周 理,胡 松，徐一峰,鄒慶余,尹 超

(1.貴州大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.銅仁學(xué)院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院, 貴州 銅仁 554300；3.貴州中建空間工程科技有限公司, 貴州 貴陽 550001)

聚脲是近年來國內(nèi)外剛剛興起的一種新型環(huán)保材料，具有粘結(jié)力強、抗拉強度高、耐水性優(yōu)、反應(yīng)時間短、噴涂工藝簡單等優(yōu)點。正是由于材料的上述優(yōu)點，聚脲在實際工程中得到了越來越廣泛地應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下三方面：(1) 構(gòu)筑物防水應(yīng)用領(lǐng)域；(2) 構(gòu)筑物防爆應(yīng)用領(lǐng)域；(3) 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件增強等方面。雖然聚脲材料在應(yīng)用領(lǐng)域已取得了一定的進展，但對于該類材料的力學(xué)、物理性能研究目前仍顯不足，特別是聚脲材料對構(gòu)件的增強機理研究基本處于空白狀態(tài)。

在國內(nèi)外目前已有的研究中，Szafran等[1]提出了利用聚脲來增強混凝土管道，試驗結(jié)果顯示，與普通混凝土管道相比，噴涂聚脲的管道破壞承載力提升了20.3%；并且在混凝土壓碎后，管道仍然可以正常工作；Chen等[2]利用聚脲來提升加氣混凝土板的抗爆能力。通過爆炸試驗，證明了聚脲提升加氣混凝土板抗爆性能的有效性，并指出聚脲對板抗爆性能的提升程度要優(yōu)于碳纖維布的增強效果；陳瀟碩等[3]利用聚脲加固地下管廊結(jié)構(gòu)。通過實施9次爆炸試驗，得出了在一定條件下聚脲加固的抗爆效果要優(yōu)于碳纖維布的結(jié)論，并建議在地下管廊工程中優(yōu)選聚脲進行加固；趙啟明等[4]提出利用聚脲鋼板復(fù)合層提升鋼筋混凝土板的抗爆性能，研究結(jié)果表明，在相同加固層厚度條件下聚脲鋼板復(fù)合層的抗爆減振效果要優(yōu)于純聚脲加固層。此外，Song及Somarathna等[5-7]對聚脲增強混凝土的抗壓、抗彎及抗折強度進行了試驗研究，結(jié)果均表明聚脲可有效地增強混凝土的力學(xué)性能。

近年來，為推動資源綜合利用及環(huán)境保護，磷石膏在建筑工程中得到了廣泛地推廣運用。何玉鑫等[8]利用磷石膏、礦渣、水泥混合制備磷石膏基膠凝材料，并以此制備免煅燒磷石膏磚，所制備的磷石膏磚具有較高抗壓強度；Wu等[9]將磷石膏應(yīng)用于密肋墻體結(jié)構(gòu)之中，讓磷石膏與混凝土密柱共同工作，進而形成結(jié)構(gòu)-節(jié)能一體化構(gòu)件。研究結(jié)果顯示，墻體的承載能力提升約2～3倍，并且具有良好的延性及耗能能力；周理等[10-11]利用磷石膏制備內(nèi)置模塊，并將其作為空心樓蓋的內(nèi)置模板，研究顯示磷石膏內(nèi)置模塊可較好地滿足空心樓蓋施工要求。董堅等[12]利用磷石膏制作空心條板，通過改進生產(chǎn)工藝，使磷石膏空心條板的技術(shù)性能達到行業(yè)標準的相關(guān)要求，且某些指標比天然石膏制品更優(yōu)。

然而，值得注意的是，在磷石膏制品大量應(yīng)用的同時，也發(fā)現(xiàn)了諸多問題，如磷石膏制品材料強度低、脆性大、防潮性能差等。為改善磷石膏材料的力學(xué)性能，國內(nèi)學(xué)者提出了纖維增強[13]、優(yōu)化摻料[14]等措施，取得了較好的效果；為提升磷石膏的防水防潮性能，提出了在磷石膏混合料中摻加憎水材料[15]、瀝青膠結(jié)[16]等措施。上述措施在一定程度上改善了磷石膏的物理力學(xué)性能，但局限于改善磷石膏某單一指標。聚脲材料既具有良好的力學(xué)增強作用，又具有卓越的防水效果。故此，本文提出利用聚脲來改善磷石膏的物理力學(xué)性能。通過受壓試驗，研究聚脲約束磷石膏的力學(xué)變化規(guī)律，分析試件的破壞特征，并對其破壞機理進行探討，研究成果以期為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試塊設(shè)計

本試驗所制作磷石膏試塊的材料組成為β型磷石膏粉、水泥、生石灰、聚丙烯纖維及緩凝劑。其中，磷石膏粉中CaSO4·0.5H2O的含量為68.5%；水泥選用P.C 32.5級水泥；生石灰中CaO與MgO的含量超過75%；聚丙烯纖維的直徑與長度分別為25 μm和10 mm，其測試的抗拉強度約450 MPa；緩凝劑采用石膏專用緩凝劑，根據(jù)材料說明進行添加使用。當磷石膏試塊制作完畢后，根據(jù)《建筑石膏-力學(xué)性能的測定》[17](GB/T 17669.3—1999) 的要求，將試塊在40℃±4℃的條件下烘干，然后采用噴涂的方式將聚脲均勻地噴涂在磷石膏柱體的四周。經(jīng)測定，聚脲層的平均厚度為0.52 mm，聚脲材料的抗拉強度為6.8 MPa。試驗共設(shè)計9組配合比，每組配合比制作6個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，其中3個不噴涂聚脲(編號用A表示)，另外3個噴涂約0.5 mm厚的聚脲涂層(編號用PA表示)。各試件的配合比如表1所示。

1.2 試塊制作過程

試塊正式制作前，對各配合比的磷石膏試塊進行試配，確保磷石膏漿體的流動性滿足試塊制作要求。正式制作時，首先將各摻料稱量完畢，然后將水與纖維倒入攪拌桶預(yù)拌1 min，確保纖維分散；隨后，將干料倒入攪拌桶中，攪拌約1 min。將攪拌后的漿體倒入模具，并用抹灰板將模具頂面的磷石膏抹平。待磷石膏初凝后，拆除模具，取出磷石膏試塊。所有試塊制作完畢后，將試塊放置在通風干燥的環(huán)境中28 d，確保試塊中大部分的自由水得以排出。正式試驗前，將磷石膏試塊在40℃±4℃的條件下烘干。對于不噴涂聚脲的A試塊，烘干后直接進行測試；對于噴涂聚脲的PA試塊，烘干后在試塊表面噴涂一層聚脲，厚度約為0.5 mm；隨后放置24 h至聚脲層干燥。為便于觀測試驗現(xiàn)象，在聚脲層外側(cè)再噴涂一層黃色涂料。隨后，在試塊上繪制網(wǎng)格線，準備進行測試。本試驗試塊制作過程如圖1所示。

表1 試塊配合比

1.3 試塊測試

試塊測試前，先用膠帶約束棱柱體試塊的上下端，保證試塊在其中部發(fā)生破壞。試驗采用10 t萬能試驗機進行加載，選取位移控制加載模式，加載速率設(shè)定為0.03 mm/s。正式加載前，對試塊進行預(yù)加載，預(yù)加載值統(tǒng)一設(shè)定為5 kN, 以消除試塊與設(shè)備之間的接觸誤差。加載過程中，記錄關(guān)鍵特征點時的試塊破壞情況，利用設(shè)備自帶的位移傳感器及荷載傳感器記錄試驗全過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。A及PA試塊的加載現(xiàn)場如圖2所示。

2 試驗現(xiàn)象

2.1 破壞過程

對于A類試塊，以參考試塊A2為例，在試塊加載初期，沒有觀測到明顯的裂縫；荷載-變形曲線基本上呈直線變化。當荷載加載至28.7 kN時(約為峰值荷載的67%)，試塊中部出現(xiàn)一條水平裂縫，并且隨著荷載的進一步增大，裂縫長度逐漸擴展。當荷載加載至峰值荷載點時，水平裂縫幾乎貫穿整個截面。此后，荷載-變形曲線進入下降階段，并在水平裂縫處出現(xiàn)數(shù)條垂直裂縫。最后豎向裂縫間的小柱體壓酥，試塊宣告破壞。導(dǎo)致試塊發(fā)生這種破壞的原因在于：高水固比的磷石膏試塊內(nèi)部孔隙率較高，內(nèi)部微孔在受壓狀態(tài)下首先坍縮，形成水平裂縫；當坍縮穩(wěn)定后，柱體在壓力作用下被分割成多個小柱體，形成豎向裂縫，這種破壞可以被定義為“壓縮破壞”。對于低水固比的A3試件，當試塊加載至43.8 kN時(約為峰值荷載的63%)，在試塊側(cè)面出現(xiàn)第1條豎向裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫長度逐漸擴展、寬度持續(xù)增加；當加載至峰值荷載點時，在試塊側(cè)面形成了2條完整的豎向通縫。隨后，施加荷載值逐漸降低，在豎向裂縫之間的區(qū)域形成了數(shù)條水平裂縫，被裂縫分割的小柱體也因壓屈而向外呈現(xiàn)出不同程度的凸起。這種試塊由于水固比較低，故孔隙率較小。在試塊受壓時，試塊膨脹所形成的拉力先于壓力達到材料強度，因此首先觀測到豎向裂縫，故可將這種破壞定義為“受拉破壞”。對于不摻加聚丙烯纖維的A8試塊，當荷載加載至24.1 kN時(約為峰值荷載的55%)，在試塊中部既出現(xiàn)了豎向裂縫，又形成了水平裂縫。此后，隨著荷載值的不斷增加，水平裂縫與豎向裂縫持續(xù)擴展。當加載接近峰值荷載左右時，試塊發(fā)出輕微的脆響，隨后荷載-變形曲線進入下降階段，在試塊邊緣出現(xiàn)磷石膏壓潰現(xiàn)象。這種破壞的原因在于：低纖維含量降低了試塊的約束能力，試塊中部在拉壓復(fù)合應(yīng)力作用下迅速達到材料強度，從而呈現(xiàn)出壓潰特征，這種破壞可被定義為“壓潰破壞”。

對于有聚脲約束的PA試塊，PA2與A2試塊的配合比相同，在加載過程初期，沒有觀測到裂縫的產(chǎn)生。當加載至45 kN時(約為峰值荷載的80%)，在試塊中上部出現(xiàn)了第1條有一定傾斜角度的水平裂縫，隨著加載的繼續(xù)進行，水平裂縫持續(xù)擴展；當加載接近峰值荷載時，水平裂縫基本貫穿整個試件截面。進入下降階段后，豎向裂紋有所開展?？傮w而言，雖然PA2與A2試塊的裂縫開展模式基本相同，但PA2試塊的裂縫數(shù)量要相對更少。PA3與A3試塊的配合比相同，當加載至78 kN時(約為峰值荷載的84%)，才在試塊的側(cè)面中部出現(xiàn)第1條豎向裂縫；此后加載，裂縫數(shù)量及寬度均有所增長，但相比于A3試塊，PA3試塊的裂縫數(shù)量及裂縫開展寬度均要小得多，并且試塊的水平裂縫開展不是很明顯。PA8與A8試塊的配合比中均未摻加聚丙烯纖維，PA8在加載至43 kN時(約為峰值荷載的82%)，在試塊中部出現(xiàn)1條水平裂縫，隨后水平裂縫隨加載的進行而不斷擴展，豎向裂縫從水平裂縫處向試塊端部不斷開展。當加載超過峰值荷載后，在水平裂縫與豎向裂縫的相交處，磷石膏呈現(xiàn)出壓碎狀態(tài)，但與A8試塊相比，PA8試塊的破壞程度明顯更弱。

2.2 破壞模式

無論是A類試塊，還是PA類試塊，試驗過程中均觀測到3種破壞模式，分別為壓縮破壞、受拉破壞及壓潰破壞。其中，A3與PA3試塊發(fā)生受拉破壞；A8與PA8試塊發(fā)生壓潰破壞；其余試塊均發(fā)生壓縮破壞。從本質(zhì)上來講，影響試塊破壞模式核心因素為水固比及纖維含量。當試塊具有一定的纖維含量，且水固比較高時，試塊內(nèi)部微孔首先坍縮，形成水平裂縫。在微孔坍縮穩(wěn)定后，方出現(xiàn)豎向裂縫，這類破壞即為壓縮破壞。當試塊水固比較低時，試塊內(nèi)部微孔較少；在壓力作用下的膨脹效應(yīng)致使試塊首先出現(xiàn)豎向裂縫，這類破壞即為受拉破壞。當試塊纖維含量較少，且水固比較高時，拉壓應(yīng)力同時作用，導(dǎo)致試塊既出現(xiàn)水平裂縫，又出現(xiàn)豎向裂縫，致使局部區(qū)域壓潰，這類破壞即為壓潰破壞。部分試塊破壞情況如圖3所示。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 荷載-變形曲線

每一種配合比均測試了3個試塊，采用平均值及誤差帶來表述各配合比試塊的荷載-變形曲線。從圖4中可以看出：(1) 磷石膏試塊、聚脲約束磷石膏試塊的荷載-變形曲線均可劃分為3個階段，即初始彈性階段、彈塑性變形階段及破壞階段；(2) 聚脲的約束作用將有助于提升磷石膏試塊的抗壓強度，對于纖維含量較高的試塊，提升作用則不是很明顯；(3) 聚脲的約束作用將制約試塊變形，當承載力達到峰值時，聚脲約束磷石膏試塊的峰值變形要小于非約束磷石膏試塊的峰值變形；(4) 聚脲約束磷石膏試塊的初始剛度普遍大于磷石膏試塊的初始剛度。

3.2 承載力對比

取每種配合比試塊的軸壓承載力平均值進行對比，圖5顯示了聚脲約束磷石膏試塊與磷石膏試塊的軸壓承載力對比結(jié)果。由圖可見，隨著水灰比的降低，聚脲約束磷石膏試塊及磷石膏試塊的抗壓強度均有所提高。與普通磷石膏試塊相比，當水灰比分別為0.8、0.7及0.6時，聚脲的約束作用將使得試塊的抗壓強度分別提升32.6%、27.6%及37.0%，如圖5(a)所示。水泥含量變化對試塊承載力的影響如圖5(b)所示，當水泥含量增加時，磷石膏試塊的抗壓強度先降低、后增加，這與Zhang等[18]的研究發(fā)現(xiàn)一致。對于強度較弱的試塊，聚脲的約束作用對強度提升效果最為明顯。圖5(c)顯示了生石灰含量對試塊強度的影響。由圖可見，當生石灰具有一定含量時，試塊強度有所提高。但若大量增加石灰含量，則會降低試塊強度。聚脲的約束作用則會改善因摻料變化而引起的試塊強度變異。圖5(d)給出了不同纖維含量試塊的強度變化趨勢。當磷石膏試塊的纖維含量較小時，其強度變化不大，纖維的作用不顯著。此時，聚脲對試塊強度提升的效果是顯著的。當纖維增加到一定程度時，磷石膏試塊的強度則增加較大，纖維在試塊受力過程中起到了良好的變形抑制作用。因此，聚脲的約束作用則發(fā)揮不出來，約束效果不明顯。

圖3 試塊破壞情況

3.3 耗能分析

聚脲的核心作用之一是克服材料的脆弱，進而提升結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的延性。因此，耗能能力是評價聚脲作用的重要指標。參考泡沫混凝土極限應(yīng)變，將試塊軸向變形值等于0.01l時的變形定義為試塊的破壞變形[19]。因此，破壞變形前的荷載-變形曲線與橫坐標所圍合區(qū)域的面積即可反映出試塊的耗能情況，耗能計算示意如圖6所示。

圖7顯示了各試塊的耗能對比。從圖7(a)中可以看出：試塊耗能隨著水灰比的降低而增大，相比于普通磷石膏試塊，聚脲約束磷石膏試塊的耗能能力更強。當水灰比分別為0.8、0.7及0.6時，聚脲的約束作用將使得磷石膏試塊的耗能能力分別提升27.8%、27.8%及37.9%。圖7(b)顯示了水泥含量對試塊耗能性能的影響。由圖可見，水泥含量不同對試塊耗能性能的影響不大。聚脲涂層可將磷石膏試塊的軸壓耗能能力提升約8.0%～27.8%。此外，當水泥含量較多時，聚脲對試塊耗能能力的提升效果相對較弱，其原因在于：水泥的硬化強度使得磷石膏受壓時向外膨脹的趨勢有所放緩。圖7(c)給出了生石灰含量變化對試塊耗能的影響。從圖中可以看出，當生石灰含量從0%增加至5%時，磷石膏試塊、聚脲約束磷石膏試塊的耗能能力均有一定程度的提升。當生石灰含量為0時，聚脲的約束作用將使得磷石膏試塊的耗能能力提升約11.3%；當生石灰含量為5%時，聚脲的約束作用則使得磷石膏試塊的耗能能力提升約27.8%；當生石灰含量增加到10%時，磷石膏試塊的耗能能力反而下降，這主要是由于試塊的強度降低所致。采用聚脲約束后，可充分發(fā)揮聚脲的約束效應(yīng)，故耗能能力提升較大。圖7(d)則顯示了纖維含量對試塊耗能能力的影響。當試塊中纖維含量較少時，無論是磷石膏試塊，還是聚脲約束磷石膏試塊其耗能能力隨纖維含量的改變都不是很大，主要原因是纖維的作用不明顯。當纖維增加至0.2%時，磷石膏試塊的耗能能力提升很大，但聚脲的約束作用則不明顯。這主要是纖維含量的增多增強了對試塊橫向變形的抑制能力，而外圍的聚脲涂料需在試塊橫向膨脹后，方能發(fā)揮其約束作用。故聚脲對高纖維含量試塊的耗能影響不大。

圖4 試塊的荷載-變形曲線

4 約束模型與破壞準則

4.1 約束模型

聚脲約束磷石膏的力學(xué)機制與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)類似，其本質(zhì)是利用構(gòu)件在受壓時外圍材料的約束作用，使得核心材料處于三軸受壓狀態(tài)，進而提升構(gòu)件的承載能力[20-21]。Mander等[22]在研究約束混凝土時，建立了fcc/fc與fl/fc之間的關(guān)系。其中，fcc為約束后材料抗壓強度，fc為未約束材料的抗壓強度，fl為環(huán)向約束應(yīng)力。迄今為此，Mander模型已成為研究材料約束效應(yīng)的重要參考。為此，本文借鑒該模型的表述形式來構(gòu)建聚脲約束磷石膏模型。基于試驗結(jié)果，聚脲約束磷石膏抗壓強度fcc及磷石膏抗壓強度fc的計算表達式為:

fcc=PPA/A

(1)

fc=PA/A

(2)

式中:PPA為聚脲約束磷石膏的峰值承載力;PA為磷石膏的峰值承載力;A為試塊的截面面積。

圖5 試塊的承載力對比

圖6 耗能計算示意

環(huán)向約束應(yīng)力fl可根據(jù)聚脲涂層與磷石膏之間的平衡條件進行計算，受力示意如圖8所示；計算表達式為：

fl×b=2Nl

(3)

Nl=fptp

(4)

式中:b為試塊截面寬度;Nl為單位高度聚脲層拉力;fp為聚脲的抗拉強度;tp為聚脲層厚度。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，聚脲約束磷石膏柱體的fcc/fc與fl/fc之間關(guān)系如圖9所示。

在本試驗研究參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)圖9中數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，聚脲約束磷石膏的約束模型可以表述為：

(5)

4.2 破壞準則

破壞準則將材料的破壞包絡(luò)曲面用數(shù)學(xué)函數(shù)的方式進行描述，作為判定材料是否達到破壞狀態(tài)或極限強度的條件。陳向東等[23]對高強石膏進行了真三軸試驗與分析，研究發(fā)現(xiàn)Drucker-Prager 準則與Tresca準則均適用于高強度石膏。本文聚脲約束磷石膏選用Drucker-Prager準則，其表達式為：

(6)

I1=σ1+σ2+σ3

(7)

(8)

式中:σ1為豎向主壓應(yīng)力;σ2、σ3為側(cè)向圍壓應(yīng)力;I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏張量第二不變量;α、K為試驗常數(shù)。

以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求解出應(yīng)力張量第一不變量I1及應(yīng)力偏張量第二不變量J2，建立I1與J2的相互關(guān)系，如圖10所示。

從圖10中的擬合結(jié)果可知，α等于-0.576，K等于-0.117，I1與J2的數(shù)學(xué)關(guān)系為:

(9)

式(9)即為聚脲約束磷石膏基于Drucker-Prager的破壞準則。

圖7 試塊的耗能對比

圖8 fl計算示意

圖9 fcc/fc與fl/fc關(guān)系

5 結(jié) 論

本文對聚脲約束磷石膏的受壓性能開展試驗研究，探究了試塊的破壞機理，總結(jié)了試塊的破壞模式，分析了荷載-變形曲線、承載力、耗能等關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù)，并建立了聚脲約束磷石膏的約束模型及破壞準則，主要研究結(jié)論如下：

圖10 I1與J2關(guān)系

(1) 水固比與纖維含量是影響試塊破壞模式的核心因素。當纖維含量一定，且水固比較高時，試塊發(fā)生壓縮破壞；當水固比較低時，試塊發(fā)生受拉破壞；當纖維含量較少，且水固比較高時，試塊發(fā)生壓潰破壞。

(2) 聚脲的約束作用未能改變磷石膏的破壞模式，但聚脲約束磷石膏試塊在受壓時的裂縫開展的數(shù)量、裂縫寬度及壓潰程度都要小于未約束的磷石膏試塊，故聚脲涂層可降低試塊的破壞程度。

(3) 所有試塊的荷載-變形曲線均可劃分為初始彈性階段、彈塑性變形階段及破壞階段，但聚脲約束磷石膏試塊的峰值變形相對更小，其初始剛度要比磷石膏試塊大得多。

(4) 承載力與耗能分析顯示，當試塊的纖維含量較小時，聚脲涂層對于提升磷石膏試塊的承載力及耗能能力是有效的。但當纖維含量較高時，纖維將對受壓試塊的橫向膨脹產(chǎn)生抑制作用，故聚脲涂層的約束作用將得不到充分發(fā)揮。

(5) 參考Mander約束理論，建立了聚脲約束磷石膏的約束模型；借鑒Drucker-Prager 準則，以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了聚脲約束磷石膏的破壞準則。