聚氨酯涂層加固混凝土梁的力學性能研究

雷 波，黃顯彬

(1.廣安職業技術學院土木工程學院，廣安 638000；2.四川農業大學土木工程學院，都江堰 611800)

0 引 言

隨著混凝土結構在動力荷載作用下的破壞增加，建筑物和其他基礎設施的修復和加固進程受到了研究者們的廣泛關注。沖擊荷載通常會在短時間內產生高強度的荷載和壓力，使構件產生顯著的應變率和慣性效應，從而導致結構的動態響應與靜態響應具有較大的差異[1]。由沖擊荷載引起的內部損傷有時無法檢測，這些損傷可能導致結構承載能力降低，甚至是災難性破壞。因此，應及時對構件進行防護和加固，以減輕破壞程度。與低碳鋼等其他結構材料相比，混凝土的拉伸應變能力很低，當混凝土材料受沖擊荷載作用時，多數會因拉伸開裂而遭到破壞[2]。目前，纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer, FRP)復合材料及其變體[3-8]和膠凝復合材料[9-10]等已被用于改善混凝土性能和其他土木結構性能，以適應廣泛的荷載條件。然而，它們在沖擊荷載作用下具有一定的局限性，如纖維復合材料與混凝土結構的黏結性能被弱化以及膠凝復合材料易開裂破壞等，這促使人們尋求更加新穎、可行的技術來改善混凝土結構的性能。

以往的研究[3,11]表明，提高結構的應變和能量吸收能力可顯著降低結構在沖擊荷載下的損傷和斷裂效應。使用具有高剛度和高應變的材料是提高結構吸能能力的有效手段，如應用彈性體涂層保護結構可減輕其在沖擊荷載下的破壞。彈性體涂層通過拉伸之后就像一層膜，能夠最大限度地提高結構對沖擊荷載的抵抗能力，減少撞擊時碎片飛濺和避免人員傷亡事故，因此，許多學者對彈性體涂層在結構加固方面的應用進行了相關研究。田穎等[12]對噴涂聚氨酯加固黏土磚砌體墻的抗震性進行了研究,Parniani等[13]對聚脲涂層體系加固混凝土梁的疲勞和單調性能進行了研究,Iqbal等[14]對聚脲涂層增強混凝土抗爆炸性能進行了研究。這些研究結果表明，彈性體涂層的應用提高了鋼筋混凝土構件的抗彎能力和延性。在眾多的彈性體材料中，聚氨酯(polyurethane, PU)及其變體由于具有高柔性、高彈性、抗沖擊性、耐磨性等諸多優點受到越來越多研究人員的關注[2]。此外，PU容易附著在混凝土表面并快速固化，使用PU對混凝土結構進行加固的方法較多，如噴涂、刷涂、計量棒涂覆等，而且這些方法均簡單易操作。

以涂覆PU涂層和未涂覆PU涂層的混凝土梁試件為研究對象，分析PU涂層在實驗室沖擊荷載作用下的適用性和有效性。為了提高試驗的效率，使用澆筑無鋼筋的混凝土試件，并設計了正面涂覆和反面涂覆兩種不同的方案，這些方案再由不同厚度的涂層進行組合。

1 實 驗

1.1 試件制備

制備試件采用的原料如下：水泥采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；細骨料密度為2 650 kg·m-3；河砂最大粒徑為5 mm，細度模數為2.61；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的碎石；試驗用水為自來水。混凝土配合比如表1所示。養護28 d后，測得試件立方體抗壓強度為41.57 MPa。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

試驗中所用PU涂層為多異氰酸酯和聚醚多元醇按體積1 ∶1混合噴涂制成的雙組分聚氨酯彈性體。混凝土試件按照表1所示的配合比設計，采用澆筑法制作，在攪拌機中均勻攪拌混凝土，然后將混凝土倒入模具中，使用機械振動臺均勻壓實混凝土，直到表面沒有氣泡出現。配制的混凝土試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，澆筑1 d后從模具中取出，并放入養護室中進行養護。未涂覆PU涂層的試件如圖1(a)所示，以此為對照組，命名為CG。PU能在混凝土表面上與混凝土自行黏結，不需用額外的粘合劑，在混凝土試件放置到表面干燥后可直接進行涂覆。當進行側面涂覆時，雖然PU與混凝土具有很好的黏結性能，但黏結面受到較大剪力作用，PU與混凝土的變形不協調，極大可能導致PU涂層與混凝土梁試件脫黏，無法發揮材料的特性。因此，在整個研究過程中，考慮了正反兩種涂覆方式，總共使用了6種不同類型的涂層配置：正面涂覆，涂層厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm，分別以FC-1、FC-2、FC-3表示；反面涂覆，涂層厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm，分別以RC-1、RC-2、RC-3表示。PU涂層厚度分別為未涂覆混凝土試件高度的2.5%、5.0%、7.5%，涂覆PU涂層的試件如圖1(b)所示。

圖1 制備完成的試件Fig.1 Prepared specimens

1.2 動態彎曲測試

圖2 三點彎曲試驗Fig.2 Three point bending test

所有試件在涂覆后的同一天進行三點彎曲試驗，以大致保持試件的齡期相同，三點彎曲試驗裝置如圖2所示。測試跨度的長度為120 mm，是測試高度的3倍，因此允許在兩端有足夠的距離(20 mm)，以避免滑過支撐點，使試件脫落。所有試件均在室溫下進行測試，通過控制位移的形式進行加載，加載速度為1 mm/min和200 mm/min，相應的應變率分別為0.000 3 s-1和0.065 s-1，分別對應靜態(S)加載和動態(D)加載。對試件的彎曲應力和試件中點處的應變進行了測量。此外，累積應變能與試件的延性相關，累積應變能可以通過對應力-應變曲線進行積分得到[15]。

2 結果與討論

文獻[3,11]的試驗研究表明,PU是一種高度應變率敏感的彈性體，楊氏模量、屈服應力、最大應力、破壞應力等與應變率正相關，而切線模量和破壞應變與應變率負相關。這些結果表明，采用PU對混凝土結構進行加固，無論正面涂覆還是反面涂覆，結構在沖擊荷載下的響應均會不同于靜態荷載。

2.1 正面涂覆試驗結果分析

混凝土試件的應力-應變關系如圖3(a)所示。在沖擊荷載作用下，試件的應力高于靜態荷載，表現出顯著的應變率效應[15]。Eibl等[16]認為應力的提高可以歸因于黏性(自由水)效應和結構(慣性力和約束)效應，應變率范圍不同時，應變率效應可能由兩種機制決定。在較低應變率(低于10-2s-1)下黏性效應控制應變率敏感性，在高應變率(高于10-2s-1)下慣性效應控制損傷的形成。因此，在應變率為0.065 s-1的沖擊荷載下，混凝土試件應力的提高可能是由于試件自身黏性效應。最大應力與涂層厚度的關系如圖3(b)所示，可以看出，增加PU涂層的厚度對試件最大應力的提高并不顯著。當涂層厚度增加到3 mm時，試件在沖擊荷載下的最大應力僅提高了7.2%，在靜態荷載下，最大應力隨著涂層厚度增加到1 mm和2 mm時甚至有所降低。當物體受到外部荷載作用時，物體內部也會產生應力使其發生變形，當達到材料的極限應力后，就開始開裂，最終破壞。最大應變是發生在最終破壞之前的應變，可以用最大應變來衡量物體的承載能力。試件最大應變隨涂層厚度變化的規律如圖3(c)所示，可以看出，在靜態荷載和沖擊荷載下，最大應變均隨著PU涂層厚度的增加顯著增加。正面涂覆時，PU涂層作用于受壓區，荷載必須通過PU涂層才能傳遞到混凝土試件。在到達試件之前，由于PU涂層具有彈塑性，一部分能量被吸收和變形耗散，從而使混凝土試件的應變能力增強。將涂覆1 mm、2 mm和3 mm 厚度PU涂層的試件分別與未涂PU涂層的試件進行比較，發現試件在靜態荷載下的最大應變分別提高了2.4倍、4.0倍和7.8倍，在沖擊荷載下的最大應變分別提高了2.3倍、3.9倍和6.2倍。由于兩種材料具有應變率敏感性，沖擊荷載下的增強效果略低于靜態荷載下的增強效果。

常采用累積應變能比較不同荷載下試件的力學性能，而且累積應變能與試件的延性相關。累積應變能可通過對應力-應變曲線下的面積進行積分來計算[15]，靜態荷載和沖擊荷載下累積應變能隨應變的變化如圖4(a)所示。由圖可知，由于在靜態荷載下試件的破壞應變較高，其累積應變能高于沖擊荷載下的累積應變能，這反映了大多數材料具有應變率敏感性。圖4(b)為各試件最終破壞時的累積應變能與涂層厚度的關系。隨著涂層厚度的增加，試件的累積應變能增強，在兩種加載條件下，涂覆PU涂層試件的累積應變能均比未涂覆的高，累積應變能均隨著PU涂層厚度的增加近似線性增加。上述結果表明，在試件正面涂覆PU層對提高混凝土試件的累積應變能有積極的作用，顯著提高了混凝土的抗沖擊能力。顯然，PU涂層分擔了部分混凝土的耗能，從而增加應變，證明了PU涂層在能量吸收方面具有顯著效果。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂層的試件分別與未涂覆的試件進行比較，靜態荷載下試件的累積應變能分別提高了2.1倍、4.3倍和9.2倍，沖擊荷載下試件的累積應變能分別提高了3.3倍、5.5倍和9.0倍。由此可見，正面涂覆時，試件的最大應變和累積應變能在靜態荷載和沖擊荷載下的提高幅度相差不大。

圖3 正面涂覆試件的力學響應Fig.3 Mechanical response of front coating specimens

圖4 正面涂覆試件的累積應變能Fig.4 Cumulative strain energy of front coating specimens

2.2 反面涂覆試驗結果分析

進行反面涂覆試驗時采用的RC-1、RC-2、RC-3試件與正面涂覆的FC-1、FC-2、FC-3試件相似，只是加載時試件放置的位置相反。然而，這些試件的響應機制與正面涂覆時具有顯著的區別。當反面涂覆時，混凝土試件先受到荷載的作用并吸收能量，部分能量會通過試件轉移到PU涂層。此時，PU涂層受拉，由于PU涂層具有較強的黏彈性，其變形耗能能力提高。

圖5為反面涂覆時試件在靜態荷載和沖擊荷載下的力學響應。由圖5(a)可知，與正面涂覆的結果相似，在沖擊荷載作用下試件的應力高于靜態荷載，表現出顯著的應變率效應。在靜態荷載下，由涂覆PU涂層試件的應力-應變響應曲線(即曲線1、2、3)可知，應力-應變曲線首先在應力達到一定值之后急劇下降，隨后出現一個較長的平臺段。這一現象表明，涂覆PU涂層試件達到最大應力后并沒有立即發生極限破壞，盡管混凝土試件出現裂紋，但由于PU涂層的抗拉能力比混凝土高，其仍能承受較高應變水平的荷載。然而，這種現象在沖擊荷載下沒有觀察到，原因是梁的受拉區在破壞時形成裂縫，當受到突然的沖擊荷載作用時，沿裂縫線的PU涂層會形成較高的拉應力集中，隨后使PU涂層被破壞，無法發揮其變形特性。圖5(b)為靜態荷載和沖擊荷載下試件的最大應力與涂層厚度之間的關系。由圖可見：在靜態荷載下，三種涂覆厚度試件的最大應力近似等于未涂覆試件的最大應力；在沖擊荷載下，當涂層厚度為3 mm時，最大應力僅提高了11.2%。這與正面涂覆觀察到的結果類似，增加PU涂層的厚度對試件最大應力的提高并不顯著。涂覆PU涂層試樣最大應變的增強表明其能承受的損傷程度更高。圖5(c)給出了最大應變隨涂層厚度的變化，由于PU涂層對混凝土受拉面的附加約束作用，含涂層試件在最終破壞過程中表現出更高的應變。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂層的試件分別與未涂覆試件進行比較，試件在靜態荷載下的最大應變分別提高了6.1倍、7.9倍和12.7倍，在沖擊荷載下的最大應變分別提高了1.9倍、2.4倍和4.3倍。與正面涂覆結果不同，靜態荷載下的應變增強效果是沖擊荷載下的3倍左右。

圖5 反面涂覆試件的力學響應Fig.5 Mechanical response of reverse coating specimens

圖6(a)是靜態荷載和沖擊荷載下累積應變能隨應變的變化。與正面涂覆結果類似，由于最大應變隨涂層厚度的增加而增加，在兩種加載條件下，所有涂覆PU涂層混凝土試件的累積應變能均高于未涂覆試件。圖6(b)為各試件最終破壞時的累積應變能隨涂層厚度的變化規律。與正面涂覆相似，在試件反面涂覆PU涂層對提高試件的累積應變能亦有積極的作用，顯著提高了混凝土的抗沖擊能力。涂覆1 mm、2 mm和3 mm PU涂層的試件與未涂覆的試件相比，在靜態荷載下的累積應變能分別提高了6.0倍、8.4倍、13.1倍，在沖擊荷載下的累積應變能分別提高了3.0倍、3.7倍、6.5倍。靜態荷載下的累積應變能增強效果是沖擊荷載下的2倍左右。結合正面涂覆的結果可以看出，靜態荷載下反面涂覆試件的累積應變能提高幅度大于正面涂覆，但在沖擊荷載下其累積應變能提高幅度小于正面涂覆。在應變增強中也觀察到類似的現象，當試件上PU涂層厚度相同時，在靜態荷載下反面涂覆試件的應變增強大于正面涂覆，但在沖擊荷載下其應變增強小于正面涂覆。因此，PU涂層在混凝土結構上的應用對提高混凝土的應變和累積應變能有積極的作用，涂層位置是決定靜態荷載和沖擊荷載下加固效率的另一個重要標準。

圖6 反面涂覆試件的累積應變能Fig.6 Cumulative strain energy of reverse coating specimens

2.3 跨中裂紋破壞模式

在極限破壞過程中，只形成彎曲裂紋，沒有出現斜裂紋或直接剪切裂紋。試件跨中形成的裂紋破壞模式如圖7所示。

圖7 靜態荷載和沖擊荷載下試件的破壞模式Fig.7 Fracture modes of specimens under static and dynamic loads

由圖7可知，除未涂覆試件在沖擊荷載下產生了兩條彎曲裂縫，其余試件在靠近跨中處均存在一條裂縫，這些裂縫延伸到整個底面。在正面涂覆時，應用于混凝土試件表面的PU涂層未受到破壞。這種現象產生的原因可能是正面涂覆時PU涂層承受的是壓荷載，PU涂層受壓變形吸收部分能量，體積剛度增大，與混凝土試件達到較好的阻抗匹配?；炷帘砻嬷辉谕扛睵U涂層前進行了除塵處理，在任何試件中均未發現脫黏現象，PU與混凝土黏結良好。因此，沖擊面上PU層的厚度不影響PU的脫黏。試件底面裂縫寬度隨PU涂層厚度的增大而增大，這與試件最大應變相關。由于PU涂層提高了試件的承載能力，試件的受拉面能承受更大的變形。所以當混凝土試件破壞時，與未涂覆涂層的試件相比，涂覆PU涂層的試件在受拉面(底面)上的裂縫寬度更大。同時，沖擊荷載下的破壞效應比靜態荷載下更為強烈。在混凝土試件開裂后，正面PU涂層顯著提高了試件的穩定性水平。因此，增加涂層的厚度在增強抗沖擊荷載方面具有顯著的優勢，通過適當控制涂層厚度，可以起到有效防護作用。在反面涂覆時，有部分應用于混凝土試件表面的PU涂層被破壞，除了斷口外其余涂層仍保持完整并與試件黏結良好。與正面涂覆時相似，由于試件在沖擊荷載下發生了劇烈的破壞行為，在沖擊荷載下的裂縫都比靜態荷載下的更寬。此外，在混凝土試件開裂后，涂層將破碎的混凝土部分結合在一起，減少了破碎效果。將正面涂覆和反面涂覆時試件的裂縫進行對比可以看出，在靜態荷載下，反面涂覆時的裂縫寬度明顯大于正面涂覆，而在沖擊荷載下，反面涂覆時的裂縫寬度略小于正面涂覆。這種裂縫寬度的變化是最大應變和累積應變能提高幅度變化規律的宏觀體現。

3 結 論

(1)在靜態荷載和沖擊荷載下，無論是采用正面涂覆方式還是反面涂覆方式，隨著PU涂層厚度的增加，混凝土試件的最大應力提高并不顯著，而最大應變和累積應變能則近似線性增加。因此，將PU涂層應用在混凝土結構加固方面對提高其延性具有積極作用。

(2)正面涂覆PU涂層時，最大應變和累積應變能在靜態荷載和沖擊荷載下的提高幅度相差不大。而反面涂覆PU涂層時，靜態荷載下最大應變和累積應變能的提高幅度分別是沖擊荷載下的3倍和2倍左右。因此，反面涂覆PU涂層的方法在靜態荷載作用下的加固效率更高。

(3)在沖擊荷載下，正面涂覆時最大應變和累積應變能提高幅度大于反面涂覆，在靜態荷載下，則與之相反。因此，可采用正面涂覆PU涂層的方法增強混凝土結構的抗沖擊性，通過增加PU涂層厚度提高其能力。

(4)在沖擊荷載下的裂縫寬度大于靜態荷載下的裂縫寬度，裂縫寬度的變化是最大應變和累積應變能提高幅度變化規律的宏觀體現。PU涂層與混凝土黏結良好，能有效防止碎片飛濺，降低破碎效果。