，通過控制位移的形式進(jìn)行加載，加載速度為1 mm/min和200 mm/min，相應(yīng)的應(yīng)變率分別為0.000 3 s-1和0.065 s-1，分別對應(yīng)靜態(tài)(S)加載和動態(tài)(D)加載。對試件的彎曲應(yīng)力和試件中點(diǎn)處的應(yīng)變進(jìn)行了測量。此外，累積應(yīng)變能與試件的延性相關(guān)，累積應(yīng)變能可以通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行積分得到[15]。

2 結(jié)果與討論

文獻(xiàn)[3,11]的試驗(yàn)研究表明,PU是一種高度應(yīng)變率敏感的彈性體，楊氏模量、屈服應(yīng)力、最大應(yīng)力、破壞應(yīng)力等與應(yīng)變率正相關(guān)，而切線模量和破壞應(yīng)變與應(yīng)變率負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果表明，采用PU對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，無論正面涂覆還是反面涂覆，結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的響應(yīng)均會不同于靜態(tài)荷載。

2.1 正面涂覆試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3(a)所示。在沖擊荷載作用下，試件的應(yīng)力高于靜態(tài)荷載，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)[15]。Eibl等[16]認(rèn)為應(yīng)力的提高可以歸因于黏性(自由水)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)(慣性力和約束)效應(yīng)，應(yīng)變率范圍不同時，應(yīng)變率效應(yīng)可能由兩種機(jī)制決定。在較低應(yīng)變率(低于10-2s-1)下黏性效應(yīng)控制應(yīng)變率敏感性，在高應(yīng)變率(高于10-2s-1)下慣性效應(yīng)控制損傷的形成。因此，在應(yīng)變率為0.065 s-1的沖擊荷載下，混凝土試件應(yīng)力的提高可能是由于試件自身黏性效應(yīng)。最大應(yīng)力與涂層厚度的關(guān)系如圖3(b)所示，可以看出，增加PU涂層的厚度對試件最大應(yīng)力的提高并不顯著。當(dāng)涂層厚度增加到3 mm時，試件在沖擊荷載下的最大應(yīng)力僅提高了7.2%，在靜態(tài)荷載下，最大應(yīng)力隨著涂層厚度增加到1 mm和2 mm時甚至有所降低。當(dāng)物體受到外部荷載作用時，物體內(nèi)部也會產(chǎn)生應(yīng)力使其發(fā)生變形，當(dāng)達(dá)到材料的極限應(yīng)力后，就開始開裂，最終破壞。最大應(yīng)變是發(fā)生在最終破壞之前的應(yīng)變，可以用最大應(yīng)變來衡量物體的承載能力。試件最大應(yīng)變隨涂層厚度變化的規(guī)律如圖3(c)所示，可以看出，在靜態(tài)荷載和沖擊荷載下，最大應(yīng)變均隨著PU涂層厚度的增加顯著增加。正面涂覆時，PU涂層作用于受壓區(qū)，荷載必須通過PU涂層才能傳遞到混凝土試件。在到達(dá)試件之前，由于PU涂層具有彈塑性，一部分能量被吸收和變形耗散，從而使混凝土試件的應(yīng)變能力增強(qiáng)。將涂覆1 mm、2 mm和3 mm 厚度PU涂層的試件分別與未涂PU涂層的試件進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)試件在靜態(tài)荷載下的最大應(yīng)變分別提高了2.4倍、4.0倍和7.8倍，在沖擊荷載下的最大應(yīng)變分別提高了2.3倍、3.9倍和6.2倍。由于兩種材料具有應(yīng)變率敏感性，沖擊荷載下的增強(qiáng)效果略低于靜態(tài)荷載下的增強(qiáng)效果。

常采用累積應(yīng)變能比較不同荷載下試件的力學(xué)性能，而且累積應(yīng)變能與試件的延性相關(guān)。累積應(yīng)變能可通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積進(jìn)行積分來計(jì)算[15]，靜態(tài)荷載和沖擊荷載下累積應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化如圖4(a)所示。由圖可知，由于在靜態(tài)荷載下試件的破壞應(yīng)變較高，其累積應(yīng)變能高于沖擊荷載下的累積應(yīng)變能，這反映了大多數(shù)材料具有應(yīng)變率敏感性。圖4(b)為各試件最終破壞時的累積應(yīng)變能與涂層厚度的關(guān)系。隨著涂層厚度的增加，試件的累積應(yīng)變能增強(qiáng)，在兩種加載條件下，涂覆PU涂層試件的累積應(yīng)變能均比未涂覆的高，累積應(yīng)變能均隨著PU涂層厚度的增加近似線性增加。上述結(jié)果表明，在試件正面涂覆PU層對提高混凝土試件的累積應(yīng)變能有積極的作用，顯著提高了混凝土的抗沖擊能力。顯然，PU涂層分擔(dān)了部分混凝土的耗能，從而增加應(yīng)變，證明了PU涂層在能量吸收方面具有顯著效果。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂層的試件分別與未涂覆的試件進(jìn)行比較，靜態(tài)荷載下試件的累積應(yīng)變能分別提高了2.1倍、4.3倍和9.2倍，沖擊荷載下試件的累積應(yīng)變能分別提高了3.3倍、5.5倍和9.0倍。由此可見，正面涂覆時，試件的最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能在靜態(tài)荷載和沖擊荷載下的提高幅度相差不大。

圖3 正面涂覆試件的力學(xué)響應(yīng)Fig.3 Mechanical response of front coating specimens

圖4 正面涂覆試件的累積應(yīng)變能Fig.4 Cumulative strain energy of front coating specimens

2.2 反面涂覆試驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)行反面涂覆試驗(yàn)時采用的RC-1、RC-2、RC-3試件與正面涂覆的FC-1、FC-2、FC-3試件相似，只是加載時試件放置的位置相反。然而，這些試件的響應(yīng)機(jī)制與正面涂覆時具有顯著的區(qū)別。當(dāng)反面涂覆時，混凝土試件先受到荷載的作用并吸收能量，部分能量會通過試件轉(zhuǎn)移到PU涂層。此時，PU涂層受拉，由于PU涂層具有較強(qiáng)的黏彈性，其變形耗能能力提高。

圖5為反面涂覆時試件在靜態(tài)荷載和沖擊荷載下的力學(xué)響應(yīng)。由圖5(a)可知，與正面涂覆的結(jié)果相似，在沖擊荷載作用下試件的應(yīng)力高于靜態(tài)荷載，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。在靜態(tài)荷載下，由涂覆PU涂層試件的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線(即曲線1、2、3)可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線首先在應(yīng)力達(dá)到一定值之后急劇下降，隨后出現(xiàn)一個較長的平臺段。這一現(xiàn)象表明，涂覆PU涂層試件達(dá)到最大應(yīng)力后并沒有立即發(fā)生極限破壞，盡管混凝土試件出現(xiàn)裂紋，但由于PU涂層的抗拉能力比混凝土高，其仍能承受較高應(yīng)變水平的荷載。然而，這種現(xiàn)象在沖擊荷載下沒有觀察到，原因是梁的受拉區(qū)在破壞時形成裂縫，當(dāng)受到突然的沖擊荷載作用時，沿裂縫線的PU涂層會形成較高的拉應(yīng)力集中，隨后使PU涂層被破壞，無法發(fā)揮其變形特性。圖5(b)為靜態(tài)荷載和沖擊荷載下試件的最大應(yīng)力與涂層厚度之間的關(guān)系。由圖可見：在靜態(tài)荷載下，三種涂覆厚度試件的最大應(yīng)力近似等于未涂覆試件的最大應(yīng)力；在沖擊荷載下，當(dāng)涂層厚度為3 mm時，最大應(yīng)力僅提高了11.2%。這與正面涂覆觀察到的結(jié)果類似，增加PU涂層的厚度對試件最大應(yīng)力的提高并不顯著。涂覆PU涂層試樣最大應(yīng)變的增強(qiáng)表明其能承受的損傷程度更高。圖5(c)給出了最大應(yīng)變隨涂層厚度的變化，由于PU涂層對混凝土受拉面的附加約束作用，含涂層試件在最終破壞過程中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂層的試件分別與未涂覆試件進(jìn)行比較，試件在靜態(tài)荷載下的最大應(yīng)變分別提高了6.1倍、7.9倍和12.7倍，在沖擊荷載下的最大應(yīng)變分別提高了1.9倍、2.4倍和4.3倍。與正面涂覆結(jié)果不同，靜態(tài)荷載下的應(yīng)變增強(qiáng)效果是沖擊荷載下的3倍左右。

圖5 反面涂覆試件的力學(xué)響應(yīng)Fig.5 Mechanical response of reverse coating specimens

圖6(a)是靜態(tài)荷載和沖擊荷載下累積應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化。與正面涂覆結(jié)果類似，由于最大應(yīng)變隨涂層厚度的增加而增加，在兩種加載條件下，所有涂覆PU涂層混凝土試件的累積應(yīng)變能均高于未涂覆試件。圖6(b)為各試件最終破壞時的累積應(yīng)變能隨涂層厚度的變化規(guī)律。與正面涂覆相似，在試件反面涂覆PU涂層對提高試件的累積應(yīng)變能亦有積極的作用，顯著提高了混凝土的抗沖擊能力。涂覆1 mm、2 mm和3 mm PU涂層的試件與未涂覆的試件相比，在靜態(tài)荷載下的累積應(yīng)變能分別提高了6.0倍、8.4倍、13.1倍，在沖擊荷載下的累積應(yīng)變能分別提高了3.0倍、3.7倍、6.5倍。靜態(tài)荷載下的累積應(yīng)變能增強(qiáng)效果是沖擊荷載下的2倍左右。結(jié)合正面涂覆的結(jié)果可以看出，靜態(tài)荷載下反面涂覆試件的累積應(yīng)變能提高幅度大于正面涂覆，但在沖擊荷載下其累積應(yīng)變能提高幅度小于正面涂覆。在應(yīng)變增強(qiáng)中也觀察到類似的現(xiàn)象，當(dāng)試件上PU涂層厚度相同時，在靜態(tài)荷載下反面涂覆試件的應(yīng)變增強(qiáng)大于正面涂覆，但在沖擊荷載下其應(yīng)變增強(qiáng)小于正面涂覆。因此，PU涂層在混凝土結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用對提高混凝土的應(yīng)變和累積應(yīng)變能有積極的作用，涂層位置是決定靜態(tài)荷載和沖擊荷載下加固效率的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 反面涂覆試件的累積應(yīng)變能Fig.6 Cumulative strain energy of reverse coating specimens

2.3 跨中裂紋破壞模式

在極限破壞過程中，只形成彎曲裂紋，沒有出現(xiàn)斜裂紋或直接剪切裂紋。試件跨中形成的裂紋破壞模式如圖7所示。

圖7 靜態(tài)荷載和沖擊荷載下試件的破壞模式Fig.7 Fracture modes of specimens under static and dynamic loads

由圖7可知，除未涂覆試件在沖擊荷載下產(chǎn)生了兩條彎曲裂縫，其余試件在靠近跨中處均存在一條裂縫，這些裂縫延伸到整個底面。在正面涂覆時，應(yīng)用于混凝土試件表面的PU涂層未受到破壞。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是正面涂覆時PU涂層承受的是壓荷載，PU涂層受壓變形吸收部分能量，體積剛度增大，與混凝土試件達(dá)到較好的阻抗匹配。混凝土表面只在涂覆PU涂層前進(jìn)行了除塵處理，在任何試件中均未發(fā)現(xiàn)脫黏現(xiàn)象，PU與混凝土黏結(jié)良好。因此，沖擊面上PU層的厚度不影響PU的脫黏。試件底面裂縫寬度隨PU涂層厚度的增大而增大，這與試件最大應(yīng)變相關(guān)。由于PU涂層提高了試件的承載能力，試件的受拉面能承受更大的變形。所以當(dāng)混凝土試件破壞時，與未涂覆涂層的試件相比，涂覆PU涂層的試件在受拉面(底面)上的裂縫寬度更大。同時，沖擊荷載下的破壞效應(yīng)比靜態(tài)荷載下更為強(qiáng)烈。在混凝土試件開裂后，正面PU涂層顯著提高了試件的穩(wěn)定性水平。因此，增加涂層的厚度在增強(qiáng)抗沖擊荷載方面具有顯著的優(yōu)勢，通過適當(dāng)控制涂層厚度，可以起到有效防護(hù)作用。在反面涂覆時，有部分應(yīng)用于混凝土試件表面的PU涂層被破壞，除了斷口外其余涂層仍保持完整并與試件黏結(jié)良好。與正面涂覆時相似，由于試件在沖擊荷載下發(fā)生了劇烈的破壞行為，在沖擊荷載下的裂縫都比靜態(tài)荷載下的更寬。此外，在混凝土試件開裂后，涂層將破碎的混凝土部分結(jié)合在一起，減少了破碎效果。將正面涂覆和反面涂覆時試件的裂縫進(jìn)行對比可以看出，在靜態(tài)荷載下，反面涂覆時的裂縫寬度明顯大于正面涂覆，而在沖擊荷載下，反面涂覆時的裂縫寬度略小于正面涂覆。這種裂縫寬度的變化是最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能提高幅度變化規(guī)律的宏觀體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)在靜態(tài)荷載和沖擊荷載下，無論是采用正面涂覆方式還是反面涂覆方式，隨著PU涂層厚度的增加，混凝土試件的最大應(yīng)力提高并不顯著，而最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能則近似線性增加。因此，將PU涂層應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)加固方面對提高其延性具有積極作用。

(2)正面涂覆PU涂層時，最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能在靜態(tài)荷載和沖擊荷載下的提高幅度相差不大。而反面涂覆PU涂層時，靜態(tài)荷載下最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能的提高幅度分別是沖擊荷載下的3倍和2倍左右。因此，反面涂覆PU涂層的方法在靜態(tài)荷載作用下的加固效率更高。

(3)在沖擊荷載下，正面涂覆時最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能提高幅度大于反面涂覆，在靜態(tài)荷載下，則與之相反。因此，可采用正面涂覆PU涂層的方法增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性，通過增加PU涂層厚度提高其能力。

(4)在沖擊荷載下的裂縫寬度大于靜態(tài)荷載下的裂縫寬度，裂縫寬度的變化是最大應(yīng)變和累積應(yīng)變能提高幅度變化規(guī)律的宏觀體現(xiàn)。PU涂層與混凝土黏結(jié)良好，能有效防止碎片飛濺，降低破碎效果。