聚氨酯水泥加固钢筋混凝土力学性能研究综述.docx

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1、聚氨酯水泥加固钢筋混凝土力学性能研究综述兰岩松，贾美微，郭润麒，孙剑飞，柳艳杰，丁琳，2(L黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150080；2.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程震动重点实验室，黑龙江哈尔滨150080)1聚氨酯水泥的优劣分析1.1 材料的特点及其优势聚氨酯(PU),全名是聚氨基甲酸酯，是一种高分子化合物，最早由德国科学家奥托拜耳等在1037年制出了此物，目前这种高分子材料被广泛地用于黏合剂、涂层1、低速轮胎2等工业领域。聚氨酯水泥是一种由聚氨酯和水泥组成的复合材料，其具有高延性，高耐久性,不同于水泥基复合材料，组成聚氨酯水泥复合材料的两种材料均可以单独作为胶凝材料，利用

2、两种材料组成的聚氨酯水泥复合材料表现出两种材料的优点。聚氨酯水泥复合材料加固技术，属于传统加固技术中增大截面法的一种3,都是在混凝土构件的四周用一层混凝土包筑起来，使得结构的受力截面增大，进而提高结构的承载力。由于聚氨酯水泥相比普通水泥，除了具有比较好的抗压性能外，还具有不错的抗拉性能，所以在加固混凝土柱的时候不需要额外的配置钢筋，从而简化了施工流程，实际操作起来更加简便。1.2 聚氨酯水泥材料的缺陷在应用聚氨酯水泥材料加固时也存在一定的缺陷，比如聚氨酯水泥本身的防火性能差，在配置聚氨酯水泥时，往往需要添加阻燃剂4（磷酸酯TCEP）,在采用此技术加固的时候如果需要提高的承载力相对较高时，聚氨酯

3、水泥加固层的厚度较大，工程造价和构件的重量增加的较为明显5,但加固后的结构仍存在材料韧性低的问题6-8。2聚氨酯水泥的力学性能水泥作为现在应用最广泛的胶凝材料，与粗细骨料混合后形成的混凝土结构，能够具有比较良好的力学性能，但是在实际的工程中，水泥的缺陷也十分明显。水泥本身重量大，结构显得笨重，且自身为脆性材料，受拉强度低，在受到拉应力时，容易产生开裂。同时混凝土自身的耐腐蚀性差，在腐蚀环境中，使用寿命将大大缩短9。聚氨酯作为一种性能优良的高分子材料与水泥混合后形成的聚氨酯水泥复合材料，相比较传统的建筑材料，具有抗腐蚀性、硬化快、质量轻,在短时间内能够形成较高承载力等优点，引起了广大学者的关注。

4、东北林业大学孙全胜教授及其课题组和哈尔滨工业大学刘贵位教授针对聚氨酯水泥都展开了一系列的研究10T4,对于聚氨酯水泥的配合比、常温下聚氨酯水泥材料的抗压性能，抗折性能和黏结性能、耐酸碱腐蚀性能等进行了大量的研究。张继峰，庄柏舟，张可心15在聚氨酯水泥复合材料力学性能试验研究中，以聚氨酯水泥复合材料为研究对象，对比不同密度下的聚氨酯水泥复合材料，对其抗压强度、抗折强度进行试验，分析研究了聚氨酯水泥抗压强度、抗折强度与密度之间的规律。通过试验得出：聚氨酯水泥复合材料的抗压强度和抗折强度都随着密度的增加而增加，二者之间都存在二次方程的关系，并且在试验中对比聚氨酯水泥的不同配合比发现，当含水量较少时，

5、材料的气孔密闭性好，膨胀率小，从而材料的密度也变得更大，进而增加了材料的抗压抗折等力学指标。Tang16采用阳离子聚氨酯(PUC)提高了水泥基材料的力学性能，通过分析实验结果发现PUC的加入加速了水泥的水化作用，改变了水化产物的矿物组成和形貌并相应的改变了水泥基材料的微观结构，PUC的加入降低了水泥基材料的脆性增加了抗拉强度。HaleemK.Hussain17对PUC复合材料的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、应力-应变关系、黏结强度等性能进行了试验，并与传统混凝土进行了比较，28d后的抗压强度、弯曲抗拉强度和黏结度有较大的改善。ZhangLei18通过研究表示，PUCC具有良好的抗动态冲击性能，

6、其动应力可达到普通混凝土的23倍Q加入BA后，这样的动态力学性能明显下降Q在聚氨酯材料的改性方面也有很多学者对其进行了研究，通过在聚氨酯水泥中加入碳纤维等外加剂，聚氨酯水泥会融合这些外加剂的某些性能进而提高材料自身的力学性能，如杨楠等19在碳纤维聚氨酯水泥复合材料力学性能研究中，通过正交试验方法讨论了碳纤维聚氨酯水泥压缩、劈拉、抗折强度的主要因素，得出硅灰的掺量是影响聚氨酯水泥压缩强度的主要因素，碳纤维掺量是影响聚氨酯水泥劈拉和抗折强度的主要因素。再如2022年安徽大学王传勇等20-21通过试验,成功制备了双组分水泥注浆材料，并且对其黏度、抗压强度、抗拉强度等力学性能进行了测试分析，成功地将制

7、出的材料应用到了加固工程中。通过上述学者研究，可以看出聚氨酯水泥有很大的改性空间，未来在聚氨酯水泥复合材料中加入外加剂可使其具有更为优秀的力学性能。3聚氨酯水泥加固钢筋混凝土结构聚氨酯水泥由于其在早期可形成较高的强度，可用做加固材料对钢筋混凝土材料进行直接加固，一般的加固方法都是在既有结构的基础上外包聚氨酯水泥，通过增大结构的截面来加固结构，使结构能满足使用要求。在宋子龙22的聚氨酯复合材料(PUFA)抗震加固钢筋混凝土桥墩的实验研究中，使用新型复合材料聚氨酯水泥，对既有的钢筋混凝土墩柱用外包粘贴的方法进行加固实验，通过分析得到了滞回曲线。与对比试件(未加固)进行比较后，分析发现材料的最大承载

8、力和刚度都得到了一定程度的提高，说明了聚氨酯水泥复合材料加固技术对提高钢筋混凝土结构的强度有一定效果。同时在实验过程中还发现，由于聚氨酯水泥本身具有较好的黏结性，在对既有的钢筋混凝土墩柱利用浇筑的方法加固时，加固过程中不需要黏结剂，其材料本身可以很好地与钢筋混凝土进行黏合，并且不易剥离。在对比聚氨酯水泥加固后的钢筋混凝土墩柱和未加固的钢筋混凝土墩柱破坏时还发现，未加固的钢筋混凝土墩柱破坏时，结构属于弯剪破坏；而加固后的钢筋混凝土墩柱出现塑性较的时间和位置均发生了显著的改变，最后发现其破坏机理发生了变化，聚氨酯水泥加固后的结构，延性得到了增强，变形能力也得到了一定的增强。同时通过分析对比实验结果

9、发现，轴压比的增加会使得被加固的钢筋混凝土墩柱的延性得到增加。张立东23在聚氨酯水泥复合材料加固预应力混凝土空心板梁承载力研究中，通过实验配比出最佳配合比的聚氨酯水泥复合材料并且通过黏结强度实验确定了材料具有良好的黏结性能，在对加固后的空心板梁进行力学测试后发现，通过聚氨酯水泥复合材料的加固后，空心板的挠度明显减小，裂缝在受力时在截面上的发展高度明显降低、间距减小且分布更加均匀说明聚氨酯材料显著地降低了混凝土的应力，延缓了裂缝的产生，对空心板梁的屈服荷载和极限荷载有较大的提高。对比上述两个实验研究，聚氨酯水泥复合材料用作加固材料对既有结构进行加固时，会使得结构的延性得到一定的提升，会提高结构的

10、极限荷载且在破坏时表现出明显的塑性破坏特征，有利于及时发现和补救。对比聚氨酯水泥，有学者也对其进行了一定的改性，如李永学24的聚氨酯粉煤灰复合材料在桥梁结构抗震加固工程中的应用研究中，通过材料实验进一步介绍了所属课题组自主研发的新型聚氨酯水泥抗震加固材料的各种力学关系，提出了利用聚氨酯水泥材料进行外包处理后核心混凝土的本构关系分析模型的推导与求解，同时通过数值模拟等手段，对聚氨酯水泥加固既有的钢筋混凝土桥墩结构进行数值模拟计算，得出了聚氨酯水泥加固技术对抗震加固有很好的效果。4钢丝绳聚氨酯水泥复合材料加固钢筋混凝土结构在此之前，混凝土钢丝绳加固技术在实际桥梁工程中已经有了应用24-29,在通过

11、预应力钢丝绳加固既有结构时，外部往往浇筑混凝士对预应力钢丝绳起到保护作用，避免钢丝绳长期暴露在外部复杂环境中30-32。但是在实际的工程应用中，该方法暴露了很多问题，如混凝土的黏结力较差，通常需要配合涂抹环氧类界面剂，但是即便如此，在桥梁结构中，由于车辆荷载的反复作用，在某些受力不利区域，仍然会出现复合砂浆脱落的现象33。并且，混凝土的抗拉强度低，在预应力钢丝绳结构中，往往只起到保护钢丝绳的作用，并不参与受力，将混凝土替换成聚氨酯水泥以后，由于其具有良好的力学性能和黏结性能，可以成为钢丝绳以外的补强材料，从而很好地解决了上述问题。现阶段病害桥梁大多由于桥梁的早期荷载设计偏低、交付使用后出现严重

12、的超载等多重原因，使得大多桥梁都存在一定程度的病害，其中剪切病害主要体现为桥梁受剪段出现开裂的现象，这一现象在T型梁中比较常见，受到剪力影响而开展的裂缝一般出现在桥体与墩柱的连接处两侧，当裂缝出现时，桥梁的刚度一定程度的减小，同时伴随着承载力的减小和挠度的增大，使得病害进一步加剧34-40,对于这一类桥梁病害，加固技术的研究刻不容缓Q为解决上述桥梁发生的剪切破坏，在抗剪加固中，一般采用在桥梁的受剪部位纵向布置预应力钢丝绳的方法41,让钢丝绳分担剪切力，增大构件的抗剪强度，这种做法相当于在受剪部位增加箍筋。高洪帅42的预应力钢丝绳-聚氨酯水泥加固钢筋混凝土梁抗剪切性能研究中，采用纵向布置预应力钢

13、丝绳后加注聚氨酯水泥的方法加固钢筋混凝土梁的受剪部位，相比于钢丝绳的单独加固方法，钢丝绳聚氨酯水泥复合材料的加固充分体现了钢丝绳和聚氨酯水泥的优点，对于结构而言，相当于直接增加了配箍率和截面的受剪切面积及受剪切刚度，极大地提高了加固构件的抗剪承载力。钢丝绳聚氨酯水泥复合材料也可以应用在受弯构件的加固工程中，一般的方法是在梁下张拉钢丝绳，使其预先具有一个预应力，粘贴模具浇筑聚氨酯混凝土，使其包裹在被加固的梁表面，增大其受力截面43-47,相当于在梁下增加了受拉钢筋，使得梁的承载力得到提升。管泽斌，李晋等48的钢丝绳聚氨酯水泥复合材料加固损伤空心板梁实验研究中，对受到损伤的空心板梁进行钢丝绳聚氨酯

14、水泥复合材料加固，通过力学实验得出，加固后的空心板梁其破坏的过程分为钢丝绳断裂、复合材料开裂和整体结构破坏三个阶段，整体的破坏表现为适筋梁破坏，并且加固后显著提高了损伤的空心板梁的承载力Q张可心49在2022年发表的聚氨酯水泥钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土T梁研究中表示，与预应力钢丝绳加固相比，聚氨酯水泥预应力钢丝绳加固显著地改变了受弯构件的截面应力分布，降低钢筋的应力，不仅对钢丝绳起到保护作用从而提高钢丝绳的疲劳寿命，还参与到结构的受力过程中，充当钢丝绳以外的结构补强材料。综合上述研究，聚氨酯水泥钢丝绳复合材料在桥梁的抗弯、抗剪加固中发挥了良好的作用，解决了现阶段桥梁病害的大多数问题，在加固混凝土

15、桥梁方面的研究意义深远。目前钢丝绳聚氨酯水泥复合材料已经在工程实例中有所应用，张盛然50的聚氨酯水泥钢丝绳复合材料加固桥梁实验及有限元数值分析中介绍了2022年东北林业大学工程检测有限公司对S312线嘉荫至绥滨段某损伤桥梁进行加固，该桥梁的主要病害是桥面铺装横向裂缝,防护栏杆开裂、变形，主梁肋板出现大量竖向裂缝和斜向裂缝等Q随着交通流量的加大，原设计已经不满足现下的交通需求，通过钢丝绳聚氨酯复合材料进行加固以后明显提高了桥梁的整体承载力，为后续聚氨酯钢丝绳复合材料在实际工程中的应用研究奠定了一定的基础这一案例也证明了实验室中的诸多优点，在实际工程中也多有体现。5结语根据现阶段的研究结果，聚氨酯

16、材料本身具有良好的力学性能，在材料的改性方面具有很大的研究空间，且目前为止聚氨酯水泥复合材料加固桥梁的研究较多，并且通过实验和实际工程中的应用得知聚氨酯水泥复合材料在加固桥梁方面的效果理想，能够有效地提高桥梁的承载力，延长病害桥梁的使用年限，且应用聚氨酯水泥钢丝绳复合材料对结构加固时，不光起到对主要受力构件的保护作用，同时也能一定程度地参与到受力过程中，对加固结构起到一定的补强作用，同时聚氨酯水泥复合材料本身还具有良好的黏结性和流动性，在一些复杂结构的加固中可以考虑应用。目前的研究中考虑温度变化的情况较少,我国南北方差异较大，温度对材料性能的影响研究意义深远，同时现阶段活荷载对材料影响的研究较缺乏，对于确定在规定范围内疲劳荷载作用下的破坏形式很有必要。