聚氨酯涂层加固混凝土梁的力学性能研究

2022-02-22黄显彬

硅酸盐通报 2022年1期

雷波，黄显彬

(1.广安职业技术学院土木工程学院，广安 638000；2.四川农业大学土木工程学院，都江堰 611800)

0 引言

随着混凝土结构在动力荷载作用下的破坏增加，建筑物和其他基础设施的修复和加固进程受到了研究者们的广泛关注。冲击荷载通常会在短时间内产生高强度的荷载和压力，使构件产生显著的应变率和惯性效应，从而导致结构的动态响应与静态响应具有较大的差异[1]。由冲击荷载引起的内部损伤有时无法检测，这些损伤可能导致结构承载能力降低，甚至是灾难性破坏。因此，应及时对构件进行防护和加固，以减轻破坏程度。与低碳钢等其他结构材料相比，混凝土的拉伸应变能力很低，当混凝土材料受冲击荷载作用时，多数会因拉伸开裂而遭到破坏[2]。目前，纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP)复合材料及其变体[3-8]和胶凝复合材料[9-10]等已被用于改善混凝土性能和其他土木结构性能，以适应广泛的荷载条件。然而，它们在冲击荷载作用下具有一定的局限性，如纤维复合材料与混凝土结构的黏结性能被弱化以及胶凝复合材料易开裂破坏等，这促使人们寻求更加新颖、可行的技术来改善混凝土结构的性能。

以往的研究[3,11]表明，提高结构的应变和能量吸收能力可显著降低结构在冲击荷载下的损伤和断裂效应。使用具有高刚度和高应变的材料是提高结构吸能能力的有效手段，如应用弹性体涂层保护结构可减轻其在冲击荷载下的破坏。弹性体涂层通过拉伸之后就像一层膜，能够最大限度地提高结构对冲击荷载的抵抗能力，减少撞击时碎片飞溅和避免人员伤亡事故，因此，许多学者对弹性体涂层在结构加固方面的应用进行了相关研究。田颖等[12]对喷涂聚氨酯加固黏土砖砌体墙的抗震性进行了研究,Parniani等[13]对聚脲涂层体系加固混凝土梁的疲劳和单调性能进行了研究,Iqbal等[14]对聚脲涂层增强混凝土抗爆炸性能进行了研究。这些研究结果表明，弹性体涂层的应用提高了钢筋混凝土构件的抗弯能力和延性。在众多的弹性体材料中，聚氨酯(polyurethane, PU)及其变体由于具有高柔性、高弹性、抗冲击性、耐磨性等诸多优点受到越来越多研究人员的关注[2]。此外，PU容易附着在混凝土表面并快速固化，使用PU对混凝土结构进行加固的方法较多，如喷涂、刷涂、计量棒涂覆等，而且这些方法均简单易操作。

以涂覆PU涂层和未涂覆PU涂层的混凝土梁试件为研究对象，分析PU涂层在实验室冲击荷载作用下的适用性和有效性。为了提高试验的效率，使用浇筑无钢筋的混凝土试件，并设计了正面涂覆和反面涂覆两种不同的方案，这些方案再由不同厚度的涂层进行组合。

1 实验

1.1 试件制备

制备试件采用的原料如下：水泥采用普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)；细骨料密度为2 650 kg·m-3；河砂最大粒径为5 mm，细度模数为2.61；粗骨料采用粒径为5～10 mm的碎石；试验用水为自来水。混凝土配合比如表1所示。养护28 d后，测得试件立方体抗压强度为41.57 MPa。

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

试验中所用PU涂层为多异氰酸酯和聚醚多元醇按体积1 ∶1混合喷涂制成的双组分聚氨酯弹性体。混凝土试件按照表1所示的配合比设计，采用浇筑法制作，在搅拌机中均匀搅拌混凝土，然后将混凝土倒入模具中，使用机械振动台均匀压实混凝土，直到表面没有气泡出现。配制的混凝土试件尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，浇筑1 d后从模具中取出，并放入养护室中进行养护。未涂覆PU涂层的试件如图1(a)所示，以此为对照组，命名为CG。PU能在混凝土表面上与混凝土自行黏结，不需用额外的粘合剂，在混凝土试件放置到表面干燥后可直接进行涂覆。当进行侧面涂覆时，虽然PU与混凝土具有很好的黏结性能，但黏结面受到较大剪力作用，PU与混凝土的变形不协调，极大可能导致PU涂层与混凝土梁试件脱黏，无法发挥材料的特性。因此，在整个研究过程中，考虑了正反两种涂覆方式，总共使用了6种不同类型的涂层配置：正面涂覆，涂层厚度分别为1 mm、2 mm和3 mm，分别以FC-1、FC-2、FC-3表示；反面涂覆，涂层厚度分别为1 mm、2 mm和3 mm，分别以RC-1、RC-2、RC-3表示。PU涂层厚度分别为未涂覆混凝土试件高度的2.5%、5.0%、7.5%，涂覆PU涂层的试件如图1(b)所示。

图1 制备完成的试件Fig.1 Prepared specimens

1.2 动态弯曲测试

图2 三点弯曲试验Fig.2 Three point bending test

所有试件在涂覆后的同一天进行三点弯曲试验，以大致保持试件的龄期相同，三点弯曲试验装置如图2所示。测试跨度的长度为120 mm，是测试高度的3倍，因此允许在两端有足够的距离(20 mm)，以避免滑过支撑点，使试件脱落。所有试件均在室温下进行测试，通过控制位移的形式进行加载，加载速度为1 mm/min和200 mm/min，相应的应变率分别为0.000 3 s-1和0.065 s-1，分别对应静态(S)加载和动态(D)加载。对试件的弯曲应力和试件中点处的应变进行了测量。此外，累积应变能与试件的延性相关，累积应变能可以通过对应力-应变曲线进行积分得到[15]。

2 结果与讨论

文献[3,11]的试验研究表明,PU是一种高度应变率敏感的弹性体，杨氏模量、屈服应力、最大应力、破坏应力等与应变率正相关，而切线模量和破坏应变与应变率负相关。这些结果表明，采用PU对混凝土结构进行加固，无论正面涂覆还是反面涂覆，结构在冲击荷载下的响应均会不同于静态荷载。

2.1 正面涂覆试验结果分析

混凝土试件的应力-应变关系如图3(a)所示。在冲击荷载作用下，试件的应力高于静态荷载，表现出显著的应变率效应[15]。Eibl等[16]认为应力的提高可以归因于黏性(自由水)效应和结构(惯性力和约束)效应，应变率范围不同时，应变率效应可能由两种机制决定。在较低应变率(低于10-2s-1)下黏性效应控制应变率敏感性，在高应变率(高于10-2s-1)下惯性效应控制损伤的形成。因此，在应变率为0.065 s-1的冲击荷载下，混凝土试件应力的提高可能是由于试件自身黏性效应。最大应力与涂层厚度的关系如图3(b)所示，可以看出，增加PU涂层的厚度对试件最大应力的提高并不显著。当涂层厚度增加到3 mm时，试件在冲击荷载下的最大应力仅提高了7.2%，在静态荷载下，最大应力随着涂层厚度增加到1 mm和2 mm时甚至有所降低。当物体受到外部荷载作用时，物体内部也会产生应力使其发生变形，当达到材料的极限应力后，就开始开裂，最终破坏。最大应变是发生在最终破坏之前的应变，可以用最大应变来衡量物体的承载能力。试件最大应变随涂层厚度变化的规律如图3(c)所示，可以看出，在静态荷载和冲击荷载下，最大应变均随着PU涂层厚度的增加显著增加。正面涂覆时，PU涂层作用于受压区，荷载必须通过PU涂层才能传递到混凝土试件。在到达试件之前，由于PU涂层具有弹塑性，一部分能量被吸收和变形耗散，从而使混凝土试件的应变能力增强。将涂覆1 mm、2 mm和3 mm 厚度PU涂层的试件分别与未涂PU涂层的试件进行比较，发现试件在静态荷载下的最大应变分别提高了2.4倍、4.0倍和7.8倍，在冲击荷载下的最大应变分别提高了2.3倍、3.9倍和6.2倍。由于两种材料具有应变率敏感性，冲击荷载下的增强效果略低于静态荷载下的增强效果。

常采用累积应变能比较不同荷载下试件的力学性能，而且累积应变能与试件的延性相关。累积应变能可通过对应力-应变曲线下的面积进行积分来计算[15]，静态荷载和冲击荷载下累积应变能随应变的变化如图4(a)所示。由图可知，由于在静态荷载下试件的破坏应变较高，其累积应变能高于冲击荷载下的累积应变能，这反映了大多数材料具有应变率敏感性。图4(b)为各试件最终破坏时的累积应变能与涂层厚度的关系。随着涂层厚度的增加，试件的累积应变能增强，在两种加载条件下，涂覆PU涂层试件的累积应变能均比未涂覆的高，累积应变能均随着PU涂层厚度的增加近似线性增加。上述结果表明，在试件正面涂覆PU层对提高混凝土试件的累积应变能有积极的作用，显著提高了混凝土的抗冲击能力。显然，PU涂层分担了部分混凝土的耗能，从而增加应变，证明了PU涂层在能量吸收方面具有显著效果。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂层的试件分别与未涂覆的试件进行比较，静态荷载下试件的累积应变能分别提高了2.1倍、4.3倍和9.2倍，冲击荷载下试件的累积应变能分别提高了3.3倍、5.5倍和9.0倍。由此可见，正面涂覆时，试件的最大应变和累积应变能在静态荷载和冲击荷载下的提高幅度相差不大。

图3 正面涂覆试件的力学响应Fig.3 Mechanical response of front coating specimens

图4 正面涂覆试件的累积应变能Fig.4 Cumulative strain energy of front coating specimens

2.2 反面涂覆试验结果分析

进行反面涂覆试验时采用的RC-1、RC-2、RC-3试件与正面涂覆的FC-1、FC-2、FC-3试件相似，只是加载时试件放置的位置相反。然而，这些试件的响应机制与正面涂覆时具有显著的区别。当反面涂覆时，混凝土试件先受到荷载的作用并吸收能量，部分能量会通过试件转移到PU涂层。此时，PU涂层受拉，由于PU涂层具有较强的黏弹性，其变形耗能能力提高。

图5为反面涂覆时试件在静态荷载和冲击荷载下的力学响应。由图5(a)可知，与正面涂覆的结果相似，在冲击荷载作用下试件的应力高于静态荷载，表现出显著的应变率效应。在静态荷载下，由涂覆PU涂层试件的应力-应变响应曲线(即曲线1、2、3)可知，应力-应变曲线首先在应力达到一定值之后急剧下降，随后出现一个较长的平台段。这一现象表明，涂覆PU涂层试件达到最大应力后并没有立即发生极限破坏，尽管混凝土试件出现裂纹，但由于PU涂层的抗拉能力比混凝土高，其仍能承受较高应变水平的荷载。然而，这种现象在冲击荷载下没有观察到，原因是梁的受拉区在破坏时形成裂缝，当受到突然的冲击荷载作用时，沿裂缝线的PU涂层会形成较高的拉应力集中，随后使PU涂层被破坏，无法发挥其变形特性。图5(b)为静态荷载和冲击荷载下试件的最大应力与涂层厚度之间的关系。由图可见：在静态荷载下，三种涂覆厚度试件的最大应力近似等于未涂覆试件的最大应力；在冲击荷载下，当涂层厚度为3 mm时，最大应力仅提高了11.2%。这与正面涂覆观察到的结果类似，增加PU涂层的厚度对试件最大应力的提高并不显著。涂覆PU涂层试样最大应变的增强表明其能承受的损伤程度更高。图5(c)给出了最大应变随涂层厚度的变化，由于PU涂层对混凝土受拉面的附加约束作用，含涂层试件在最终破坏过程中表现出更高的应变。涂覆1 mm、2 mm和3 mm厚度PU涂层的试件分别与未涂覆试件进行比较，试件在静态荷载下的最大应变分别提高了6.1倍、7.9倍和12.7倍，在冲击荷载下的最大应变分别提高了1.9倍、2.4倍和4.3倍。与正面涂覆结果不同，静态荷载下的应变增强效果是冲击荷载下的3倍左右。

图5 反面涂覆试件的力学响应Fig.5 Mechanical response of reverse coating specimens

图6(a)是静态荷载和冲击荷载下累积应变能随应变的变化。与正面涂覆结果类似，由于最大应变随涂层厚度的增加而增加，在两种加载条件下，所有涂覆PU涂层混凝土试件的累积应变能均高于未涂覆试件。图6(b)为各试件最终破坏时的累积应变能随涂层厚度的变化规律。与正面涂覆相似，在试件反面涂覆PU涂层对提高试件的累积应变能亦有积极的作用，显著提高了混凝土的抗冲击能力。涂覆1 mm、2 mm和3 mm PU涂层的试件与未涂覆的试件相比，在静态荷载下的累积应变能分别提高了6.0倍、8.4倍、13.1倍，在冲击荷载下的累积应变能分别提高了3.0倍、3.7倍、6.5倍。静态荷载下的累积应变能增强效果是冲击荷载下的2倍左右。结合正面涂覆的结果可以看出，静态荷载下反面涂覆试件的累积应变能提高幅度大于正面涂覆，但在冲击荷载下其累积应变能提高幅度小于正面涂覆。在应变增强中也观察到类似的现象，当试件上PU涂层厚度相同时，在静态荷载下反面涂覆试件的应变增强大于正面涂覆，但在冲击荷载下其应变增强小于正面涂覆。因此，PU涂层在混凝土结构上的应用对提高混凝土的应变和累积应变能有积极的作用，涂层位置是决定静态荷载和冲击荷载下加固效率的另一个重要标准。

图6 反面涂覆试件的累积应变能Fig.6 Cumulative strain energy of reverse coating specimens

2.3 跨中裂纹破坏模式

在极限破坏过程中，只形成弯曲裂纹，没有出现斜裂纹或直接剪切裂纹。试件跨中形成的裂纹破坏模式如图7所示。

图7 静态荷载和冲击荷载下试件的破坏模式Fig.7 Fracture modes of specimens under static and dynamic loads

由图7可知，除未涂覆试件在冲击荷载下产生了两条弯曲裂缝，其余试件在靠近跨中处均存在一条裂缝，这些裂缝延伸到整个底面。在正面涂覆时，应用于混凝土试件表面的PU涂层未受到破坏。这种现象产生的原因可能是正面涂覆时PU涂层承受的是压荷载，PU涂层受压变形吸收部分能量，体积刚度增大，与混凝土试件达到较好的阻抗匹配。混凝土表面只在涂覆PU涂层前进行了除尘处理，在任何试件中均未发现脱黏现象，PU与混凝土黏结良好。因此，冲击面上PU层的厚度不影响PU的脱黏。试件底面裂缝宽度随PU涂层厚度的增大而增大，这与试件最大应变相关。由于PU涂层提高了试件的承载能力，试件的受拉面能承受更大的变形。所以当混凝土试件破坏时，与未涂覆涂层的试件相比，涂覆PU涂层的试件在受拉面(底面)上的裂缝宽度更大。同时，冲击荷载下的破坏效应比静态荷载下更为强烈。在混凝土试件开裂后，正面PU涂层显著提高了试件的稳定性水平。因此，增加涂层的厚度在增强抗冲击荷载方面具有显著的优势，通过适当控制涂层厚度，可以起到有效防护作用。在反面涂覆时，有部分应用于混凝土试件表面的PU涂层被破坏，除了断口外其余涂层仍保持完整并与试件黏结良好。与正面涂覆时相似，由于试件在冲击荷载下发生了剧烈的破坏行为，在冲击荷载下的裂缝都比静态荷载下的更宽。此外，在混凝土试件开裂后，涂层将破碎的混凝土部分结合在一起，减少了破碎效果。将正面涂覆和反面涂覆时试件的裂缝进行对比可以看出，在静态荷载下，反面涂覆时的裂缝宽度明显大于正面涂覆，而在冲击荷载下，反面涂覆时的裂缝宽度略小于正面涂覆。这种裂缝宽度的变化是最大应变和累积应变能提高幅度变化规律的宏观体现。