橋梁結構加固用聚氨酯改性復合砂漿應用性能研究

摘要：為解決砂漿復合材料在橋梁加固工程中應用性能不佳的問題，對橋梁加固用聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料進行制備并對應用性能進行分析。試驗結果表明，隨著水性聚氨酯成分占比的不斷提高，復合材料試件的抗壓強度在不斷降低，且下降幅度不斷提高。當摻入量超過7%時，復合材料試件的抗壓強度出現了較為明顯的下降趨勢；當水性聚氨酯占比為10%時，7 d齡期下試件抗壓強度為12.8 MPa，28 d齡期下試件抗壓強度為16.3%；抗折強度以5%～7%摻量下的抗折強度下降最為明顯，下降速率分別為28%以及21.8%；復合材料試件的粘接強度在3%摻量時達到峰值，然后出現逐步降低的趨勢。其中，摻量為3%時對應的粘接強度為6.2 MPa。

關鍵詞：橋梁加固；水性聚氨酯；粉煤灰；水泥；力學性能

中圖分類號：TQ177.6+7文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0110-04

Research on the application performance of polyurethane modified composite mortar for bridge structure reinforcement

CHEN Minggui，HOU Zhifeng

（Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300392，China）

Abstract：In order to solve the problem of poor application performance of mortar composite materials in bridge re?inforcement engineering，polyurethane fly ash mortar composite materials for bridge reinforcement were prepared and the application performance was analyzed.The test results showed that with the increasing proportion of water?borne polyurethane components，the compressive strength of the composite specimens decreased continuously，and the decreasing range increased.When the incorporation amount exceeded 7%，the compressive strength of the com?posite specimen showed an obvious downward trend.When the proportion of waterborne polyurethane was 10%，the compressive strength of the specimen was 12.8 MPa at the 7-day age and 16.3%at the 28-day age.The flexural strength decreased most significantly at 5%～7%content，with a decrease rate of 28%and 21.8%，respectively.The adhesive strength of the composite specimens reached a peak at 3%content，and then gradually decreased.Among them，the corresponding adhesive strength was 6.2 MPa when the content was 3%.

Key words：bridge reinforcement；waterborne polyurethane；fly ash；cement；mechanical properties

在國內外學者的共同努力下，聚氨酯復合材料的研究已經取得了一定進展。如選擇了低揮發性有機化合物含量的聚氨酯樹脂作為基礎材料，然后通過添加無機填料、助劑等成分進行改性，以提升涂料的防水性能和耐久性[1]。制備了不同配比的聚氨酯膠粘劑，并通過拉伸強度、剪切強度等測試手段評估了其粘接性能[2]。制備了聚氨酯粉煤灰復合材料，并通過優化工藝參數提高其力學性能[3]。選擇了具有優異力學性能和耐久性的聚氨酯作為基礎材料，將硅粉作為增強劑引入聚氨酯中，從而制備出復合材料試件[4]。

基于此，為深入研究聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料的應用性能，為橋梁結構加固工程提供科學的理論依據。探究不同配比和增強劑對復合材料性能的影響[5]。

1實驗準備

1.1原材料獲取

實驗選取P× O42.5的硅酸鹽水泥，具體化學性能指標如表1所示。

實驗選取F0410型號水性聚氨酯材料開展研究，其具體成分包括多元醇以及氰酸酯等[6]。水性聚氨酯材料的具體技術指標如表2所示。實驗所用到的粉煤灰為某電力公司生產的Ⅰ級灰具體化學成分如表3所示。

1.2儀器設備

具體儀器設備及型號如表4所示。

2實驗過程

2.1聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料試件制備

先分別將摻入量占比為0%、3%、5%、7%以及10%的水性聚氨酯作為添加劑，摻入到粉煤灰水泥砂漿中，對復合材料試件進行制備，用于進行后續的凍融實驗以及力學性能測試實驗[7]。水泥砂漿具體配合比如表5所示。

先按照上述配合比，將水泥砂漿所需原料進行稱量，分別取等份的原料作為混合原料，并將其全部倒入攪拌機中，對攪拌時長以及攪拌速率進行設定。以50 r/min的速度進行攪拌，攪拌時間控制在2～3 min，確保混合物充分拌勻。根據設定的摻入量占比（0%、3%、5%、7%、10%），將相應量的水性聚氨酯逐漸加入攪拌機中，同時繼續攪拌。對此，設定攪拌時間為5～8 min，以25 r/min的攪拌頻率進行多次攪拌，直到混合物的密度呈現均勻分布狀態。將制備好的聚氨酯粉煤灰砂漿倒入試模中，用刮刀刮平表面，確保試件尺寸準確、表面平整。將裝模后的試件覆蓋保鮮膜，以7、28 d的周期進行養護處理。

設定養護室的平均控制溫度為（20±2）℃，濕度分布平均值為64%。養護期滿后，拆除試模，對試件進行標記，記錄摻入的水性聚氨酯占比。

2.2力學性能測試

從養護室中取出符合齡期的復合材料試件，對其進行尺寸測量，試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm。用干布輕輕擦拭試件表面，去除可能存在的浮塵和水分[8]。設定萬能試驗機的加載速率為0.5 MPa/s，以保證測試過程中的加載速率穩定且不會過快導致試件突然破壞[9]。同時，通過讀取試驗機的表盤參數，記錄試件在加載過程中的應力變化曲線。開始加載后，對試件表面進行拍攝，獲取表面微觀形貌圖像。隨著荷載力的不斷加大，試件表面會出現不同寬度的裂紋，并且開裂程度會不斷加深。當試件表面張力達到極限時，試件會出現斷裂，此時試驗機將會自動停止工作，對屈服荷載以及破壞荷載進行記錄[10]。采用上述方法，分別對7 d齡期以及28 d齡期的試件進行抗壓測試。

2.3凍融粘接性能測試

為檢測試件的粘接強度，采用凍融循環試驗機對其進行粘接測試。將尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的復合材料試件按照規定的排列方式放置在凍融試驗機的樣品架上，確保試件之間保持一定的間距。根據實驗要求，設定凍融循環的溫度范圍[14]。通常情況下，凍結溫度設定為-20℃，融化溫度設定為20℃。在實驗中，設定每次循環持續時間為4 h，即凍結2 h，融化2 h。在循環過程中，密切觀察試件的變化，并采用拍攝設備對試件表面的開裂情況進行記錄。在達到既定的凍融次數后，將試件從設備中取出，并采用剪切試驗機對試件的粘接強度進行檢測。

3聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料性能研究

3.1力學性能

在對復合材料試件進行力學性能測試后，得到的不同齡期下的試件測試結果如表6所示。

由表6可知，當水性聚氨酯添加占比為3%時，7 d齡期下試件抗壓強度為38.4 MPa，比未加入水性聚氨酯試件的抗壓強度下降了9.5%。隨著水性聚氨酯成分占比的不斷提高，復合材料試件的抗壓強度在不斷降低，且下降幅度不斷提高，同時3%以及5%占比的水性聚氨酯摻入量對復合材料試件力學性能的影響較弱；當摻入量超過7%后，復合材料試件的抗壓強度出現了較為明顯的下降趨勢。水性聚氨酯占比為10%時，7 d齡期下試件抗壓強度為12.8 MPa，28 d齡期下試件抗壓強度為16.3%，分別下降了47.1%以及43.9%。

隨著水性聚氨酯摻量的不斷提高，復合材料試件的抗折強度呈現出由高到低的波動趨勢。當摻量為3%時，2種齡期下的復合材料試件抗折強度達到最高值，分別為9.4 MPa以及12.5 MPa。當水性聚氨酯摻量超過5%后，試件抗折強度呈現出不同速率的下降趨勢，其中以5%～7%摻量下的抗折強度下降最為明顯，下降速率分別為28%以及21.8%。

3.2粘接性能

粘接強度測試結果如表7所示。

由表7可知，水性聚氨酯摻量與砂漿復合材料的粘接強度之間存在著線性相關關系。隨著水性聚氨酯摻量的不斷提高，復合材料試件的粘接強度在3%摻量時達到峰值，然后出現逐步降低的趨勢。其中，摻量為3%時對應的粘接強度為6.2 MPa，并且當水性聚氨酯摻量為7%時，試件粘接強度下降速率最高，為13.6%。當摻量為10%時，復合材料粘接強度下降速率區域穩定，為5.9%。

4結語

通過對橋梁結構加固用聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料應用性能的系統研究，不僅為橋梁結構加固提供了一種新型、高效的材料解決方案，還為相關領域的理論研究和實踐應用提供了有益的參考。聚氨酯粉煤灰砂漿復合材料的廣泛應用有助于提升橋梁工程的安全性和穩定性，延長橋梁的使用壽命，降低維護成本。

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（責任編輯：蘇幔，平海）