纖維增強聚氨酯水泥復合材料抗彎性能試驗研究

李晉，熊大路，董旭，田慶斌，劉廣波

(1.山東交通學院，山東 濟南 250357； 2.濟南金曰公路工程有限公司； 3.山東省交通科學研究院)

聚氨酯水泥復合材料具有強度高、密度小、成型快等優點，被廣泛應用于橋梁加固或抗震加固工程中。劉貴位等研究了聚氨酯水泥復合材料的配比、流動性、密度與強度之間的關系、并建立了最佳配比下材料的本構模型；孫全勝、劉貴位等探究了聚氨酯水泥復合材料的力學性能并運用該材料對橋梁進行加固，結果顯示，該材料可顯著提升橋梁抗彎承載能力，改善橋梁橫向分布系數，荷載作用下應變、撓度等參數變化明顯；楊楠等探究了碳纖維聚氨酯水泥復合材料的壓敏特性以及碳纖維摻量、聚灰比、硅灰含量對聚氨酯水泥復合材料力學性能的影響。

聚氨酯水泥復合材料作為橋梁加固層位于梁底板受拉區，會受到“重載車”、“過載車”產生的大幅振動以及重復荷載作用下產生的疲勞應力。因此進一步優化聚氨酯水泥復合材料的抗彎性能是提升橋梁加固效果的有效措施。以上學者只是探究了材料本身的力學性能以及碳纖維對材料抗壓、抗折、劈拉等基本力學參數的影響，并未深入研究聚氨酯水泥復合材料抗彎性能的改善措施。

碳纖維強度高，抗老化能力強；PVA纖維密度小；鋼纖維抗拉、抗壓強度大。3種纖維常用來提升聚合物改性砂漿和混凝土的力學性能，通過小梁試驗，3種纖維均能減小梁體撓度，改善抗彎性能。該文探究碳纖維、PVA纖維、鋼纖維對聚氨酯水泥復合材料抗彎性能的改善效果，以及不同纖維摻比對材料抗彎性能的影響規律。

1 試驗部分

1.1 材料及配合比

聚氨酯水泥復合材料由液體A、液體B、普通硅酸鹽水泥、添加劑組成，其配比如表1所示。纖維包括碳纖維、PVA纖維、鋼纖維，其外觀見圖1，材料參數見表2。3種纖維分別按照聚氨酯水泥復合材料試塊的體積比進行摻加，具體摻加比例見表2。

表1 聚氨酯水泥復合材料各成分質量比例

圖1 纖維示意圖

1.2 試塊制備及試驗方法

聚氨酯水泥試塊首先由液體材料A與水泥混合

表2 聚氨酯水泥試塊纖維摻比

攪拌5 min，然后加入液體材料B與添加劑快速攪拌2 min，再進行澆筑，等材料凝結硬化后進行脫模，養護7 d后進行試驗，試塊編號見表3。試模采用40 cm×40 cm×160 cm的三聯試模，澆筑前在試模壁上粘貼膠帶或油紙方便脫模。試驗前在養護好的試塊中間貼應變片，并涂抹704膠做防潮處理。

表3 各試塊編號

通過三點試驗測試試塊的抗彎強度、梁底極限拉應變與荷載-梁底應變關系，探究纖維對聚氨酯水泥復合材料的改善效果。試件抗彎強度按式(1)計算，加載圖示見圖2。

(1)

式中：σ為抗彎強度(MPa)；P為施加荷載(N)；L為兩支點間距(mm)；b為棱柱體正方形截面邊長(mm)。

圖2 三點加載圖示

2 結果與分析

通過三點試驗測得試塊破壞荷載，并采集了相關應變數據，具體試驗結果見表4。

表4 試驗結果

2.1 抗彎強度及極限應變分析

由表4可以看出：

(1) 聚氨酯水泥復合材料的抗彎強度隨纖維摻比的增加先增大后減小。試塊制備時，纖維隨機分布在材料內部，相互之間搭接，與聚氨酯水泥復合材料組成一個網絡，隨著纖維摻量的增大該網絡連接更緊密、整體性更強，需要更大的梁底拉力將纖維在復合材料中拉出或將纖維拉斷，但是當纖維摻量過多時，纖維不易分散造成抗彎強度的減弱，因此當碳纖維摻量為0.04%、PVA纖維摻量為0.2%、鋼纖維摻量為1%時，試件強度最好。

(2) 碳纖維摻比為0.06%、0.07%時，試塊抗彎強度下降了15.7%、38.5%；PVA纖維摻比為0.4%、0.5%時，試塊抗彎強度下降了25.3%、37.1%；鋼纖維摻比為2%、2.5%時，纖維太多無法進行攪拌，因混合不均試塊不硬化。攪拌過程中，當碳纖維與PVA纖維摻入太多時，纖維容易混雜在一起無法分散，澆筑時可能會存在薄弱區域，首先開裂。因此，當纖維摻量超過極限比例時，會對聚氨酯水泥復合材料抗彎強度有較大損失。

(3) 聚氨酯水泥復合材料試塊產生的微應變隨纖維摻量的增加先增大后減小。隨著纖維摻量的增加試塊延性明顯提升，在試塊破壞時，梁底產生了較大應變，纖維越多韌性越大試塊的變形能力就越強。當碳纖維摻比為0.06%、0.07%時，試塊極限微應變分別降低了0.7%、24.3%；PVA纖維摻比為0.4%時，試塊抗彎強度下降24.0%。當纖維摻加過量后，纖維在試塊內部不能均勻分散，破壞時纖維的增韌效果還未完全發揮，導致試塊產生的極限應變減小。因此當碳纖維摻量為0.04%、PVA纖維摻量為0.3%、鋼纖維摻量為1%時，試塊的延性最好。

2.2 荷載-梁底應變曲線分析

3種纖維增強聚氨酯水泥復合材料荷載-梁底應變關系見圖3。

圖3 試塊荷載-梁底應變曲線

由圖3可以看出：

(1) 摻加纖維試件與未摻加纖維試件梁底應變隨荷載增加大體上呈線性變化。

(2) 碳纖維摻量為0.05%時，試件在加載過程中梁底形變較未摻纖維試件明顯減小，承受變形能力始終高于未摻纖維試件；碳纖維摻量為0.03%、0.04%、0.06%、0.07%時，試塊在加載中抗變形能力較未摻纖維試件減弱，同時摻量為0.06%、0.07%時試件的破壞強度與極限應變均小于未摻纖維試件，表明纖維摻加過量后材料抗彎性能明顯減弱；纖維摻量為0.03%、0.04%、0.05%時，試件抗變形能力先減小再提高。

(3) PVA纖維試件加載中抗變形能力均小于未摻纖維試件，在荷載施加到6 kN之前，各試件梁底應變隨荷載增加變化規律相同；摻量為0.3%、0.5%的試件在荷載達到6 kN后，曲線斜率減小，抗變形能力較其他摻比試件明顯減弱；摻量為0.1%、0.2%、0.4%的試件在加載過程中曲線的變化規律與未摻纖維試件基本相同，不同荷載下抗變形能力略有減弱；摻量為0.4%、0.5%時試塊抗彎性能較差，摻量為0.1%時試件隨荷載增加變形規律與未摻纖維試件基本相同，摻量為0.3%時試塊應變的發展規律發生了較大改變，相同荷載下試件發生了更大的變形，摻量為0.2%時，曲線在21、24 kN處斜率變大，說明試件有增強趨勢。

(4) 對于鋼纖維試件，荷載在4 kN前纖維對試塊并沒有增強作用，圖中4條曲線基本重合；荷載施加大于4 kN時，纖維摻量為0.5%、1.5%的曲線斜率變小，隨荷載增大呈線性變化，相同荷載下該摻比的試件較未摻纖維試件產生了更大變形，但試件破壞荷載仍大于未摻纖維試件；纖維摻量為1%的曲線在荷載達到4 kN時斜率增大試件增強，荷載增大到6 kN時斜率減小，隨荷載增大到20 kN呈線性變化，隨后梁底產生較大拉伸，試件破壞。

2.3 試件破壞模式及纖維增強機理

3種纖維中碳纖維與鋼纖維模量較大，而PVA纖維則模量較小；碳纖維與PVA纖維直徑較小屬于細纖維，鋼纖維屬于粗纖維。高模量細纖維在基體受力產生微小變形時會抑制變形的發展，改變材料內部的應力分布，使試件應力分布更均勻；低彈模粗纖維會在基體產生較大變形時充分發揮作用，延緩變形的發展。

圖4為各類纖維試件的典型破壞形態。

由圖4可以看出：未摻加纖維試件斷面平整且裂縫從梁底中間豎直延伸至試件頂面。摻加碳纖維試件首先在梁底中間開裂，隨后裂縫沿斜面延伸，該纖維試件破壞斷面沒有規則且不平整，斷裂面沒有纖維拔出，纖維隨裂縫開展斷裂破壞；PVA纖維試件與鋼纖維試件梁底中間開裂，裂縫豎直向上發展，斷裂面不平整，但纖維并未斷裂，斷裂面存在拔出纖維。由于碳纖維直徑小，所以與基體材料的黏結較好，且彈模高，當試件受力變形時碳纖維受拉，隨著荷載的提高碳纖維斷裂。PVA纖維彈模小，鋼纖維直徑大，試件在變形較小時纖維并未充分發揮作用，當變形不斷增大，PVA纖維與鋼纖維才發揮作用，這也解釋了PVA纖維與鋼纖維試件梁底應變發展規律無顯著變化的原因。當PVA纖維與鋼纖維拔出時能夠消散掉破壞能量，消除尖端應力，并通過纖維與基體的摩擦力獲得一個新的應力分布，解釋了PVA纖維摻量為0.2%的試件在加載后期曲線斜率不斷變化與鋼纖維摻量為1%的試件加載后期突變的原因。

圖4 試塊破壞形態

當纖維摻加過多時，不但影響攪拌質量，且纖維的分散性不好，纖維之間容易絮凝為一體，隨機分布在試件內部，具有不確定性，成為試件薄弱點。通過以上分析碳纖維摻比最佳范圍為0.04%～0.05%，在此范圍內纖維摻量越大試件變形能力越強，摻比越小試件強度越大，此范圍內試件強度變化不大；PVA纖維最佳摻比范圍為0.2%～0.3%，在此范圍內纖維摻量越大，變形能力越強，摻量越小強度越大；鋼纖維摻比為1%時，強度、變形能力都達到最佳。

3 結論

(1) 纖維增強聚氨酯水泥復合材料能夠顯著提高材料的抗彎強度與變形能力，通過試驗確定了碳纖維、PVA纖維最佳摻比范圍為0.04%～0.05%、0.2%～0.3%，鋼纖維最佳摻比為1%。

(2) 碳纖維試件為纖維拉斷破壞，試件在產生小變形時，碳纖維受拉發揮作用，試件剛度較大；PVA纖維與鋼纖維為纖維拔出破壞，纖維在試件產生較大變形時才充分發揮作用，試件變形能力較強。工程應用中應根據建筑物受力特點選取相應纖維類型及體積摻比。