聚氨酯水泥复合材料力学性能试验研究

聚氨酯水泥复合材料力学性能试验研究
张继峰;庄柏舟;张可心
【摘要】聚氨酯(PU)是一种性能优良的高分子弹性材料,将其与水泥混合后形成的聚氨酯水泥复合材料(弹性混凝土),相比于传统混凝土建筑材料具有抗化学侵蚀、硬化迅速、轻质、高强的优点.文中以聚氨酯水泥复合材料为研究对象,通过立方体抗压、抗折试验,测试不同密度下的立方体强度,绘制聚氨酯水泥强度-密度之间的关系曲线,得到聚氨酯水泥抗压、抗折强度和密度之间的关系式.试验结果表明:聚氨酯水泥材料的抗压强度σc、抗折强度ft与密度γ拟合为二次方程关系;凝结硬化速度快,将其运用于桥梁加固工程中大大节约养护时间.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2016(038)007
【总页数】3页(P10-12)
【关键词】聚氨酯水泥;抗压强度;抗折强度;曲线;关系式
【作者】张继峰;庄柏舟;张可心
【作者单位】东北林业大学土木工程学院,哈尔滨150040;东北林业大学土木工程学院,哈尔滨150040;东北林业大学土木工程学院,哈尔滨150040
【正文语种】中文
【中图分类】TU599
水泥作为胶凝材料的代表，与骨料形成的混凝土结构具有良好的力学性能。

但是实际应用上，水泥依然有着不少缺陷：脆性大，自重大，易开裂，延伸率低，耐久性
差，耐腐蚀性弱等[1]。

聚氨酯(PU)是一种性能优良的高分子弹性材料，它的组成主要是以异氰酸酯和扩
链剂为硬段，以低聚多元醇为软段，形成一种嵌段化合物[2]。

聚氨酯弹性体具有
许多优异的性能，如耐磨、综合力学强度好等，还可通过选择不同原料、改变软硬段相对含量等办法自由地设计各种软硬的具有各种不同物理性能的材料，因此，PU应用领域十分广泛。

目前，在建筑工程上应用主要是用作装饰油漆、防腐涂料、耐磨涂料等；还有以树脂砂浆的形式用作处理混凝土活动缝、伸缩缝，是耐磨损、耐化学药品浸蚀、耐盐雾性很好的弹性密封止水材料。

然而，却未见有将其用于改性水泥基材料的报道[3]。

将聚氨酯与水泥混合后形成的聚氨酯水泥复合材料(弹性混凝土)，相比于传统建筑材料具有抗化学侵蚀、硬化迅速、轻质、高强的优点。

目前，聚氨酯胶凝材料的力学性能开始引起人们的对聚氨酯类加固材料力学性能的探索。

Haleem等通过对聚氨酯粉煤灰立方体试件压缩试验得出了加载过程材料线弹性和非线性的应力-应变关系[4]。

将聚氨酯粉煤灰运用于加固T梁试验中，提高了试验梁的承载能力并减小了裂缝宽度[5]。

文中以聚氨酯水泥复合材料为研究对象，对不同密度下的聚氨酯水泥复合材料的抗压强度和抗折强度进行试验研究，对聚氨酯水泥抗压强度、抗折强度与密度之间的规律进行分析。

1.1 试验原材料
本试验采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，水泥成分见表1；聚氨酯主要由
聚酯多元醇和多异氰酸酯组成，起到胶结、填充水泥颗粒的作用，聚氨酯成分见表2；消泡剂技术参数见表3。

1.2 配合比设计
将聚氨酯原料和水泥两种材料作为主要原料，再按质量分数的3‰加入消泡剂。

为使聚氨酯水泥获得不同密度，混合料中加入不同比例的水泥，进行不同的配合比设计。

试验设计四种不同的配合比，见表4。

1.3 试件制备
将水泥在100℃～110℃温度下烘干24h，与聚氨酯原材料、消泡剂混合后机械拌合3～5min，入模制成70mm×70mm×70mm的立方体试件和
100mm×100mm×400mm长方体试块。

待试件硬化后脱模，在常温下养护28d。

1.4 内容及方法
1.4.1 抗压试验
由于聚氨酯水泥复合材料属于新型材料，没有现行规范供其使用，因此采用JTG
E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行实验研究[5]。

参考规程中水泥混凝土立方体抗压强度试验方法，在万能试验机上进行抗压试验。

按照规程，试验过程中首先应将试件中心与压力机几何对中，然后确定试验加载速度，准备完毕后，开始加载；当聚氨酯水泥材料试件接近破坏而开始迅速变形时，不再调整试验机；当聚氨酯水泥试件确定破坏时，记下破坏极限荷载F。

试验完成后，对试验数据进行统计处理，聚氨酯水泥试件抗压强度按下式计算：
式中，σc为聚氨酯水泥材料抗压强度，MPa；F为极限荷载，N；A为受压面积，mm2。

1.4.2 抗折试验
按照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行抗折实验研究，试件抗折强度按下式计算：
式中，ft为聚氨酯水泥材料抗折强度，MPa； F为极限荷载，N；l为支点之间的
间距，mm； b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm。

将聚氨酯水泥材料抗压强度压缩试验结果按(1)式换算成材料抗压强度后，经过数
理统计分析，可得到聚氨酯水泥材料的抗压强度与其密度成一定量的关系，具体实
验数据见表5，近似函数图象如图1所示，通过试验数据可知，聚氨酯水泥材料密度为400kg/m3时候的抗压强度为4.4～8.1MPa，而密度为1500kg/m3时的抗压强度为65.9～75.2MPa，随着密度增大抗压强度逐渐增大。

将数据进行统计回归，提出的聚氨酯水泥复合材料抗压强度和密度之间的关系如式(2)所示。

σc=27.17γ2+7.163γ-1.987
式中，σc为抗压强度，MPa；γ为材料密度，t/m3。

将聚氨酯水泥材料抗折强度试验结果按(2)式换算成材料抗折强度后，经过数理统计分析，可得到聚氨酯水泥材料的抗折强度与其密度成一定量的关系，具体实验数据见表6，近似函数图象如图2所示。

通过试验数据可知，聚氨酯水泥材料密度为400kg/m3时候的抗折强度为1.3～3.9MPa，而密度为1500kg/m3时的抗折强度为45.6～52.4Mpa，随着密度增大抗折强度逐渐增大。

通过材料抗折实验得到聚氨酯水泥复合材料的抗折强度-材料密度之间的关系如下式所示。

fbt=19.23γ2+5.627γ-3.550
式中，fbt为抗折强度，MPa；γ为材料密度，t/m3
(1) 聚氨酯水泥材料的抗压强度σc随其密度γ的增加而增加，且之间为二次方程关系。

(2) 聚氨酯水泥材料的抗折强度fbt随其密度γ的增加而增加，且之间为二次方程关系。

(3) 聚氨酯水泥材料各配比中，水含量越少，气孔封闭性越好，膨胀率越小，密实度增大，抗压和抗折力学指标越好。

(4) 凝结硬化速度快，将其运用于桥梁加固工程可极大限度的减少交通中断。

【相关文献】
[1] 杨志强,王东. 聚合物对混凝土结构和性能影响的研究[J]．混凝土与水泥制品,1995,(1):11-13．
[2] 李永学. 聚氨酯水泥复合材料在桥梁结构抗震加固工程中的应用研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工
业大学,2011．
[3] 吴燕华. 聚氨酯水泥砂浆性能研究[D]．南京：河海大学,2006．
[4] Haleem K. Hussain,Gui WeiLiu,Yu WenYong. Experimental study to investigate mechanical properties of new material polyurethane-cement composite[J]． Construction and Building Materials,2014,50．
[5] Haleem K. Hussain,Lian Zhen Zhang,Gui Wei Liu. An experimental study on strengthening reinforced concrete T-beams using new material poly-urethane-
cement[J]． Construction and Building Materials,2013,40．
[6] JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S]．。