聚氨酯水泥加固混凝土机理研究综述.docx

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1、聚氨酯水泥加固混凝土机理研究综述姜凯涵，杨雪，彭飞，孙剑飞，丁琳（黑龙江大学a.建筑工程学院；b.水利电力学院，哈尔滨150086）0引言在现有建筑结构中，混凝土是最为常见的建筑材料1。但因在建筑使用中的混凝土长期暴露在大气环境中，并且承受各种荷载长期作用,会出现开裂等破坏，使原有结构不能满足荷载要求。为了节省资金，减少工期，需要研究加固技术，以便增强原有结构的承载能力2。现阶段，广泛应用于实际工程中的加固方法主要包括加大截面加固法、粘贴钢板加固法3-7,虽然上述加固方法都可以增加原有结构的承载能力，但因施工技术、加固稳定性等原因，其加固效果并不理想8。聚氨酯出现于20世纪30年代，经过近80

2、年的不断发展，已广泛应用于各行各业。聚氨酯水泥复合材料，早期强度高，韧性大，适合用于混凝土的修补加固9。聚氨酯水泥因其自身的优越性能而得到快速发展，并已产生较大的经济效益10,聚氨酯水泥的出现为混凝土的加固提供了全新的思路。本文对目前聚氨酯水泥加固混凝土的机理进行较为全面的总结，阐述研究进程中的一些问题，并展望未来研究的发展趋势，为今后的研究提供参考。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过增加原有结构的横截面积、增设钢筋或增加构架面积来提升结构的承载能力11。魏友良12通过增大截面对石拱桥进行加固，经过承载力验算、截面强度验算等，结论表明进行增大截面加固后，桥梁承载能力提

3、升满足荷载等级要求。1.2 粘贴碳纤维加固法粘贴碳纤维加固法的主要原理是将碳纤维黏结在混凝土构件的受拉方向，使构件的抗剪、抗弯性能提高13。刘东坤14通过粘贴碳纤维布对老化混凝土进行加固，结论表明碳纤维粘贴加固对承载力提升有积极作用。1.3 预应力加固法预应力加固法的主要原理是指通过对构件提前施加一部分的预应力或者变形，来减小或抵消负面的应力和变形15。胡军旗16在桥梁维修加固中运用预应力加固技术，并对预应力加固技术进行整体分析,都体现出预应力加固的广泛前景和良好的加固效果。1.4 复合加固法复合加固法的主要原理是将两种及其以上的加固方法或将两种高性能材料组合到一起的加固方法，使其发挥各种加固

4、方法的优势17。2聚氨酯水泥研究李兴贵18将聚氨酯改性混凝土与普通砂浆做对比实验，经研究发现,聚氨酯水泥的抗压强度、耐久性等性能均优于普通砂浆。刘治猛19将水溶性高分子外加剂的掺入可显著改善混凝土施工性，并有效提高混凝土强度、耐久性。研究发现，掺入聚氨酯的聚合物改性混凝土的抗折强度和劈裂强度均有明显提升。胡国金20对水性聚氨酯的制备及性能展开研究，研究发现水性分散聚氨酯在砂浆中的掺入量可对水泥性能产生影响。并且水性聚氨酯对水泥水化反应有一定缓凝作用，水泥砂浆中掺入适当聚氨酯可有效减少水泥水化产物的粒径分布、孔半径，有效提高水泥性能。吴燕华21对聚氨酯改性水泥砂浆的汞压力进行研究，通过MIP实验

5、,将水泥砂浆中掺入聚氨酯，观察发现水泥浆的孔结构发生变化，硬化水泥的微孔孔隙率得以提高，因而聚氨酯改性水泥砂浆的抗渗透性、抗冻性均得到有效提升。陈辉22通过对两种不同性质聚氨酯与水泥复合材料，在相同的水灰比下，水性聚氨酯预聚体与水泥复合材料的强度最高。通过测试发现，聚氨酯预聚体对水泥的水化有促进作用，促进水泥的深度水化，进而提高材料强度。张可心、孙全胜23对高韧性聚氨酯水泥复合材料的力学性能进行研究。研究发现，混凝土与聚氨酯水泥的破坏形式为混凝土界面破坏，并且在实验中混凝土的破坏形式均为黏结破坏，聚氨酯水泥的强黏结性得以证实。许杨楠24通过实验观察水泥中掺入水性聚氨酯后混凝土基础性能的变化，研

6、究发现，水性聚氨酯掺入水泥砂浆后，在聚氨酯掺入量一定的条件下，水泥砂浆的孔隙结构得到有效改善，水泥密实度得以提高。张继峰25对聚氨酯水泥试件的抗压、抗折强度进行测试，研究发现,材料密度与聚氨酯水泥材料的抗压强度、抗折强度的关系式。聚氨酯水泥凝结速度快，适合用于快速抢修等应急工程中。吴若冰26对水性聚氨酯对水泥进行改性，研究发现，当水泥砂浆中掺入无溶剂自乳化水性聚氨酯为3%时，水泥砂浆的28d黏结强度达到峰值，水泥砂浆的初凝时间延长，砂浆的抗折、抗压强度均有所降低。3聚氨酯水泥加固混凝土的分类3.1MPC复合材料加固（增大截面法）谷丹丹27浇筑MPC复合材料对空心板桥梁主梁进行加固，当在跨中最大

7、弯矩处进行横向对称加载和最大弯矩处向偏加载下，加固后的主梁挠度分别有所降低，且对原有的裂缝发展起到抑制作用，MPC复合材料对混凝土加固起到积极作用。王剑琳28以大桥加固维修工程为实例，对MPC复合材料的加固进行研究。MPC复合材料加固方法可有效提升原有结构正常使用状态下的极限承载能力，并提出MPC在一定条件下，可在不中断使用的情况下对构件进行加固维修。张立东29采用MPC复合材料对预应力混凝土空心板桥梁进行加固，空心板桥梁加固后桥梁混凝土的应力与刚绞线应力均有下降，空心板挠度明显降低，且发生破坏时的裂缝间距变小且呈均匀分布。加固后,桥梁的屈服荷载与极限荷载均有较大提升。孙全胜30对空心板梁进行

8、MPC加固，并观察加固前后构件的荷载强度进行有限元分析。研究发现，构件加固后承载能力有明显提升，在荷载作用下，加固后主梁的挠度、最大应变均明显降低。郭建材31以京开高速公路桥梁拓宽为依托，加固钢筋混凝土实心板桥梁。经研究发现，MPC复合材料加固桥梁可有效改善混凝土桥梁的荷载横向分布，桥梁的整体受力强度得以提升。彭勃32采用MPC复合材料对脱空缺陷的钢管混凝土进行加固，研究发现，使用MPC复合材料进行二次灌注使脱空钢管混凝土短柱增厚，承载力大幅度恢复，MPC复合材料和混凝土均可与外围钢管在加载中产生很强的相互作用，进而使构件的承载力与延性得以提升。3.2聚氨酯涂层加固张晶晶等33-37研究发现，

9、可使用具有高强度、高应变复合材料对原有构件的力学性能进行有效改善。其原理是通过在原有结构表面喷涂高性能材料，喷涂后形成与薄膜类似膜类结构，可有效提升原有结构的荷载承受能力。而聚氨酯材料具有高柔性、高弹性等优越性能。复合喷涂材料特性，且聚氨酯对混凝土的黏结能力强并可以快速固化,所以通过喷涂聚氨酯复合材料对混凝土进行加固备受关注。雷波、黄显彬38将混凝土构件表面喷涂聚氨酯复合材料，并验证喷涂后的混凝土构件的力学性能。研究发现，聚氨酯喷涂位置可对加固效果产生影响，混凝土构件承受静态荷载与冲击荷载的能力均得以提升，随着聚氨酯喷涂厚度的增加，混凝土构件的最大应变与累积应变均逐渐增加。田颖等39对喷涂聚氨

10、酯弹性体的黏土砖砌体墙模型性能展开研究，研究发现，通过聚氨酯弹性体的喷涂黏土砖砌体墙的滞回性能提升，喷涂加固后的墙体承载能力、变形能力均有提升。聚氨酯弹性体的单双面喷涂和不同厚度的聚氨酯加固墙体，墙体表现出的滞回性能相近。在加固厚度相同时，面加固的墙体承载能力更强，而单面加固更有利于提升墙体的变形能力。总体而言，通过聚氨酯弹性体的喷涂对墙体的整体受力性能提升明显。张钺等40对聚氨酯涂层对混凝土耐久性的影响进行了研究。通过对氯离子渗透系数的研究发现，聚氨酯涂层的混凝土构件氯离子的扩散系数与空白组相比提升显著。聚氨酯涂层可有效防止氯离子渗透，防止氯离子的渗透能防止混凝土保护层锈胀和剥落等耐久性退化

11、。聚氨酯涂层在提升混凝土耐久性中起到积极作用。3.3聚氨酯水泥掺入聚合物加固聚合物改性混凝土的原理是将水泥和骨料混合与分散在水中或者可以在水中分散的有机聚合物材料结合而生成的复合材料，形成的复合材料可被称作聚合物改性混凝土。目前，大多数聚合物改性混凝土的方式主要有以下两种：一种是先将聚合物用水分散后，以乳液或聚合物水溶液的形式加入，聚合物胶乳在混凝土水化过程中影响混凝土水化过程及混凝土的结构，从而对混凝土的性能起到改善作用。另一种是先将聚合物与水泥或其他分散介质进行预分散，将分散后的以干拌砂浆的形式使用。当水与混合材料拌和时，聚合物遇水形成乳液，在混凝土凝结硬化过程中，乳液脱水，形成聚合物固体

12、结构。此外，聚合物还可以纤维或者纤维增强塑料的形式存在，通过聚合物改变混凝土的性能，在混凝土中获得广泛应用41-45,通过聚氨酯改性混凝土使混凝土的强度增加，进入更多人的视野。孙楠、孙全胜46对碳纤维聚氨酯水泥(CPUC)复合材料的力学性能进行研究，通过正交实验，分析不同聚灰比条件下，碳纤维与硅灰比对CPUC的7d压缩强度、28d压缩强度的影响并得出材料的最优配比。CPUC的强度主要由聚氨酯、聚氨酯与水泥的界面黏结强度以及碳纤维与聚氨酯界面的黏结强度三者共同决定。采用硅灰代替水泥后，由于硅灰颗粒直径比水泥颗粒小，能有效填充水泥颗粒的空隙，形成良好的级配，使CPUC空隙率下降，密实度压缩强度均得

13、以提高。由于碳纤维有较高的弹性模量的阻裂效应，所以当掺入一定量的碳纤维时,对材料的抗折强度、劈裂强度提升明显。李晋47通过三联试膜对不同体积掺比的碳纤维、PVA纤维、刚纤维来测试试块的力学性能。研究发现，聚氨酯水泥复合材料的抗弯强度随纤维掺比先增大后减小。聚氨酯水泥复合材料性能增强的原理是，纤维以随机分布的形式存在于试块内部，随着纤维掺量的增大，纤维与试块的连接更加紧密、整体性更强，试块的受力强度得以提升。但掺入纤维过多，会造成纤维不易分散，使试块抗弯强度减弱。掺入适量碳纤维可使试件整体强度提升。3.4聚氨酯水泥复合加固法管泽斌48通过钢丝绳聚氨酯水泥复合材料对损伤空心板梁加固，并测试加固后空

14、心板梁的力学性能。在相同的荷载作用下，加固后梁体挠度下降22.81%,梁体位移延性系数上升57.14%,梁的整体耐久性得以提升；加固后的梁体最大裂缝减小52.73%,实测加固后梁的荷载承受强度、极限荷载均有显著提升。孙全胜49通过聚氨酯水泥钢丝绳加固T梁桥，对加固后T梁桥的抗弯承载能力进行研究，用工程实际与实验相结合的方式，验证了聚氨酯水泥钢丝绳加固混凝土T梁桥的可行性。在相同荷载作用下，聚氨酯水泥钢丝绳加固可有效提高梁的抗弯承载力，桥的整体强度提升效果明显。张盛然50通过聚氨酯水泥钢丝绳复合加固桥梁实验，并采用有限元数值分析的方法，在试验荷载的作用下，加固后的实验梁的应变、裂缝宽度降低效果明

15、显，抗弯承载力大幅提升。在实验梁极限破坏时，钢丝绳的极限应力达到极限强度的90%。聚氨酯钢丝绳加固后，桥梁结构的整体强度、刚度的提升均有明显提升。张可心51通过聚氨酯水泥预应力钢丝绳加固梁进行了数值模拟，分析了混凝土强度和配筋率对加固梁受弯性能的影响。加固后，构件的屈服荷载在混凝土强度的提升下有小幅增长，屈服挠度几乎不受影响。聚氨酯水泥预应力钢丝绳加固后的梁在加固层断裂时，梁的极限承载能力随着配筋率的提升而提升。高洪帅52采用预应力钢丝绳、聚氨酯水泥和预应力钢丝绳-聚氨酯水泥3种方式对钢筋混凝土试验梁进行抗剪加固，研究不同加固方式和钢丝绳配绳率对抗剪性能的影响，分析了试验梁的破坏过程、荷载-位

16、移曲线、特征荷载和位移、荷载-应变曲线。结果表明，预应力钢丝绳-聚氨酯水泥复合加固效果最好，能够大幅度提高试验梁的抗剪承载力和延性。复合加固中，钢丝绳对混凝土提供预压力，提高其核心强度，限制裂缝开展，发挥箍筋作用，直接参与抗剪。聚氨酯水泥加固层增加了剪跨区的受剪面积和剪切刚度，其高强度的特点发挥出类似混凝土抗剪的作用，其高韧性的特点发挥出类似钢筋抗剪的作用,钢丝绳和聚氨酯水泥两者结合显著提高了加固梁的抗剪性能。聚氨酯水泥与其他材料复合加固的加固技术可用于实际工程案例中，但目前对这一方面的研究较少。寻找不同材料与聚氨酯水泥混合达到最优加固方式，可以成为未来的研究方向。4结论与展望1）聚氨酯水泥在混凝土的加固、改善混凝土承载能力方面具有较大意义