聚氨酯水泥加固鋼筋混凝土力學(xué)性能研究綜述

蘭巖松, 賈美微，郭潤麒，孫劍飛，柳艷杰，丁 琳，2

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程震動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 聚氨酯水泥的優(yōu)劣分析

1.1 材料的特點(diǎn)及其優(yōu)勢

聚氨酯(PU),全名是聚氨基甲酸酯，是一種高分子化合物，最早由德國科學(xué)家奧托·拜耳等在1037年制出了此物，目前這種高分子材料被廣泛地用于黏合劑、涂層[1]、低速輪胎[2]等工業(yè)領(lǐng)域。聚氨酯水泥是一種由聚氨酯和水泥組成的復(fù)合材料，其具有高延性，高耐久性，不同于水泥基復(fù)合材料，組成聚氨酯水泥復(fù)合材料的兩種材料均可以單獨(dú)作為膠凝材料，利用兩種材料組成的聚氨酯水泥復(fù)合材料表現(xiàn)出兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。聚氨酯水泥復(fù)合材料加固技術(shù)，屬于傳統(tǒng)加固技術(shù)中增大截面法的一種[3]，都是在混凝土構(gòu)件的四周用一層混凝土包筑起來，使得結(jié)構(gòu)的受力截面增大，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載力。由于聚氨酯水泥相比普通水泥，除了具有比較好的抗壓性能外，還具有不錯(cuò)的抗拉性能，所以在加固混凝土柱的時(shí)候不需要額外的配置鋼筋，從而簡化了施工流程，實(shí)際操作起來更加簡便。

1.2 聚氨酯水泥材料的缺陷

在應(yīng)用聚氨酯水泥材料加固時(shí)也存在一定的缺陷，比如聚氨酯水泥本身的防火性能差，在配置聚氨酯水泥時(shí)，往往需要添加阻燃劑[4](磷酸酯TCEP)，在采用此技術(shù)加固的時(shí)候如果需要提高的承載力相對較高時(shí)，聚氨酯水泥加固層的厚度較大，工程造價(jià)和構(gòu)件的重量增加的較為明顯[5]，但加固后的結(jié)構(gòu)仍存在材料韌性低的問題[6-8]。

2 聚氨酯水泥的力學(xué)性能

水泥作為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的膠凝材料，與粗細(xì)骨料混合后形成的混凝土結(jié)構(gòu)，能夠具有比較良好的力學(xué)性能，但是在實(shí)際的工程中，水泥的缺陷也十分明顯。水泥本身重量大，結(jié)構(gòu)顯得笨重，且自身為脆性材料，受拉強(qiáng)度低，在受到拉應(yīng)力時(shí)，容易產(chǎn)生開裂。同時(shí)混凝土自身的耐腐蝕性差，在腐蝕環(huán)境中，使用壽命將大大縮短[9]。聚氨酯作為一種性能優(yōu)良的高分子材料與水泥混合后形成的聚氨酯水泥復(fù)合材料，相比較傳統(tǒng)的建筑材料，具有抗腐蝕性、硬化快、質(zhì)量輕，在短時(shí)間內(nèi)能夠形成較高承載力等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。

東北林業(yè)大學(xué)孫全勝教授及其課題組和哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉貴位教授針對聚氨酯水泥都展開了一系列的研究[10-14]，對于聚氨酯水泥的配合比、常溫下聚氨酯水泥材料的抗壓性能，抗折性能和黏結(jié)性能、耐酸堿腐蝕性能等進(jìn)行了大量的研究。張繼峰，莊柏舟，張可心[15]在聚氨酯水泥復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究中，以聚氨酯水泥復(fù)合材料為研究對象，對比不同密度下的聚氨酯水泥復(fù)合材料，對其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，分析研究了聚氨酯水泥抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與密度之間的規(guī)律。通過試驗(yàn)得出：聚氨酯水泥復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都隨著密度的增加而增加，二者之間都存在二次方程的關(guān)系，并且在試驗(yàn)中對比聚氨酯水泥的不同配合比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量較少時(shí)，材料的氣孔密閉性好，膨脹率小，從而材料的密度也變得更大，進(jìn)而增加了材料的抗壓抗折等力學(xué)指標(biāo)。Tang[16]采用陽離子聚氨酯(PUC)提高了水泥基材料的力學(xué)性能，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)PUC的加入加速了水泥的水化作用，改變了水化產(chǎn)物的礦物組成和形貌并相應(yīng)的改變了水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，PUC的加入降低了水泥基材料的脆性增加了抗拉強(qiáng)度。Haleem K.Hussain[17]對PUC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、黏結(jié)強(qiáng)度等性能進(jìn)行了試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行了比較，28 d后的抗壓強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度和黏結(jié)度有較大的改善。Zhang Lei[18]通過研究表示，PUCC具有良好的抗動(dòng)態(tài)沖擊性能，其動(dòng)應(yīng)力可達(dá)到普通混凝土的2～3倍。加入BA后，這樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能明顯下降。

在聚氨酯材料的改性方面也有很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究，通過在聚氨酯水泥中加入碳纖維等外加劑，聚氨酯水泥會(huì)融合這些外加劑的某些性能進(jìn)而提高材料自身的力學(xué)性能，如楊楠等[19]在碳纖維聚氨酯水泥復(fù)合材料力學(xué)性能研究中，通過正交試驗(yàn)方法討論了碳纖維聚氨酯水泥壓縮、劈拉、抗折強(qiáng)度的主要因素，得出硅灰的摻量是影響聚氨酯水泥壓縮強(qiáng)度的主要因素，碳纖維摻量是影響聚氨酯水泥劈拉和抗折強(qiáng)度的主要因素。再如2015年安徽大學(xué)王傳勇等[20-21]通過試驗(yàn)，成功制備了雙組分水泥注漿材料，并且對其黏度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析，成功地將制出的材料應(yīng)用到了加固工程中。通過上述學(xué)者研究，可以看出聚氨酯水泥有很大的改性空間，未來在聚氨酯水泥復(fù)合材料中加入外加劑可使其具有更為優(yōu)秀的力學(xué)性能。

3 聚氨酯水泥加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

聚氨酯水泥由于其在早期可形成較高的強(qiáng)度，可用做加固材料對鋼筋混凝土材料進(jìn)行直接加固，一般的加固方法都是在既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上外包聚氨酯水泥，通過增大結(jié)構(gòu)的截面來加固結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)能滿足使用要求。在宋子龍[22]的聚氨酯復(fù)合材料(PUFA)抗震加固鋼筋混凝土橋墩的實(shí)驗(yàn)研究中，使用新型復(fù)合材料聚氨酯水泥，對既有的鋼筋混凝土墩柱用外包粘貼的方法進(jìn)行加固實(shí)驗(yàn)，通過分析得到了滯回曲線。與對比試件(未加固)進(jìn)行比較后，分析發(fā)現(xiàn)材料的最大承載力和剛度都得到了一定程度的提高，說明了聚氨酯水泥復(fù)合材料加固技術(shù)對提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有一定效果。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，由于聚氨酯水泥本身具有較好的黏結(jié)性，在對既有的鋼筋混凝土墩柱利用澆筑的方法加固時(shí)，加固過程中不需要黏結(jié)劑，其材料本身可以很好地與鋼筋混凝土進(jìn)行黏合，并且不易剝離。在對比聚氨酯水泥加固后的鋼筋混凝土墩柱和未加固的鋼筋混凝土墩柱破壞時(shí)還發(fā)現(xiàn)，未加固的鋼筋混凝土墩柱破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)屬于彎剪破壞；而加固后的鋼筋混凝土墩柱出現(xiàn)塑性鉸的時(shí)間和位置均發(fā)生了顯著的改變，最后發(fā)現(xiàn)其破壞機(jī)理發(fā)生了變化，聚氨酯水泥加固后的結(jié)構(gòu)，延性得到了增強(qiáng)，變形能力也得到了一定的增強(qiáng)。同時(shí)通過分析對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸壓比的增加會(huì)使得被加固的鋼筋混凝土墩柱的延性得到增加。

張立東[23]在聚氨酯水泥復(fù)合材料加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁承載力研究中，通過實(shí)驗(yàn)配比出最佳配合比的聚氨酯水泥復(fù)合材料并且通過黏結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)確定了材料具有良好的黏結(jié)性能，在對加固后的空心板梁進(jìn)行力學(xué)測試后發(fā)現(xiàn)，通過聚氨酯水泥復(fù)合材料的加固后，空心板的撓度明顯減小，裂縫在受力時(shí)在截面上的發(fā)展高度明顯降低、間距減小且分布更加均勻說明聚氨酯材料顯著地降低了混凝土的應(yīng)力，延緩了裂縫的產(chǎn)生，對空心板梁的屈服荷載和極限荷載有較大的提高。

對比上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，聚氨酯水泥復(fù)合材料用作加固材料對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，會(huì)使得結(jié)構(gòu)的延性得到一定的提升，會(huì)提高結(jié)構(gòu)的極限荷載且在破壞時(shí)表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。對比聚氨酯水泥，有學(xué)者也對其進(jìn)行了一定的改性，如李永學(xué)[24]的聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料在橋梁結(jié)構(gòu)抗震加固工程中的應(yīng)用研究中，通過材料實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步介紹了所屬課題組自主研發(fā)的新型聚氨酯水泥抗震加固材料的各種力學(xué)關(guān)系，提出了利用聚氨酯水泥材料進(jìn)行外包處理后核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系分析模型的推導(dǎo)與求解，同時(shí)通過數(shù)值模擬等手段，對聚氨酯水泥加固既有的鋼筋混凝土橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出了聚氨酯水泥加固技術(shù)對抗震加固有很好的效果。

4 鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

在此之前，混凝土鋼絲繩加固技術(shù)在實(shí)際橋梁工程中已經(jīng)有了應(yīng)用[24-29]，在通過預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固既有結(jié)構(gòu)時(shí)，外部往往澆筑混凝土對預(yù)應(yīng)力鋼絲繩起到保護(hù)作用，避免鋼絲繩長期暴露在外部復(fù)雜環(huán)境中[30-32]。但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，該方法暴露了很多問題，如混凝土的黏結(jié)力較差，通常需要配合涂抹環(huán)氧類界面劑，但是即便如此，在橋梁結(jié)構(gòu)中，由于車輛荷載的反復(fù)作用，在某些受力不利區(qū)域，仍然會(huì)出現(xiàn)復(fù)合砂漿脫落的現(xiàn)象[33]。并且，混凝土的抗拉強(qiáng)度低，在預(yù)應(yīng)力鋼絲繩結(jié)構(gòu)中，往往只起到保護(hù)鋼絲繩的作用，并不參與受力，將混凝土替換成聚氨酯水泥以后，由于其具有良好的力學(xué)性能和黏結(jié)性能，可以成為鋼絲繩以外的補(bǔ)強(qiáng)材料，從而很好地解決了上述問題。

現(xiàn)階段病害橋梁大多由于橋梁的早期荷載設(shè)計(jì)偏低、交付使用后出現(xiàn)嚴(yán)重的超載等多重原因，使得大多橋梁都存在一定程度的病害，其中剪切病害主要體現(xiàn)為橋梁受剪段出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在T型梁中比較常見，受到剪力影響而開展的裂縫一般出現(xiàn)在橋體與墩柱的連接處兩側(cè)，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)，橋梁的剛度一定程度的減小，同時(shí)伴隨著承載力的減小和撓度的增大，使得病害進(jìn)一步加劇[34-40]，對于這一類橋梁病害，加固技術(shù)的研究刻不容緩。

為解決上述橋梁發(fā)生的剪切破壞，在抗剪加固中，一般采用在橋梁的受剪部位縱向布置預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的方法[41]，讓鋼絲繩分擔(dān)剪切力，增大構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，這種做法相當(dāng)于在受剪部位增加箍筋。

高洪帥[42]的預(yù)應(yīng)力鋼絲繩-聚氨酯水泥加固鋼筋混凝土梁抗剪切性能研究中，采用縱向布置預(yù)應(yīng)力鋼絲繩后加注聚氨酯水泥的方法加固鋼筋混凝土梁的受剪部位，相比于鋼絲繩的單獨(dú)加固方法，鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料的加固充分體現(xiàn)了鋼絲繩和聚氨酯水泥的優(yōu)點(diǎn)，對于結(jié)構(gòu)而言，相當(dāng)于直接增加了配箍率和截面的受剪切面積及受剪切剛度，極大地提高了加固構(gòu)件的抗剪承載力。

鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料也可以應(yīng)用在受彎構(gòu)件的加固工程中，一般的方法是在梁下張拉鋼絲繩，使其預(yù)先具有一個(gè)預(yù)應(yīng)力，粘貼模具澆筑聚氨酯混凝土，使其包裹在被加固的梁表面，增大其受力截面[43-47]，相當(dāng)于在梁下增加了受拉鋼筋，使得梁的承載力得到提升。管澤斌，李晉等[48]的鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料加固損傷空心板梁實(shí)驗(yàn)研究中，對受到損傷的空心板梁進(jìn)行鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料加固，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，加固后的空心板梁其破壞的過程分為鋼絲繩斷裂、復(fù)合材料開裂和整體結(jié)構(gòu)破壞三個(gè)階段，整體的破壞表現(xiàn)為適筋梁破壞，并且加固后顯著提高了損傷的空心板梁的承載力。張可心[49]在2018年發(fā)表的聚氨酯水泥鋼絲繩抗彎加固鋼筋混凝土T梁研究中表示，與預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固相比，聚氨酯水泥預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固顯著地改變了受彎構(gòu)件的截面應(yīng)力分布，降低鋼筋的應(yīng)力，不僅對鋼絲繩起到保護(hù)作用從而提高鋼絲繩的疲勞壽命，還參與到結(jié)構(gòu)的受力過程中，充當(dāng)鋼絲繩以外的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料。綜合上述研究，聚氨酯水泥鋼絲繩復(fù)合材料在橋梁的抗彎、抗剪加固中發(fā)揮了良好的作用，解決了現(xiàn)階段橋梁病害的大多數(shù)問題，在加固混凝土橋梁方面的研究意義深遠(yuǎn)。

目前鋼絲繩聚氨酯水泥復(fù)合材料已經(jīng)在工程實(shí)例中有所應(yīng)用，張盛然[50]的聚氨酯水泥鋼絲繩復(fù)合材料加固橋梁實(shí)驗(yàn)及有限元數(shù)值分析中介紹了2017年東北林業(yè)大學(xué)工程檢測有限公司對S312線嘉蔭至綏濱段某損傷橋梁進(jìn)行加固，該橋梁的主要病害是橋面鋪裝橫向裂縫，防護(hù)欄桿開裂、變形，主梁肋板出現(xiàn)大量豎向裂縫和斜向裂縫等。隨著交通流量的加大，原設(shè)計(jì)已經(jīng)不滿足現(xiàn)下的交通需求，通過鋼絲繩聚氨酯復(fù)合材料進(jìn)行加固以后明顯提高了橋梁的整體承載力，為后續(xù)聚氨酯鋼絲繩復(fù)合材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用研究奠定了一定的基礎(chǔ)這一案例也證明了實(shí)驗(yàn)室中的諸多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中也多有體現(xiàn)。

5 結(jié) 語

根據(jù)現(xiàn)階段的研究結(jié)果，聚氨酯材料本身具有良好的力學(xué)性能，在材料的改性方面具有很大的研究空間，且目前為止聚氨酯水泥復(fù)合材料加固橋梁的研究較多，并且通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程中的應(yīng)用得知聚氨酯水泥復(fù)合材料在加固橋梁方面的效果理想，能夠有效地提高橋梁的承載力，延長病害橋梁的使用年限，且應(yīng)用聚氨酯水泥鋼絲繩復(fù)合材料對結(jié)構(gòu)加固時(shí)，不光起到對主要受力構(gòu)件的保護(hù)作用，同時(shí)也能一定程度地參與到受力過程中，對加固結(jié)構(gòu)起到一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，同時(shí)聚氨酯水泥復(fù)合材料本身還具有良好的黏結(jié)性和流動(dòng)性，在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加固中可以考慮應(yīng)用。目前的研究中考慮溫度變化的情況較少，我國南北方差異較大，溫度對材料性能的影響研究意義深遠(yuǎn)，同時(shí)現(xiàn)階段活荷載對材料影響的研究較缺乏，對于確定在規(guī)定范圍內(nèi)疲勞荷載作用下的破壞形式很有必要。