摘要：為解決砂漿復(fù)合材料在橋梁加固工程中應(yīng)用性能不佳的問題，對(duì)橋梁加固用聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)合材料進(jìn)行制備并對(duì)應(yīng)用性能進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水性聚氨酯成分占比的不斷提高，復(fù)合材料試件的抗壓強(qiáng)度在不斷降低，且下降幅度不斷提高。當(dāng)摻入量超過7%時(shí)，復(fù)合材料試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)水性聚氨酯占比為10%時(shí)，7 d齡期下試件抗壓強(qiáng)度為12.8 MPa，28 d齡期下試件抗壓強(qiáng)度為16.3%；抗折強(qiáng)度以5%～7%摻量下的抗折強(qiáng)度下降最為明顯，下降速率分別為28%以及21.8%；復(fù)合材料試件的粘接強(qiáng)度在3%摻量時(shí)達(dá)到峰值，然后出現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。其中，摻量為3%時(shí)對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度為6.2 MPa。

關(guān)鍵詞：橋梁加固；水性聚氨酯；粉煤灰；水泥；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ177.6+7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(nèi)外學(xué)者的共同努力下，聚氨酯復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。如選擇了低揮發(fā)性有機(jī)化合物含量的聚氨酯樹脂作為基礎(chǔ)材料，然后通過添加無機(jī)填料、助劑等成分進(jìn)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(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等測(cè)試手段評(píng)估了其粘接性能[2]。制備了聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料，并通過優(yōu)化工藝參數(shù)提高其力學(xué)性能[3]。選擇了具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐久性的聚氨酯作為基礎(chǔ)材料，將硅粉作為增強(qiáng)劑引入聚氨酯中，從而制備出復(fù)合材料試件[4]。

基于此，為深入研究聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)合材料的應(yīng)用性能，為橋梁結(jié)構(gòu)加固工程提供科學(xué)的理論依據(jù)。探究不同配比和增強(qiáng)劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響[5]。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1原材料獲取

實(shí)驗(yàn)選取P× O42.5的硅酸鹽水泥，具體化學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)選取F0410型號(hào)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(shù)指標(biāo)如表2所示。實(shí)驗(yàn)所用到的粉煤灰為某電力公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰具體化學(xué)成分如表3所示。

1.2儀器設(shè)備

具體儀器設(shè)備及型號(hào)如表4所示。

2實(shí)驗(yàn)過程

2.1聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)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(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行制備，用于進(jìn)行后續(xù)的凍融實(shí)驗(yàn)以及力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)[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(jìn)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(jī)中，對(duì)攪拌時(shí)長以及攪拌速率進(jìn)行設(shè)定。以50 r/min的速度進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間控制在2～3 min，確?；旌衔锍浞职鑴?。根據(jù)設(shè)定的摻入量占比（0%、3%、5%、7%、10%），將相應(yīng)量的水性聚氨酯逐漸加入攪拌機(jī)中，同時(shí)繼續(xù)攪拌。對(duì)此，設(shè)定攪拌時(shí)間為5～8 min，以25 r/min的攪拌頻率進(jìn)行多次攪拌，直到混合物的密度呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。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(zhǔn)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。

設(shè)定養(yǎng)護(hù)室的平均控制溫度為（20±2）℃，濕度分布平均值為64%。養(yǎng)護(hù)期滿后，拆除試模，對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)記，記錄摻入的水性聚氨酯占比。

2.2力學(xué)性能測(cè)試

從養(yǎng)護(hù)室中取出符合齡期的復(fù)合材料試件，對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)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(shè)定萬能試驗(yàn)機(jī)的加載速率為0.5 MPa/s，以保證測(cè)試過程中的加載速率穩(wěn)定且不會(huì)過快導(dǎo)致試件突然破壞[9]。同時(shí)，通過讀取試驗(yàn)機(jī)的表盤參數(shù)，記錄試件在加載過程中的應(yīng)力變化曲線。開始加載后，對(duì)試件表面進(jìn)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(huì)出現(xiàn)不同寬度的裂紋，并且開裂程度會(huì)不斷加深。當(dāng)試件表面張力達(dá)到極限時(shí)，試件會(huì)出現(xiàn)斷裂，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)將會(huì)自動(dòng)停止工作，對(duì)屈服荷載以及破壞荷載進(jìn)行記錄[10]。采用上述方法，分別對(duì)7 d齡期以及28 d齡期的試件進(jìn)行抗壓測(cè)試。

2.3凍融粘接性能測(cè)試

為檢測(cè)試件的粘接強(qiáng)度，采用凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行粘接測(cè)試。將尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的復(fù)合材料試件按照規(guī)定的排列方式放置在凍融試驗(yàn)機(jī)的樣品架上，確保試件之間保持一定的間距。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)定凍融循環(huán)的溫度范圍[14]。通常情況下，凍結(jié)溫度設(shè)定為-20℃，融化溫度設(shè)定為20℃。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定每次循環(huán)持續(xù)時(shí)間為4 h，即凍結(jié)2 h，融化2 h。在循環(huán)過程中，密切觀察試件的變化，并采用拍攝設(shè)備對(duì)試件表面的開裂情況進(jìn)行記錄。在達(dá)到既定的凍融次數(shù)后，將試件從設(shè)備中取出，并采用剪切試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件的粘接強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

3聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)合材料性能研究

3.1力學(xué)性能

在對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試后，得到的不同齡期下的試件測(cè)試結(jié)果如表6所示。

由表6可知，當(dāng)水性聚氨酯添加占比為3%時(shí)，7 d齡期下試件抗壓強(qiáng)度為38.4 MPa，比未加入水性聚氨酯試件的抗壓強(qiáng)度下降了9.5%。隨著水性聚氨酯成分占比的不斷提高，復(fù)合材料試件的抗壓強(qiáng)度在不斷降低，且下降幅度不斷提高，同時(shí)3%以及5%占比的水性聚氨酯摻入量對(duì)復(fù)合材料試件力學(xué)性能的影響較弱；當(dāng)摻入量超過7%后，復(fù)合材料試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢(shì)。水性聚氨酯占比為10%時(shí)，7 d齡期下試件抗壓強(qiáng)度為12.8 MPa，28 d齡期下試件抗壓強(qiáng)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(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出由高到低的波動(dòng)趨勢(shì)。當(dāng)摻量為3%時(shí)，2種齡期下的復(fù)合材料試件抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值，分別為9.4 MPa以及12.5 MPa。當(dāng)水性聚氨酯摻量超過5%后，試件抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同速率的下降趨勢(shì)，其中以5%～7%摻量下的抗折強(qiáng)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(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表7所示。

由表7可知，水性聚氨酯摻量與砂漿復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度之間存在著線性相關(guān)關(guān)系。隨著水性聚氨酯摻量的不斷提高，復(fù)合材料試件的粘接強(qiáng)度在3%摻量時(shí)達(dá)到峰值，然后出現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。其中，摻量為3%時(shí)對(duì)應(yīng)的粘接強(qiáng)度為6.2 MPa，并且當(dāng)水性聚氨酯摻量為7%時(shí)，試件粘接強(qiáng)度下降速率最高，為13.6%。當(dāng)摻量為10%時(shí)，復(fù)合材料粘接強(qiáng)度下降速率區(qū)域穩(wěn)定，為5.9%。

4結(jié)語

通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固用聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)合材料應(yīng)用性能的系統(tǒng)研究，不僅為橋梁結(jié)構(gòu)加固提供了一種新型、高效的材料解決方案，還為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供了有益的參考。聚氨酯粉煤灰砂漿復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用有助于提升橋梁工程的安全性和穩(wěn)定性，延長橋梁的使用壽命，降低維護(hù)成本。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳志軍，胡偉，孫艷，等.高速鐵路橋面用環(huán)保型聚氨酯防水涂料的研究[J].新型建筑材料，2023，50（12）：110-112.

[2]王麗燕，趙宇航.建筑高性能復(fù)合保溫板中聚氨酯膠粘劑粘接性能研究[J].粘接，2024，51（1）：29-31.

[3]孫躍男.聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料結(jié)合鋼絲繩在T梁橋中的加固應(yīng)用[J].交通科技與管理，2023，4（19）：89-91.

[4]汪雨珍.聚氨酯硅粉復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用[J].中國公路，2022（20）：106-107.

[5]李巖，李文，張華建，等.橋梁無縫伸縮縫用改性聚氨酯研發(fā)及足尺試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2023，42（11）：3853-3865.

[6]李宗儒，付振武，馬海晶.橋梁隧道災(zāi)害治理聚氨酯材料的制備及其性能研究[J].聚氨酯工業(yè)，2023，38（3）：34-36.

[7]崔永曙，李晉，熊大路，等.纖維對(duì)聚氨酯水泥復(fù)合材料的增韌作用[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（2）：89-94.

[8]楊海峰.硅基聚氨酯復(fù)合材料在高速公路橋梁獨(dú)柱墩加固中的應(yīng)用[J].交通世界，2023（28）：42-44.

[9]杜永剛.硅基聚氨酯復(fù)合材料在橋梁加固工程中的應(yīng)用[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（4）：165-166.

[10]王洋超，楊富民，田燕，等.鐵路混凝土橋梁梁端聚氨酯涂料制備及性能研究[J].中國涂料，2022，37（6）：32-37.

[11]雷建華，徐斌，何旭輝.改性聚氨酯混凝土受壓性能及本構(gòu)關(guān)系研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，20（1）：278-288.

[12]雷國斌.聚氨酯混凝土新材料抗彎加固性能試驗(yàn)[J].交通科技與管理，2023，4（3）：89-91.

[13]王洋超，楊富民，周堯，等.單組分聚氨酯改性環(huán)氧界面劑的合成及性能[J].鐵道建筑，2022，62（4）：154-158.

[14]劉攀.橋梁無縫伸縮縫高性能聚氨酯彈性混凝土性能評(píng)價(jià)[J].青海交通科技，2021，33（4）：118-121.

（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）