改性聚氨酯混凝土受壓性能及本構關系研究

雷建華 ，徐斌，何旭輝

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650118；3. 寧波路寶科技實業(yè)集團有限公司，浙江 寧波 315800)

近年來，我國交通運輸行業(yè)迅速發(fā)展，各類新結構、大跨度的橋梁不斷涌現(xiàn)。對于橋面鋪裝材料，目前既有橋梁主要采用瀝青混凝土，但在長期使用和運營過程中，其面層常出現(xiàn)開裂、車轍、凍脹翻漿和沉陷等病害，經(jīng)常未到設計使用年限便需要進行局部或大面積翻修[1]。聚合物混凝土作為一種新材料，具有耐磨抗開裂、防腐防水防滲透及層間黏附性強等優(yōu)點[2]，目前被陸續(xù)應用于橋梁鋪裝工程中。對于聚合物混凝土的研究，國外早在上個世紀70年代，URETEK公司(芬蘭)便開始研制應用于路面的聚氨酯混凝土，并陸續(xù)在多個國家申請發(fā)明專利[3]。2001年，美國將URETEK公司的聚氨酯混凝土應用于實際工程，驗證了聚氨酯混凝土用于路面養(yǎng)護的可行性[4]。HUSSAIN等[5]對聚氨酯水泥材料進行了研究，通過材料力學性能試驗，驗證了此材料具有較好的力學性能，并將其應用于鋼筋混凝土梁的加固，通過抗彎試驗，證明經(jīng)過聚氨酯水泥材料加固后梁的抗彎承載力優(yōu)于同尺寸的普通混凝土梁。21世紀初，我國開始對聚氨酯材料進行深入研究，并陸續(xù)將該材料應用到土木工程中[6-8]。近年來，聚氨酯混凝土被逐漸應用到橋梁鋪裝工程中，寧波路寶公司研發(fā)了ECO(Ecology Conservation Optimization)改性聚氨酯混凝土(以下簡稱ECO混凝土)，具有較好的耐久性、與鋼材的強黏結性、早強性、低溫工作性等，目前已應用于我國多個橋梁工程項目[9-12]。徐世法等[13]研發(fā)了一種貫入阻力測試系統(tǒng)，通過貫入力量化固化程度，以確定工程現(xiàn)場聚氨酯混凝土的壓實時機。焦鼎[3]通過混凝土力學試驗，測定了聚氨酯纖維增強混凝土的抗壓強度與抗折強度。從以往的研究可以看出，聚氨酯混凝土具有較好的力學性能，其應用范圍廣泛，可以作為結構加固材料，也可做路面、橋面鋪裝材料，且在工程中已經(jīng)得到了越來越多的應用。對于傳統(tǒng)混凝土的本構關系，國內(nèi)外學者已有了較深的認識。隨著國家可持續(xù)發(fā)展的需求，多種新型混凝土問世，一些學者對這些新型混凝土的本構關系進行了深入研究[14-19]，也有一些學者對高溫影響下的新型混凝土本構關系進行了研究[20-22]。但關于聚氨酯混凝土本構關系的研究卻相對較少，在此基礎上進一步考慮溫度影響的研究更少。因此，建立準確的ECO混凝土的本構關系對其未來更加廣泛的工程應用具有重要的理論意義。本文開展ECO混凝土的標準試件在不同溫度下的單軸受壓實驗，分析軸心受壓ECO混凝土試件的彈性模量、抗壓強度、峰值應變以及應力-應變關系曲線隨溫度的變化規(guī)律，并據(jù)此建立其單軸受壓的本構模型，以期為聚氨酯混凝土的工程設計與應用提供理論依據(jù)。

1 材料及試件概況

1.1 試驗材料及配比參數(shù)

ECO混凝土試驗所用原材料如下：1) 集料：包括按最大密度曲線混合而成的粗骨料和細骨料，根據(jù)測試標準，含水率少于3%，如圖1和圖2所示。粗骨料為連續(xù)級配的天然礫石與機制砂，該骨料粒徑約5～10 mm，顆粒整體圓潤扁平，針片狀顆粒含量少于8%，細度模數(shù)約為3.4，表觀密度約為2 660 kg/m3；細骨料為連續(xù)集配的天然河沙，細度模數(shù)約為2.5，表觀密度約為2 580 kg/m3。2) 改性聚氨酯結合料：由異氰酸酯、多元醇、甲基乙二醇胺、異丁酸鋅等多組熱固性高分子材料按比例混合而成。3) 助劑：包括甲苯二異氰酸脂、乙酸乙酯等添加劑。試件由課題合作單位寧波路寶實業(yè)集團有限公司提供。具體材料配合比骨料級配見表1和表2所示。

表1 ECO改性聚氨酯混凝土配合比Table 1 Mix proportion of ECO modified polyurethane concrete

表2 骨料級配Table 2 Classification of aggregate based on particle sizes

圖1 粗骨料Fig. 1 Coarse aggregate

圖2 細骨料Fig. 2 Fine aggregate

1.2 試件制備與養(yǎng)護

ECO混凝土采用混凝土攪拌機進行拌制，首先將粗細骨料進行篩分稱重，按照配比參數(shù)將骨料、改性聚氨酯結合料和助劑等添加劑投入攪拌機中攪拌。攪拌完成后將混合料裝入立方體與棱柱體模具，在混凝土振動臺上振動成型，用刮刀去除多余混合料并平整表面，將試件常溫靜置3 h后拆模，編號后常溫養(yǎng)護28 d。試件如圖3所示。

圖3 試驗試件Fig. 3 Experiment specimens

試件成型后，檢查材料混合是否均勻，從該批全部試件中隨機抽取2～3個試件進行截面水切割，均沿試件150 mm×150 mm截面將試件切割為厚度約5～8 mm的ECO混凝土薄片，觀察骨料與改性聚氨酯結合料的結合情況，切割截面圖如圖4所示。由圖4可知，粗細骨料與改性聚氨酯結合料混合效果良好，材料之間混合均勻，無粗細骨料聚集現(xiàn)象，無蜂窩孔洞，存在極少量的氣泡孔。

圖4 試驗試件斷面圖Fig. 4 Section of experiment specimen

2 試驗概況

2.1 試驗準備

試驗考慮溫度對ECO混凝土力學性能的影響，分別在0 ℃，15 ℃，40 ℃和60 ℃ 4組試驗溫度條件下進行立方體抗壓試驗與棱柱體軸心抗壓試驗，每組溫度條件準備6個試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件和尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件各3個。其中，0 ℃時，試件不考慮濕度的影響；15 ℃，40℃與60 ℃時，試件試驗的相對濕度為70%。每組試件均在規(guī)定試驗條件下恒溫恒濕6 h后進行加載，取出試件后單個試件的試驗加載時間小于3 min。其中，溫度與濕度的控制采用恒溫恒濕箱對試件進行加熱、降溫與加濕處理，恒溫恒濕箱量程為-40 ℃至150 ℃，如圖5所示。

圖5 恒溫恒濕箱Fig. 5 Constant temperature box

2.2 加載方式與應變片布置

為開展ECO混凝土立方體抗壓試驗與軸心抗壓試驗，采用2 000 kN伺服試驗機加載，試驗方法參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[23]，加載速度為0.6～0.8 MPa/s，速度加載方式采用力控加載，試驗機如圖6所示。加載時，在試件上下各放置一塊50 cm×50 cm×2 cm經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的鋼板，在使荷載均勻傳遞同時增加試驗機剛度。在正視面粘結3個垂直方向的應變片(10 cm電阻式應變片)，具體加載及應變片布置圖如圖7所示。立方體試件利用伺服試驗機機身配備的力與位移傳感器測量其荷載-位移曲線數(shù)據(jù)。試驗時，先進行預壓以保證立方體和棱柱體試件的物理對中和受壓時的穩(wěn)定性。

圖6 伺服試驗機Fig. 6 Servo testing machine

圖7 加載及應變片布置圖Fig. 7 Loading and strain gauge layout

3 試驗過程及結果分析

3.1 ECO混凝土彈性模量

利用應變片數(shù)據(jù)對試驗荷載-位移曲線修正后，得到ECO混凝土不同溫度下的應力與應變數(shù)據(jù)。ECO混凝土試件初始彈性模量取自棱柱體試件受壓應力-應變?nèi)€上升段應力為0.5 MPa到應力為0.3倍極限強度(fc)對應點的割線模量，圖8為ECO混凝土試件彈性模量在不同溫度下的取值。從圖中可以看出，隨著溫度的降低，ECO混凝土的彈性模量在不斷提高。其中，60 ℃試驗條件下測得的ECO混凝土初始彈性模量為2.41 GPa，當試驗溫度分別為 40 ℃，15 ℃和0 ℃時，彈性模量分別增加了131.9%，247.7%和447.7%。這說明ECO混凝土結合料雖為熱固性材料但高溫狀態(tài)仍存在軟化現(xiàn)象，與常溫和低溫相比承受同等載荷后變形增大從而彈性模量降低。

圖8 ECO混凝土彈性模量Fig. 8 Elastic modulus of ECO concrete

通過對不同溫度下彈性模量試驗結果的擬合，得到ECO混凝土彈性模量隨溫度的變化規(guī)律，表達式如下：

式中：E0T和E0T0分別為ECO混凝土在溫度T和溫度T0下的彈性模量。其中，T為試件所處環(huán)境溫度，T0常溫取值15 ℃，以下相同；其相關系數(shù)R2為0.975。

3.2 ECO混凝土抗壓強度

圖9所示為不同試驗溫度下ECO混凝土立方體抗壓強度與軸心抗壓強度，由圖可知，隨溫度的降低，ECO混凝土立方體抗壓強度與軸心抗壓強度均明顯提高。這與彈性模量隨溫度的變化趨勢基本一致。60 ℃時立方體試件抗壓強度為26.19 MPa，棱柱體試件軸心抗壓強度為20.91MPa，仍能滿足橋面鋪裝對鋪裝材料的強度要求。當試驗溫度分別為40 ℃，15 ℃和0 ℃時立方體抗壓強度分別提高了64.1%，174.6%和204.0%，軸心抗壓強度分別提高了88.9%，181.5%和293.1%。二者相比軸心抗壓強度的提高幅度相近，可見溫度的改變也較大程度地影響了ECO混凝土抗壓強度。高分子材料的化學組成會對其力學性能產(chǎn)生深遠影響。從材料化學組成上分析，聚氨酯混凝土能在常溫狀態(tài)具備硬度高和柔韌性強的特點，主要是源于聚氨酯在分子結構(分子鏈)上含有氨基甲酸酯。溫度會影響聚氨酯材料分子鏈的活躍程度，進而使材料在宏觀強度上產(chǎn)生了差異[9]。在結構層面，聚氨酯受熱膨脹的同時剛度會有所降低表現(xiàn)出塑性特征，受壓后相比常溫會出現(xiàn)更大的變形，導致骨料與結合料不易協(xié)調(diào)變形，影響二者界面黏結出現(xiàn)相對滑移，最終影響材料強度。

圖9 ECO混凝土試件抗壓強度Fig. 9 Compressive strength of ECO concrete specimens

通過對不同溫度下軸心抗壓強度試驗結果的擬合，得到ECO混凝土軸心抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律，具體擬合公式如下：

式中：fcT和fcT0分別為ECO混凝土在溫度T和溫度T0下的軸心抗壓強度；其相關系數(shù)R2為0.991。

3.3 ECO混凝土峰值應變

圖10所示為棱柱體試件在溫度0 ℃，15 ℃，40 ℃和60 ℃試驗下得到的應力-應變?nèi)€。由圖可知，隨溫度降低，ECO混凝土試件的峰值應變不斷減少。60 ℃試驗環(huán)境下測得的ECO混凝土的峰值應變?yōu)?2.73×103με，當試驗溫度分別為40 ℃，15 ℃和0 ℃時峰值應變分別減少19.5%，31.2%和38.2%。由圖可知，溫度越低，應力-應變?nèi)€的軟化段越短，極限強度過后曲線下降段更陡，脆性破壞越顯著。此外，當試驗溫度過低時，ECO混凝土材料的脆性增強，試件破壞時塑性段吸能效果減弱；當溫度過高時，ECO混凝土峰值應變和極限形變在快速增大同時，極限強度和初始彈性模量大幅降低，使得曲線與橫軸所包圍面積減少。因此，從0 ℃試驗溫度開始，隨著溫度提高，ECO混凝土的應力-應變?nèi)€與橫軸所圍成的面積先增加后減少，說明該材料的韌性及完全破壞所吸收的能量并非隨著溫度呈線性變化。

圖10 單軸受壓ECO混凝土應力-應變?nèi)€Fig. 10 Complete stress-strain curves of ECO concrete under uniaxial compression

對試驗結果中ECO混凝土不同試驗溫度下峰值應變進行擬合，得到如下表達式：

式中：εT和εT0分別為ECO混凝土在溫度T和溫度T0下的峰值應變，其相關系數(shù)R2為0.994。

3.4 ECO混凝土受壓破壞過程

3.4.1 立方體受壓破壞

ECO混凝土立方體試件在不同的試驗溫度下，幾組試件加載后荷載-位移曲線的發(fā)展特征大致相同。加載初期，當所加荷載達到約試件極限承載力(Fcu)的1/10時，試件的荷載-位移曲線開始呈線性快速上升；當施加荷載達到約0.6Fcu時，荷載-位移曲線逐漸開始呈非線性增長，此時試塊表面仍無明顯變化；當達到0.8Fcu時，試件中部出現(xiàn)輕微的外凸現(xiàn)象并伴有“嘶嘶”的響聲。

隨著加載的繼續(xù)立方體試件的中部開始出現(xiàn)異于試件顏色的淡白色網(wǎng)狀條紋，意味著試件內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，隨后中部條紋發(fā)展出與試件豎向邊緣呈30°角的斜向條紋并迅速向試件的頂角延伸。隨后在試件中部的網(wǎng)狀條紋進一步擴展，此時中部向外受壓膨脹已十分明顯，但試塊表面并未出現(xiàn)明顯裂縫。當臨近極限荷載時試塊表面條紋數(shù)量繼續(xù)增加，已有的白色條紋由細變粗，其中一部分條紋在達到極限荷載時直接發(fā)展形成裂縫，裂縫形成后瞬間沿加載方向上下貫通，此時荷載迅速下降。除已經(jīng)發(fā)展形成為裂縫的白色條紋外，少數(shù)條紋隨著荷載降低而消失，大多數(shù)則保留在試件表面。

其中，0 ℃實驗溫度下破壞最為劇烈，其破壞形式與普通硅酸鹽混凝土立方體受壓破壞形式相似，試件側面出現(xiàn)大面積混凝土脫落，破化后的試件主體呈錐形。而其他3組試驗溫度條件下，破壞時試件的承壓面邊緣有局部壓碎現(xiàn)象，試件側面的主裂縫呈錐形分布，表面有少量聚氨酯混凝土碎渣脫落，破壞后的立方體試件并未沿裂縫徹底散開，試件的整體輪廓依舊完整。隨著試驗溫度不斷提高，試件在破壞時發(fā)出的響聲逐漸變小，試件表面脫落和射出的碎渣數(shù)量也明顯減少。立方體ECO混凝土試件破壞形態(tài)如圖11所示。

圖11 立方體試件受壓破壞形態(tài)Fig. 11 Compressive failure mode of cube specimens

3.4.2 軸心受壓破壞

軸心抗壓試驗在加載初期，與立方體試件變化過程相似。隨著荷載的不斷增大，試件表面快速出現(xiàn)網(wǎng)狀條紋。到加載后期接近極限荷載時，試件發(fā)出摩擦的聲音，此時網(wǎng)狀條紋已經(jīng)發(fā)展為肉眼可見的縱向微裂縫并沿表面對角線不斷擴大延伸形成清晰可見的裂縫帶。

在0 ℃試驗溫度下，試件破壞十分劇烈，破壞時試件發(fā)出“砰”的劇烈響聲，出現(xiàn)1～3條斜向或縱向主裂縫，試件表面有大面積混凝土碎塊脫落現(xiàn)象；15 ℃試驗溫度下試件破壞時響聲依舊，但破壞的劇烈程度有所降低，試件被一條沿對角線方向的主裂縫貫穿而形成臨界剪面，發(fā)生了典型的剪切滑移破壞[24]；隨著溫度的提高，試件破壞時的聲響與主裂縫的形態(tài)表征越不明顯；40 ℃與60 ℃試驗環(huán)境下試件破壞時，其對角線分布有肉眼可見的微裂縫但未出現(xiàn)明顯的貫通裂縫，試件表面與邊角有少量聚氨酯混凝土剝離現(xiàn)象。破壞后的試件中部截面明顯大于加載端部截面，存在顯著的受壓膨脹現(xiàn)象。試件的破壞狀態(tài)與應力-應變曲線相吻合，ECO混凝土軸心受壓試件的破壞形態(tài)如圖12所示。

圖12 棱柱體試件受壓破壞形態(tài)Fig. 12 Compression failure mode of prism specimens

4 ECO混凝土單軸受壓本構模型

目前，用于擬合混凝土本構關系的數(shù)學模型主要研究的是基于普通硅酸鹽水泥為骨料結合料的混凝土，而針對結合料采用類似改性聚氨酯這類高分子材料的混凝土本構關系研究相對不足，特別是考慮該型混凝土在不同溫度下受壓本構關系的研究更是匱乏。因此，本文基于混凝土結構設計規(guī)范中的本構模型[25]，考慮溫度對ECO混凝土應力-應變?nèi)€的影響，提出適用于ECO混凝土的本構模型。全曲線計算公式如下：

式中：σ和ε分別為ECO混凝土的應力和應變；fc和εc分別為ECO混凝土單軸抗壓極限強度和極限強度對應的應變值。α為ECO混凝土單軸受壓應力-應變曲線的上升段形狀參數(shù)；β為ECO混凝土單軸受壓應力-應變曲線的下降段形狀參數(shù)。

式(6)中僅有α與β未知，本文為描述溫度對ECO混凝土材料本構模型的影響，將溫度引入到模型的形狀參數(shù)中。在單一試驗溫度下，對ECO混凝土試件的受壓應力-應變曲線進行歸一化處理，通過曲線擬合計算試件在該溫度下的形狀參數(shù)。在不同溫度下得到上升段參數(shù)α取值范圍為2≤α≤5，下降段參數(shù)β取值范圍為1≤β≤5，再通過回歸分析得到形狀參數(shù)隨溫度變化的表達式，具體公式如下：

式中：T為試驗溫度，℃；T0為常溫溫度；R2為相關系數(shù)。

其中α具有明確的物理意義，該值與材料初始彈性模型和應力-應變曲線峰值點割線模量比值有關，將式(4)和式(6)上升段曲線分別進行1階求導，如下式所示：

式中：Ec為初始彈性模量；Ep為峰值割線模量。

由式(8)可知，參數(shù)α越大，曲線初始彈模和峰值割線模量越接近，由此反映曲線上升段的發(fā)展趨勢，同理參數(shù)β可以反映軟化段的下降趨勢。由式(7)的擬合結果和圖10可知，聚氨酯混凝土形狀參數(shù)α和β隨著溫度的增加呈先降低后增加的趨勢，而高溫時增加的幅度并不明顯，總體呈下降趨勢。由于低溫時，聚氨酯分子鏈的運動被抑制，材料宏觀表現(xiàn)為彈性模量和強度增加，變形能力降低，試件處于高彈性的狀態(tài)，應力-應變曲線的上升段斜率較大，線性段較長且軟化段不明顯，到達峰值點后試件迅速破壞使得曲線陡降。反之，高溫時材料的變形能力增加，塑性特征明顯增強，加載時曲線發(fā)展緩慢，到達峰值點后曲線下降平緩。

將式(2)和式(3)計算所得到的fc和εc及式(7)得到的α與β代入式(6)，整理后得到不同溫度下ECO混凝土單軸受壓應力-應變?nèi)€。將計算得到的ECO混凝土單軸受壓應力-應變?nèi)€與實驗所得全曲線進行對比，如圖13所示。由圖可知，本文建立的ECO混凝土本構模型能夠較好地反映該試件在單軸受壓狀態(tài)下應力與應變發(fā)展的全過程，與試驗得到彈性模量、極限強度和峰值應變的結果吻合良好。

5 結論

1) ECO混凝土試件的極限強度和彈性模量隨著溫度的升高而降低，峰值應變和極限應變隨著溫度的升高而增加，不同溫度下ECO混凝土的各項力學性能指標符合鋪裝材料的要求。此外，揭示了ECO混凝土彈性模量、軸心抗壓強度和峰值應變隨溫度變化的影響規(guī)律與機理。

2) ECO混凝土的破壞狀態(tài)受溫度的影響明顯。隨著溫度的提高，試件由低溫的脆性破壞向高溫的塑性破壞轉變。高溫作用下，試件破壞時的裂縫寬度更小，裂縫擴展速度更緩慢，破壞后試件具有良好的完整性。

3) 建立了溫度影響下ECO改性聚氨酯混凝土材料的單軸受壓本構模型，將溫度引入到模型上升段和下降段的形狀參數(shù)中，揭示了形狀參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。模型計算結果與試驗結果吻合良好，可為聚氨酯混凝土的結構設計和數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。