聚氨酯水泥加固混凝土機(jī)理研究綜述

姜?jiǎng)P涵，楊 雪，彭 飛，孫劍飛，丁 琳

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086)

0 引 言

在現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)中，混凝土是最為常見的建筑材料[1]。但因在建筑使用中的混凝土長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，并且承受各種荷載長(zhǎng)期作用，會(huì)出現(xiàn)開裂等破壞，使原有結(jié)構(gòu)不能滿足荷載要求。為了節(jié)省資金，減少工期，需要研究加固技術(shù)，以便增強(qiáng)原有結(jié)構(gòu)的承載能力[2]?，F(xiàn)階段，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中的加固方法主要包括加大截面加固法、粘貼鋼板加固法[3-7]，雖然上述加固方法都可以增加原有結(jié)構(gòu)的承載能力，但因施工技術(shù)、加固穩(wěn)定性等原因，其加固效果并不理想[8]。

聚氨酯出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)近80年的不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。聚氨酯水泥復(fù)合材料，早期強(qiáng)度高，韌性大，適合用于混凝土的修補(bǔ)加固[9]。聚氨酯水泥因其自身的優(yōu)越性能而得到快速發(fā)展，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益[10]，聚氨酯水泥的出現(xiàn)為混凝土的加固提供了全新的思路。本文對(duì)目前聚氨酯水泥加固混凝土的機(jī)理進(jìn)行較為全面的總結(jié)，闡述研究進(jìn)程中的一些問(wèn)題，并展望未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)，為今后的研究提供參考。

1 混凝土加固研究

1.1 增大截面法

增大截面法的主要原理是通過(guò)增加原有結(jié)構(gòu)的橫截面積、增設(shè)鋼筋或增加構(gòu)架面積來(lái)提升結(jié)構(gòu)的承載能力[11]。魏友良[12]通過(guò)增大截面對(duì)石拱橋進(jìn)行加固，經(jīng)過(guò)承載力驗(yàn)算、截面強(qiáng)度驗(yàn)算等，結(jié)論表明進(jìn)行增大截面加固后，橋梁承載能力提升滿足荷載等級(jí)要求。

1.2 粘貼碳纖維加固法

粘貼碳纖維加固法的主要原理是將碳纖維黏結(jié)在混凝土構(gòu)件的受拉方向，使構(gòu)件的抗剪、抗彎性能提高[13]。劉東坤[14]通過(guò)粘貼碳纖維布對(duì)老化混凝土進(jìn)行加固，結(jié)論表明碳纖維粘貼加固對(duì)承載力提升有積極作用。

1.3 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法的主要原理是指通過(guò)對(duì)構(gòu)件提前施加一部分的預(yù)應(yīng)力或者變形，來(lái)減小或抵消負(fù)面的應(yīng)力和變形[15]。胡軍旗[16]在橋梁維修加固中運(yùn)用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，并對(duì)預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行整體分析，都體現(xiàn)出預(yù)應(yīng)力加固的廣泛前景和良好的加固效果。

1.4 復(fù)合加固法

復(fù)合加固法的主要原理是將兩種及其以上的加固方法或?qū)煞N高性能材料組合到一起的加固方法，使其發(fā)揮各種加固方法的優(yōu)勢(shì)[17]。

2 聚氨酯水泥研究

李興貴[18]將聚氨酯改性混凝土與普通砂漿做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯水泥的抗壓強(qiáng)度、耐久性等性能均優(yōu)于普通砂漿。

劉治猛[19]將水溶性高分子外加劑的摻入可顯著改善混凝土施工性，并有效提高混凝土強(qiáng)度、耐久性。研究發(fā)現(xiàn)，摻入聚氨酯的聚合物改性混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均有明顯提升。

胡國(guó)金[20]對(duì)水性聚氨酯的制備及性能展開研究，研究發(fā)現(xiàn)水性分散聚氨酯在砂漿中的摻入量可對(duì)水泥性能產(chǎn)生影響。并且水性聚氨酯對(duì)水泥水化反應(yīng)有一定緩凝作用，水泥砂漿中摻入適當(dāng)聚氨酯可有效減少水泥水化產(chǎn)物的粒徑分布、孔半徑，有效提高水泥性能。

吳燕華[21]對(duì)聚氨酯改性水泥砂漿的汞壓力進(jìn)行研究，通過(guò)MIP實(shí)驗(yàn)，將水泥砂漿中摻入聚氨酯，觀察發(fā)現(xiàn)水泥漿的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，硬化水泥的微孔孔隙率得以提高，因而聚氨酯改性水泥砂漿的抗?jié)B透性、抗凍性均得到有效提升。

陳輝[22]通過(guò)對(duì)兩種不同性質(zhì)聚氨酯與水泥復(fù)合材料，在相同的水灰比下，水性聚氨酯預(yù)聚體與水泥復(fù)合材料的強(qiáng)度最高。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，聚氨酯預(yù)聚體對(duì)水泥的水化有促進(jìn)作用，促進(jìn)水泥的深度水化，進(jìn)而提高材料強(qiáng)度。

張可心、孫全勝[23]對(duì)高韌性聚氨酯水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土與聚氨酯水泥的破壞形式為混凝土界面破壞，并且在實(shí)驗(yàn)中混凝土的破壞形式均為黏結(jié)破壞，聚氨酯水泥的強(qiáng)黏結(jié)性得以證實(shí)。

許楊楠[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察水泥中摻入水性聚氨酯后混凝土基礎(chǔ)性能的變化，研究發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯摻入水泥砂漿后，在聚氨酯摻入量一定的條件下，水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)得到有效改善，水泥密實(shí)度得以提高。

張繼峰[25]對(duì)聚氨酯水泥試件的抗壓、抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，材料密度與聚氨酯水泥材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的關(guān)系式。聚氨酯水泥凝結(jié)速度快，適合用于快速搶修等應(yīng)急工程中。

吳若冰[26]對(duì)水性聚氨酯對(duì)水泥進(jìn)行改性，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥砂漿中摻入無(wú)溶劑自乳化水性聚氨酯為3%時(shí)，水泥砂漿的28 d黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值，水泥砂漿的初凝時(shí)間延長(zhǎng)，砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度均有所降低。

3 聚氨酯水泥加固混凝土的分類

3.1 MPC復(fù)合材料加固(增大截面法)

谷丹丹[27]澆筑MPC復(fù)合材料對(duì)空心板橋梁主梁進(jìn)行加固，當(dāng)在跨中最大彎矩處進(jìn)行橫向?qū)ΨQ加載和最大彎矩處向偏加載下，加固后的主梁撓度分別有所降低，且對(duì)原有的裂縫發(fā)展起到抑制作用，MPC復(fù)合材料對(duì)混凝土加固起到積極作用。

王劍琳[28]以大橋加固維修工程為實(shí)例，對(duì)MPC復(fù)合材料的加固進(jìn)行研究。MPC復(fù)合材料加固方法可有效提升原有結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的極限承載能力，并提出MPC在一定條件下，可在不中斷使用的情況下對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固維修。

張立東[29]采用MPC復(fù)合材料對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁進(jìn)行加固，空心板橋梁加固后橋梁混凝土的應(yīng)力與剛絞線應(yīng)力均有下降，空心板撓度明顯降低，且發(fā)生破壞時(shí)的裂縫間距變小且呈均勻分布。加固后，橋梁的屈服荷載與極限荷載均有較大提升。

孫全勝[30]對(duì)空心板梁進(jìn)行MPC加固，并觀察加固前后構(gòu)件的荷載強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件加固后承載能力有明顯提升，在荷載作用下，加固后主梁的撓度、最大應(yīng)變均明顯降低。

郭建材[31]以京開高速公路橋梁拓寬為依托，加固鋼筋混凝土實(shí)心板橋梁。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，MPC復(fù)合材料加固橋梁可有效改善混凝土橋梁的荷載橫向分布，橋梁的整體受力強(qiáng)度得以提升。

彭勃[32]采用MPC復(fù)合材料對(duì)脫空缺陷的鋼管混凝土進(jìn)行加固，研究發(fā)現(xiàn)，使用MPC復(fù)合材料進(jìn)行二次灌注使脫空鋼管混凝土短柱增厚，承載力大幅度恢復(fù)，MPC復(fù)合材料和混凝土均可與外圍鋼管在加載中產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，進(jìn)而使構(gòu)件的承載力與延性得以提升。

3.2 聚氨酯涂層加固

張晶晶等[33-37]研究發(fā)現(xiàn)，可使用具有高強(qiáng)度、高應(yīng)變復(fù)合材料對(duì)原有構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行有效改善。其原理是通過(guò)在原有結(jié)構(gòu)表面噴涂高性能材料，噴涂后形成與薄膜類似膜類結(jié)構(gòu)，可有效提升原有結(jié)構(gòu)的荷載承受能力。而聚氨酯材料具有高柔性、高彈性等優(yōu)越性能。復(fù)合噴涂材料特性，且聚氨酯對(duì)混凝土的黏結(jié)能力強(qiáng)并可以快速固化，所以通過(guò)噴涂聚氨酯復(fù)合材料對(duì)混凝土進(jìn)行加固備受關(guān)注。

雷波、黃顯彬[38]將混凝土構(gòu)件表面噴涂聚氨酯復(fù)合材料，并驗(yàn)證噴涂后的混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯噴涂位置可對(duì)加固效果產(chǎn)生影響，混凝土構(gòu)件承受靜態(tài)荷載與沖擊荷載的能力均得以提升，隨著聚氨酯噴涂厚度的增加，混凝土構(gòu)件的最大應(yīng)變與累積應(yīng)變均逐漸增加。

田穎等[39]對(duì)噴涂聚氨酯彈性體的黏土磚砌體墻模型性能展開研究，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)聚氨酯彈性體的噴涂黏土磚砌體墻的滯回性能提升，噴涂加固后的墻體承載能力、變形能力均有提升。聚氨酯彈性體的單雙面噴涂和不同厚度的聚氨酯加固墻體，墻體表現(xiàn)出的滯回性能相近。在加固厚度相同時(shí)，面加固的墻體承載能力更強(qiáng)，而單面加固更有利于提升墻體的變形能力?？傮w而言，通過(guò)聚氨酯彈性體的噴涂對(duì)墻體的整體受力性能提升明顯。

張鋮等[40]對(duì)聚氨酯涂層對(duì)混凝土耐久性的影響進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)氯離子滲透系數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯涂層的混凝土構(gòu)件氯離子的擴(kuò)散系數(shù)與空白組相比提升顯著。聚氨酯涂層可有效防止氯離子滲透，防止氯離子的滲透能防止混凝土保護(hù)層銹脹和剝落等耐久性退化。聚氨酯涂層在提升混凝土耐久性中起到積極作用。

3.3 聚氨酯水泥摻入聚合物加固

聚合物改性混凝土的原理是將水泥和骨料混合與分散在水中或者可以在水中分散的有機(jī)聚合物材料結(jié)合而生成的復(fù)合材料，形成的復(fù)合材料可被稱作聚合物改性混凝土。目前，大多數(shù)聚合物改性混凝土的方式主要有以下兩種： 一種是先將聚合物用水分散后, 以乳液或聚合物水溶液的形式加入, 聚合物膠乳在混凝土水化過(guò)程中影響混凝土水化過(guò)程及混凝土的結(jié)構(gòu), 從而對(duì)混凝土的性能起到改善作用。另一種是先將聚合物與水泥或其他分散介質(zhì)進(jìn)行預(yù)分散, 將分散后的以干拌砂漿的形式使用。當(dāng)水與混合材料拌和時(shí), 聚合物遇水形成乳液, 在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中, 乳液脫水, 形成聚合物固體結(jié)構(gòu)。此外, 聚合物還可以纖維或者纖維增強(qiáng)塑料的形式存在, 通過(guò)聚合物改變混凝土的性能，在混凝土中獲得廣泛應(yīng)用[41-45]，通過(guò)聚氨酯改性混凝土使混凝土的強(qiáng)度增加，進(jìn)入更多人的視野。

孫楠、孫全勝[46]對(duì)碳纖維聚氨酯水泥(CPUC)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，分析不同聚灰比條件下，碳纖維與硅灰比對(duì)CPUC的7d壓縮強(qiáng)度、28d壓縮強(qiáng)度的影響并得出材料的最優(yōu)配比。CPUC的強(qiáng)度主要由聚氨酯、聚氨酯與水泥的界面黏結(jié)強(qiáng)度以及碳纖維與聚氨酯界面的黏結(jié)強(qiáng)度三者共同決定。采用硅灰代替水泥后，由于硅灰顆粒直徑比水泥顆粒小，能有效填充水泥顆粒的空隙，形成良好的級(jí)配，使CPUC空隙率下降，密實(shí)度壓縮強(qiáng)度均得以提高。由于碳纖維有較高的彈性模量的阻裂效應(yīng)，所以當(dāng)摻入一定量的碳纖維時(shí)，對(duì)材料的抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度提升明顯。

李晉[47]通過(guò)三聯(lián)試膜對(duì)不同體積摻比的碳纖維、PVA纖維、剛纖維來(lái)測(cè)試試塊的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯水泥復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨纖維摻比先增大后減小。聚氨酯水泥復(fù)合材料性能增強(qiáng)的原理是，纖維以隨機(jī)分布的形式存在于試塊內(nèi)部，隨著纖維摻量的增大，纖維與試塊的連接更加緊密、整體性更強(qiáng)，試塊的受力強(qiáng)度得以提升。但摻入纖維過(guò)多，會(huì)造成纖維不易分散，使試塊抗彎強(qiáng)度減弱。摻入適量碳纖維可使試件整體強(qiáng)度提升。

3.4 聚氨酯水泥復(fù)合加固法

管澤斌[48]通過(guò)鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料對(duì)損傷空心板梁加固，并測(cè)試加固后空心板梁的力學(xué)性能。在相同的荷載作用下，加固后梁體撓度下降22.81%，梁體位移延性系數(shù)上升57.14%，梁的整體耐久性得以提升；加固后的梁體最大裂縫減小52.73%，實(shí)測(cè)加固后梁的荷載承受強(qiáng)度、極限荷載均有顯著提升。

孫全勝[49]通過(guò)聚氨酯水泥鋼絲繩加固T梁橋，對(duì)加固后T梁橋的抗彎承載能力進(jìn)行研究，用工程實(shí)際與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了聚氨酯水泥鋼絲繩加固混凝土T梁橋的可行性。在相同荷載作用下，聚氨酯水泥鋼絲繩加固可有效提高梁的抗彎承載力，橋的整體強(qiáng)度提升效果明顯。

張盛然[50]通過(guò)聚氨酯水泥鋼絲繩復(fù)合加固橋梁實(shí)驗(yàn)，并采用有限元數(shù)值分析的方法，在試驗(yàn)荷載的作用下，加固后的實(shí)驗(yàn)梁的應(yīng)變、裂縫寬度降低效果明顯，抗彎承載力大幅提升。在實(shí)驗(yàn)梁極限破壞時(shí)，鋼絲繩的極限應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的90%。聚氨酯鋼絲繩加固后，橋梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、剛度的提升均有明顯提升。

張可心[51]通過(guò)聚氨酯水泥預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了混凝土強(qiáng)度和配筋率對(duì)加固梁受彎性能的影響。加固后，構(gòu)件的屈服荷載在混凝土強(qiáng)度的提升下有小幅增長(zhǎng)，屈服撓度幾乎不受影響。聚氨酯水泥預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固后的梁在加固層斷裂時(shí)，梁的極限承載能力隨著配筋率的提升而提升。

高洪帥[52]采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩、聚氨酯水泥和預(yù)應(yīng)力鋼絲繩-聚氨酯水泥3種方式對(duì)鋼筋混凝土試驗(yàn)梁進(jìn)行抗剪加固，研究不同加固方式和鋼絲繩配繩率對(duì)抗剪性能的影響，分析了試驗(yàn)梁的破壞過(guò)程、荷載-位移曲線、特征荷載和位移、荷載-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩-聚氨酯水泥復(fù)合加固效果最好，能夠大幅度提高試驗(yàn)梁的抗剪承載力和延性。復(fù)合加固中，鋼絲繩對(duì)混凝土提供預(yù)壓力，提高其核心強(qiáng)度，限制裂縫開展，發(fā)揮箍筋作用，直接參與抗剪。聚氨酯水泥加固層增加了剪跨區(qū)的受剪面積和剪切剛度，其高強(qiáng)度的特點(diǎn)發(fā)揮出類似混凝土抗剪的作用，其高韌性的特點(diǎn)發(fā)揮出類似鋼筋抗剪的作用，鋼絲繩和聚氨酯水泥兩者結(jié)合顯著提高了加固梁的抗剪性能。

聚氨酯水泥與其他材料復(fù)合加固的加固技術(shù)可用于實(shí)際工程案例中，但目前對(duì)這一方面的研究較少。尋找不同材料與聚氨酯水泥混合達(dá)到最優(yōu)加固方式，可以成為未來(lái)的研究方向。

4 結(jié)論與展望

1) 聚氨酯水泥在混凝土的加固、改善混凝土承載能力方面具有較大意義，無(wú)論是聚氨酯的單獨(dú)加固方式或聚氨酯材料的復(fù)合加固方式，都表明聚氨酯水泥在對(duì)混凝土加固領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

2) 對(duì)于聚氨酯水泥的不同加固方式，與不同材料的結(jié)合方面研究尚有不足，各種加固機(jī)理尚待研究。

3) 隨著我國(guó)建筑使用年限的增長(zhǎng)，各種混凝土的破壞、老化接連發(fā)生，對(duì)混凝土的加固已刻不容緩。而聚氨酯水泥有著優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性能，聚氨酯水泥對(duì)于混凝土加固的多種方式已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。通過(guò)聚氨酯材料與其他加固方式相結(jié)合的復(fù)合加固方法，在加固性能上效果更加顯著，研究前景更加廣泛，可從復(fù)合加固方向?qū)ふ倚碌?、更加?yōu)越的加固方式。