夏勇  張浩博  焦凱

西安理工大學(xué)  西安 710048

 

    在結(jié)構(gòu)維護(hù)、改造和加固工程以及混凝土面板堆石壩工程中，經(jīng)常涉及到混凝土界面的防水與粘結(jié)問(wèn)題，而混凝土界面粘結(jié)的好壞直接影響到工程質(zhì)量。通常情況下的界面粘結(jié)強(qiáng)度低，很少達(dá)到本體的相應(yīng)強(qiáng)度，且混凝土界面粘結(jié)材料和處理方法多種多樣，粘結(jié)效果差異較大，都不甚理想。所以，選用合適的混凝土界面處理材料一直是人們關(guān)心的問(wèn)題。其中，水溶性聚氨酯（water-soluble polyurethane）是一種適于潮濕基底的粘結(jié)與止水材料，它可用作新老建筑物變形縫的界面處理劑，或者作為修補(bǔ)材料、防水材料應(yīng)用于路橋工程以及面板堆石壩中。

 

    本試驗(yàn)以研究水溶性聚氨酯嵌于混凝土變形縫的抗剪試驗(yàn)為基礎(chǔ)，得出垂直應(yīng)力與剪應(yīng)力之間的關(guān)系，根據(jù)試件破壞形態(tài)進(jìn)行分析，并聯(lián)系工程實(shí)際，為水溶性聚氨酯的合理的使用提供資料和科學(xué)依據(jù)。

 

    （1）水泥：秦嶺牌普通水泥（PO42.5R），符合GB175要求；

    （2）集料：河卵石，粒徑為5～40mm，連續(xù)級(jí)配；河砂，細(xì)度模數(shù)µ_f =2.7，級(jí)配良好；

    （3）聚氨酯：LD-99彈性聚氨酯嵌縫材料，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求JC/T864-2000；

    （4）固化劑：固化劑主要成分是能夠與-NCO反應(yīng)的聚醚或帶有結(jié)晶水的無(wú)機(jī)化合物 ^[1]，本試驗(yàn)中水溶性聚氨酯預(yù)聚體與固化劑的比例是3：1（按體積比）。

 

    本試驗(yàn)所用的主要器材設(shè)備有：液壓千斤頂，拉壓傳感器，百分表（0～50mm），BZ2206型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，鋼墊板，反力架，鋼滾軸等輔助設(shè)備。

 

    （1）混凝土試塊尺寸  如圖1所示，試件高度為150mm；

    （2）混凝土配合比參數(shù)：A、水灰比：0.5；B、砂率：40％；C、用水量：190kg/m³；

    （3）混凝土試塊養(yǎng)護(hù)3天后，拆模，置于陰涼處,使其表面沒(méi)有明水；

    （4）聚氨酯嵌縫:簡(jiǎn)單清理混凝土表面使其沒(méi)有異物，在混凝土縫（30mm±2mm）中灌入水溶性聚氨酯（如圖2），試件成型后置于室內(nèi)陰涼處養(yǎng)護(hù)14天。

 

    垂直力和水平力均采用液壓千斤頂加載，試驗(yàn)設(shè)備安裝如圖3所示，其中垂直荷載按要求分5級(jí)加載，均勻加到所需的垂直荷載大小。為了保證試驗(yàn)中荷載的穩(wěn)定,水平和垂直千斤頂與試件間分別安裝了鋼墊板,通過(guò)調(diào)整它的位置來(lái)對(duì)中。在試件右端面布置2個(gè)變形測(cè)點(diǎn)并安裝百分表,右端面變形值取前后兩個(gè)百分表的平均值。

 

    剪切荷載按最大荷載的10%等量分級(jí)施加,每加荷一次穩(wěn)定15分鐘,每級(jí)荷載施加前后測(cè)讀一次水平變形,當(dāng)所加剪切荷載引起的水平變形大于前一級(jí)變形的1.5倍以上時(shí), 每級(jí)荷載按5%施加。當(dāng)試件剪斷后,緩慢卸掉水平荷載，并觀測(cè)水平荷載退至零時(shí)的回彈變形值。

    在試件上部鋼墊板間設(shè)置了10根鋼滾軸，以消除當(dāng)水平荷載增大時(shí)造成垂直方向的應(yīng)力集中。此時(shí)，試件的抗剪荷載，除了混凝土與聚氨酯間的粘結(jié)力外，還要包括試件上部傳力鋼板與鋼滾軸之間的滾動(dòng)摩擦阻力，它隨著垂直壓力的增大而增大，因此需要測(cè)定滾動(dòng)摩擦阻力與垂直壓力之間的關(guān)系（如圖4示），即滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

 

    試驗(yàn)中，測(cè)得滾動(dòng)摩擦阻力與垂直壓力之間的關(guān)系。考慮到試驗(yàn)的離散性，采用二次擬合(如圖5示)，即兩者的關(guān)系為：

   

    式中： 為滾動(dòng)摩擦阻力，單位kN；N為垂直壓力，單位；kN

    從水平荷載中減去對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)摩擦阻力，即得到聚氨酯粘結(jié)混凝土的實(shí)際抗剪力。

    計(jì)算每塊試件的剪應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的變形值,整理得到每塊試件抗剪斷應(yīng)力、最大位移和回彈變形值（表1），繪制剪切試驗(yàn)τ_f～σ關(guān)系（圖6），并得出剪應(yīng)力與垂直應(yīng)力之間的關(guān)系式：

   

    式中: τ_f為剪應(yīng)力，單位MPa；σ為垂直應(yīng)力，單位MPa。

 

表1 剪切試驗(yàn)結(jié)果

試件 編號(hào)	垂直應(yīng)力 （MPa）	抗剪水平 應(yīng)力（MPa）	破壞極限水平 位移（mm）	試驗(yàn)最大 位移（mm）	殘余變形 （mm）
Ⅰ-1	0.095	0.126	6.19	7.21	3.45
Ⅱ-1		0.126	6.31	7.49	3.53
Ⅲ-1		0.126	6.13	7.24	3.45
Ⅰ-2	0.116	0.150	7.17	9.53	4.54
Ⅱ-2		0.143	7.03	11.43	5.41
Ⅲ-2		0.143	7.00	10.73	5.34
Ⅰ-3	0.137	0.155	7.30	9.26	4.25
Ⅱ-3		0.153	7.36	9.20	4.32
Ⅲ-3		0.153	7.37	8.79	4.30
Ⅰ-4	0.158	0.156	8.74	12.09	5.54
Ⅱ-4		0.163	8.81	10.32	4.88
Ⅲ-4		0.163	8.70	10.83	4.92
Ⅰ-5	0.185	0.196	9.10	9.88	5.75
Ⅱ-5		0.193	9.22	10.21	5.96
Ⅲ-5		0.193	9.21	10.28	6.00

 

    通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有以下現(xiàn)象：

    （1）在抗剪試驗(yàn)中，隨著垂直壓力的增大，抗剪強(qiáng)度也增大，并且水溶性聚氨酯達(dá)到破壞極限的水平位移也變大；當(dāng)聚氨酯達(dá)到破壞極限時(shí)，卸掉荷載，最大位移大的殘余變形同樣也大，說(shuō)明聚氨酯材料達(dá)到極限強(qiáng)度后，變形由彈性向非彈性轉(zhuǎn)變。

    （2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果看出，試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，說(shuō)明聚氨酯在常溫條件下性能穩(wěn)定。

    （3）從試件破壞面分析，基本可以分為三種類(lèi)型：

 

    A類(lèi)是試件達(dá)到破壞極限，剪切應(yīng)力不再增加，有Ⅱ-3、Ⅲ-3、Ⅰ-4、Ⅱ-4、Ⅲ-4、Ⅱ-5、Ⅲ-5，破壞面呈波浪狀，破壞后的試件完整，水溶性聚氨酯與混凝土粘結(jié)完好，如圖7（a），正如混凝土面板堆石壩的變形縫（周邊縫、垂直縫）等較大剪切變形；

 

    B類(lèi)是右端面上水溶性聚氨酯與混凝土粘結(jié)面破壞，出現(xiàn)翹皮、剝離現(xiàn)象，有Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-5，如圖7（b），這種破壞形式的試驗(yàn)強(qiáng)度值偏高，但水溶性聚氨酯達(dá)到破壞極限的水平位移變小，與新老建筑物不均勻沉降等引起的剪切變形類(lèi)似；

 

    C類(lèi)同樣是試件沿層面破壞，但破壞面不呈波浪狀，聚氨酯與混凝土粘結(jié)面出現(xiàn)一個(gè)皺紋，但水溶性聚氨酯與混凝土粘結(jié)完好，如圖7（c），這樣的破壞情況有Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1、Ⅱ-2、Ⅲ-2。

    （4）剪切應(yīng)力τ_f與位移 間的關(guān)系（見(jiàn)圖8），a為比例極限，b為屈服極限，c為破壞極限（峰值），基本為恒定值^[3]，并通過(guò)抗剪試驗(yàn)τ_f～ 的關(guān)系反應(yīng)了混凝土與水溶性聚氨酯粘結(jié)、膠接情況較好。

    面板堆石壩正逐漸向高壩和大型工程發(fā)展，為保障面板壩在各種運(yùn)行情況下的安全，水溶性聚氨酯嵌縫材料對(duì)接縫起封閉作用（見(jiàn)圖9示），主要針對(duì)面板堆石壩的不均勻變形，提高防水的可靠性。

 

    （1）水溶性聚氨酯在周邊縫中的應(yīng)用

    周邊縫是指趾板與面板間的接縫，由于面板與趾板分別位于碾壓堆石體和基巖上，即兩種變形模量截然不同的地基上，在水荷載作用下，其變形性質(zhì)不會(huì)相同，并使面板與趾板間產(chǎn)生明顯的相對(duì)位移。水溶性聚氨酯能很好地嵌于周邊縫中，并與混凝土或巖石很好地粘結(jié)在一起，因此，對(duì)提高周邊縫整體結(jié)構(gòu)的可靠性是必要的，見(jiàn)圖10所示。

 

    （2）水溶性聚氨酯在垂直縫中的應(yīng)用

    垂直縫根據(jù)其受力情況，可分為受拉垂直縫（A型縫）和受壓垂直縫（B型縫），見(jiàn)圖11示。受拉垂直縫指靠近岸邊附近的面板豎向接縫，水溶性聚氨酯能很好地與混凝土粘結(jié)。

    我國(guó)正處于大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和舊建筑物改造的建設(shè)高潮中，經(jīng)常遇到新老建筑物的不均勻沉降引起的剪切變形，將直接影響到建筑物整體性能的發(fā)揮。為保障建筑物在各種運(yùn)行情況下的安全，采用水溶性聚氨酯澆灌于新老建筑物的變形縫，既能起到接縫處止水效果，還能提高整體結(jié)構(gòu)的可靠性。

 

    （1）通過(guò)對(duì)水溶性聚氨酯在混凝土變形縫中的抗剪試驗(yàn)研究表明：水溶性聚氨酯材料在常溫條件下性能穩(wěn)定，并且具有較強(qiáng)的粘結(jié)性；

    （2）剪切試驗(yàn)τ_f～ 曲線(xiàn)真實(shí)反應(yīng)了水溶性聚氨酯粘結(jié)混凝土?xí)r的特性，有明顯的峰值和殘余變形；并得到混凝土變形縫中水溶性聚氨酯的σ～τ_f關(guān)系，為水溶性聚氨酯在面板堆石壩周邊縫、伸縮縫中的應(yīng)用，提供了參考依據(jù)；

    （3）混凝土界面粘結(jié)的好壞直接影響到工程質(zhì)量，而水溶性聚氨酯具有穩(wěn)定性和較強(qiáng)的粘結(jié)性，可以在結(jié)構(gòu)維護(hù)、改造和防水工程以及部分新建混凝土工程中使用；

    （4）水溶性聚氨酯對(duì)混凝土基面的干濕要求較油性聚氨酯寬松得多，只要混凝土基面上沒(méi)有明水，即可達(dá)到足夠地粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)便利。

 

[1] 李榮，孫曼靈等.聚氨酯防水材料與施工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 袁從華，周健，閔弘等.碾壓混凝土抗剪試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ)報(bào)，2005，19（5）：68-71.

[3] 陳峰，鄭建嵐.自密實(shí)混凝土與老混凝土粘結(jié)面的抗剪試驗(yàn)研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（4）：509-512.

 

 

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)