聚氨酯水泥加固混凝土機理研究綜述

姜凱涵，楊 雪，彭 飛，孫劍飛，丁 琳

(黑龍江大學 a.建筑工程學院；b.水利電力學院，哈爾濱 150086)

0 引 言

在現有建筑結構中，混凝土是最為常見的建筑材料[1]。但因在建筑使用中的混凝土長期暴露在大氣環境中，并且承受各種荷載長期作用，會出現開裂等破壞，使原有結構不能滿足荷載要求。為了節省資金，減少工期，需要研究加固技術，以便增強原有結構的承載能力[2]。現階段，廣泛應用于實際工程中的加固方法主要包括加大截面加固法、粘貼鋼板加固法[3-7]，雖然上述加固方法都可以增加原有結構的承載能力，但因施工技術、加固穩定性等原因，其加固效果并不理想[8]。

聚氨酯出現于20世紀30年代，經過近80年的不斷發展，已廣泛應用于各行各業。聚氨酯水泥復合材料，早期強度高，韌性大，適合用于混凝土的修補加固[9]。聚氨酯水泥因其自身的優越性能而得到快速發展，并已產生較大的經濟效益[10]，聚氨酯水泥的出現為混凝土的加固提供了全新的思路。本文對目前聚氨酯水泥加固混凝土的機理進行較為全面的總結，闡述研究進程中的一些問題，并展望未來研究的發展趨勢，為今后的研究提供參考。

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過增加原有結構的橫截面積、增設鋼筋或增加構架面積來提升結構的承載能力[11]。魏友良[12]通過增大截面對石拱橋進行加固，經過承載力驗算、截面強度驗算等，結論表明進行增大截面加固后，橋梁承載能力提升滿足荷載等級要求。

1.2 粘貼碳纖維加固法

粘貼碳纖維加固法的主要原理是將碳纖維黏結在混凝土構件的受拉方向，使構件的抗剪、抗彎性能提高[13]。劉東坤[14]通過粘貼碳纖維布對老化混凝土進行加固，結論表明碳纖維粘貼加固對承載力提升有積極作用。

1.3 預應力加固法

預應力加固法的主要原理是指通過對構件提前施加一部分的預應力或者變形，來減小或抵消負面的應力和變形[15]。胡軍旗[16]在橋梁維修加固中運用預應力加固技術，并對預應力加固技術進行整體分析，都體現出預應力加固的廣泛前景和良好的加固效果。

1.4 復合加固法

復合加固法的主要原理是將兩種及其以上的加固方法或將兩種高性能材料組合到一起的加固方法，使其發揮各種加固方法的優勢[17]。

2 聚氨酯水泥研究

李興貴[18]將聚氨酯改性混凝土與普通砂漿做對比實驗，經研究發現，聚氨酯水泥的抗壓強度、耐久性等性能均優于普通砂漿。

劉治猛[19]將水溶性高分子外加劑的摻入可顯著改善混凝土施工性，并有效提高混凝土強度、耐久性。研究發現，摻入聚氨酯的聚合物改性混凝土的抗折強度和劈裂強度均有明顯提升。

胡國金[20]對水性聚氨酯的制備及性能展開研究，研究發現水性分散聚氨酯在砂漿中的摻入量可對水泥性能產生影響。并且水性聚氨酯對水泥水化反應有一定緩凝作用，水泥砂漿中摻入適當聚氨酯可有效減少水泥水化產物的粒徑分布、孔半徑，有效提高水泥性能。

吳燕華[21]對聚氨酯改性水泥砂漿的汞壓力進行研究，通過MIP實驗，將水泥砂漿中摻入聚氨酯，觀察發現水泥漿的孔結構發生變化，硬化水泥的微孔孔隙率得以提高，因而聚氨酯改性水泥砂漿的抗滲透性、抗凍性均得到有效提升。

陳輝[22]通過對兩種不同性質聚氨酯與水泥復合材料，在相同的水灰比下，水性聚氨酯預聚體與水泥復合材料的強度最高。通過測試發現，聚氨酯預聚體對水泥的水化有促進作用，促進水泥的深度水化，進而提高材料強度。

張可心、孫全勝[23]對高韌性聚氨酯水泥復合材料的力學性能進行研究。研究發現，混凝土與聚氨酯水泥的破壞形式為混凝土界面破壞，并且在實驗中混凝土的破壞形式均為黏結破壞，聚氨酯水泥的強黏結性得以證實。

許楊楠[24]通過實驗觀察水泥中摻入水性聚氨酯后混凝土基礎性能的變化，研究發現，水性聚氨酯摻入水泥砂漿后，在聚氨酯摻入量一定的條件下，水泥砂漿的孔隙結構得到有效改善，水泥密實度得以提高。

張繼峰[25]對聚氨酯水泥試件的抗壓、抗折強度進行測試，研究發現，材料密度與聚氨酯水泥材料的抗壓強度、抗折強度的關系式。聚氨酯水泥凝結速度快，適合用于快速搶修等應急工程中。

吳若冰[26]對水性聚氨酯對水泥進行改性，研究發現，當水泥砂漿中摻入無溶劑自乳化水性聚氨酯為3%時，水泥砂漿的28 d黏結強度達到峰值，水泥砂漿的初凝時間延長，砂漿的抗折、抗壓強度均有所降低。

3 聚氨酯水泥加固混凝土的分類

3.1 MPC復合材料加固(增大截面法)

谷丹丹[27]澆筑MPC復合材料對空心板橋梁主梁進行加固，當在跨中最大彎矩處進行橫向對稱加載和最大彎矩處向偏加載下，加固后的主梁撓度分別有所降低，且對原有的裂縫發展起到抑制作用，MPC復合材料對混凝土加固起到積極作用。

王劍琳[28]以大橋加固維修工程為實例，對MPC復合材料的加固進行研究。MPC復合材料加固方法可有效提升原有結構正常使用狀態下的極限承載能力，并提出MPC在一定條件下，可在不中斷使用的情況下對構件進行加固維修。

張立東[29]采用MPC復合材料對預應力混凝土空心板橋梁進行加固，空心板橋梁加固后橋梁混凝土的應力與剛絞線應力均有下降，空心板撓度明顯降低，且發生破壞時的裂縫間距變小且呈均勻分布。加固后，橋梁的屈服荷載與極限荷載均有較大提升。

孫全勝[30]對空心板梁進行MPC加固，并觀察加固前后構件的荷載強度進行有限元分析。研究發現，構件加固后承載能力有明顯提升，在荷載作用下，加固后主梁的撓度、最大應變均明顯降低。

郭建材[31]以京開高速公路橋梁拓寬為依托，加固鋼筋混凝土實心板橋梁。經研究發現，MPC復合材料加固橋梁可有效改善混凝土橋梁的荷載橫向分布，橋梁的整體受力強度得以提升。

彭勃[32]采用MPC復合材料對脫空缺陷的鋼管混凝土進行加固，研究發現，使用MPC復合材料進行二次灌注使脫空鋼管混凝土短柱增厚，承載力大幅度恢復，MPC復合材料和混凝土均可與外圍鋼管在加載中產生很強的相互作用，進而使構件的承載力與延性得以提升。

3.2 聚氨酯涂層加固

張晶晶等[33-37]研究發現，可使用具有高強度、高應變復合材料對原有構件的力學性能進行有效改善。其原理是通過在原有結構表面噴涂高性能材料，噴涂后形成與薄膜類似膜類結構，可有效提升原有結構的荷載承受能力。而聚氨酯材料具有高柔性、高彈性等優越性能。復合噴涂材料特性，且聚氨酯對混凝土的黏結能力強并可以快速固化，所以通過噴涂聚氨酯復合材料對混凝土進行加固備受關注。

雷波、黃顯彬[38]將混凝土構件表面噴涂聚氨酯復合材料，并驗證噴涂后的混凝土構件的力學性能。研究發現，聚氨酯噴涂位置可對加固效果產生影響，混凝土構件承受靜態荷載與沖擊荷載的能力均得以提升，隨著聚氨酯噴涂厚度的增加，混凝土構件的最大應變與累積應變均逐漸增加。

田穎等[39]對噴涂聚氨酯彈性體的黏土磚砌體墻模型性能展開研究，研究發現，通過聚氨酯彈性體的噴涂黏土磚砌體墻的滯回性能提升，噴涂加固后的墻體承載能力、變形能力均有提升。聚氨酯彈性體的單雙面噴涂和不同厚度的聚氨酯加固墻體，墻體表現出的滯回性能相近。在加固厚度相同時，面加固的墻體承載能力更強，而單面加固更有利于提升墻體的變形能力。總體而言，通過聚氨酯彈性體的噴涂對墻體的整體受力性能提升明顯。

張鋮等[40]對聚氨酯涂層對混凝土耐久性的影響進行了研究。通過對氯離子滲透系數的研究發現，聚氨酯涂層的混凝土構件氯離子的擴散系數與空白組相比提升顯著。聚氨酯涂層可有效防止氯離子滲透，防止氯離子的滲透能防止混凝土保護層銹脹和剝落等耐久性退化。聚氨酯涂層在提升混凝土耐久性中起到積極作用。

3.3 聚氨酯水泥摻入聚合物加固

聚合物改性混凝土的原理是將水泥和骨料混合與分散在水中或者可以在水中分散的有機聚合物材料結合而生成的復合材料，形成的復合材料可被稱作聚合物改性混凝土。目前，大多數聚合物改性混凝土的方式主要有以下兩種： 一種是先將聚合物用水分散后, 以乳液或聚合物水溶液的形式加入, 聚合物膠乳在混凝土水化過程中影響混凝土水化過程及混凝土的結構, 從而對混凝土的性能起到改善作用。另一種是先將聚合物與水泥或其他分散介質進行預分散, 將分散后的以干拌砂漿的形式使用。當水與混合材料拌和時, 聚合物遇水形成乳液, 在混凝土凝結硬化過程中, 乳液脫水, 形成聚合物固體結構。此外, 聚合物還可以纖維或者纖維增強塑料的形式存在, 通過聚合物改變混凝土的性能，在混凝土中獲得廣泛應用[41-45]，通過聚氨酯改性混凝土使混凝土的強度增加，進入更多人的視野。

孫楠、孫全勝[46]對碳纖維聚氨酯水泥(CPUC)復合材料的力學性能進行研究，通過正交實驗，分析不同聚灰比條件下，碳纖維與硅灰比對CPUC的7d壓縮強度、28d壓縮強度的影響并得出材料的最優配比。CPUC的強度主要由聚氨酯、聚氨酯與水泥的界面黏結強度以及碳纖維與聚氨酯界面的黏結強度三者共同決定。采用硅灰代替水泥后，由于硅灰顆粒直徑比水泥顆粒小，能有效填充水泥顆粒的空隙，形成良好的級配，使CPUC空隙率下降，密實度壓縮強度均得以提高。由于碳纖維有較高的彈性模量的阻裂效應，所以當摻入一定量的碳纖維時，對材料的抗折強度、劈裂強度提升明顯。

李晉[47]通過三聯試膜對不同體積摻比的碳纖維、PVA纖維、剛纖維來測試試塊的力學性能。研究發現，聚氨酯水泥復合材料的抗彎強度隨纖維摻比先增大后減小。聚氨酯水泥復合材料性能增強的原理是，纖維以隨機分布的形式存在于試塊內部，隨著纖維摻量的增大，纖維與試塊的連接更加緊密、整體性更強，試塊的受力強度得以提升。但摻入纖維過多，會造成纖維不易分散，使試塊抗彎強度減弱。摻入適量碳纖維可使試件整體強度提升。

3.4 聚氨酯水泥復合加固法

管澤斌[48]通過鋼絲繩聚氨酯水泥復合材料對損傷空心板梁加固，并測試加固后空心板梁的力學性能。在相同的荷載作用下，加固后梁體撓度下降22.81%，梁體位移延性系數上升57.14%，梁的整體耐久性得以提升；加固后的梁體最大裂縫減小52.73%，實測加固后梁的荷載承受強度、極限荷載均有顯著提升。

孫全勝[49]通過聚氨酯水泥鋼絲繩加固T梁橋，對加固后T梁橋的抗彎承載能力進行研究，用工程實際與實驗相結合的方式，驗證了聚氨酯水泥鋼絲繩加固混凝土T梁橋的可行性。在相同荷載作用下，聚氨酯水泥鋼絲繩加固可有效提高梁的抗彎承載力，橋的整體強度提升效果明顯。

張盛然[50]通過聚氨酯水泥鋼絲繩復合加固橋梁實驗，并采用有限元數值分析的方法，在試驗荷載的作用下，加固后的實驗梁的應變、裂縫寬度降低效果明顯，抗彎承載力大幅提升。在實驗梁極限破壞時，鋼絲繩的極限應力達到極限強度的90%。聚氨酯鋼絲繩加固后，橋梁結構的整體強度、剛度的提升均有明顯提升。

張可心[51]通過聚氨酯水泥預應力鋼絲繩加固梁進行了數值模擬，分析了混凝土強度和配筋率對加固梁受彎性能的影響。加固后，構件的屈服荷載在混凝土強度的提升下有小幅增長，屈服撓度幾乎不受影響。聚氨酯水泥預應力鋼絲繩加固后的梁在加固層斷裂時，梁的極限承載能力隨著配筋率的提升而提升。

高洪帥[52]采用預應力鋼絲繩、聚氨酯水泥和預應力鋼絲繩-聚氨酯水泥3種方式對鋼筋混凝土試驗梁進行抗剪加固，研究不同加固方式和鋼絲繩配繩率對抗剪性能的影響，分析了試驗梁的破壞過程、荷載-位移曲線、特征荷載和位移、荷載-應變曲線。結果表明，預應力鋼絲繩-聚氨酯水泥復合加固效果最好，能夠大幅度提高試驗梁的抗剪承載力和延性。復合加固中，鋼絲繩對混凝土提供預壓力，提高其核心強度，限制裂縫開展，發揮箍筋作用，直接參與抗剪。聚氨酯水泥加固層增加了剪跨區的受剪面積和剪切剛度，其高強度的特點發揮出類似混凝土抗剪的作用，其高韌性的特點發揮出類似鋼筋抗剪的作用，鋼絲繩和聚氨酯水泥兩者結合顯著提高了加固梁的抗剪性能。

聚氨酯水泥與其他材料復合加固的加固技術可用于實際工程案例中，但目前對這一方面的研究較少。尋找不同材料與聚氨酯水泥混合達到最優加固方式，可以成為未來的研究方向。

4 結論與展望

1) 聚氨酯水泥在混凝土的加固、改善混凝土承載能力方面具有較大意義，無論是聚氨酯的單獨加固方式或聚氨酯材料的復合加固方式，都表明聚氨酯水泥在對混凝土加固領域有著較好的應用前景。

2) 對于聚氨酯水泥的不同加固方式，與不同材料的結合方面研究尚有不足，各種加固機理尚待研究。

3) 隨著我國建筑使用年限的增長，各種混凝土的破壞、老化接連發生，對混凝土的加固已刻不容緩。而聚氨酯水泥有著優異的補強性能，聚氨酯水泥對于混凝土加固的多種方式已經引起國內外學者的廣泛關注。通過聚氨酯材料與其他加固方式相結合的復合加固方法，在加固性能上效果更加顯著，研究前景更加廣泛，可從復合加固方向尋找新的、更加優越的加固方式。