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摘要：通過試驗研究，探討了混凝土變形縫中水溶性聚氨酯材料的抗剪能力，得到垂直應力與剪應力之間的關系，并對試件破壞形態進行分析，為面板堆石壩的變形縫（周邊縫、伸縮縫）、新老建筑物不均勻沉降等引起的剪切變形提供了參考依據。...

混凝土變形縫中PU材料的抗剪性能試驗研究

夏勇，張浩博，焦凱

（西安理工大學，西安 710048）

Experimental Studies on the shear behavior of the PU material

in the concrete’s slot

ZHANG Hao-Bo,Xia Yong,Jiao Kai

(Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

1、概述

在結構維護、改造和加固工程以及混凝土面板堆石壩工程中，經常涉及到混凝土界面的防水與粘結問題，而混凝土界面粘結的好壞直接影響到工程質量。通常情況下的界面粘結強度低，很少達到本體的相應強度，且混凝土界面粘結材料和處理方法多種多樣，粘結效果差異較大，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心的問題。其中，水溶性聚氨酯（water-soluble polyurethane）是一種適于潮濕基底的粘結與止水材料，它可用作新老建筑物變形縫的界面處理劑，或者作為修補材料、防水材料應用于路橋工程以及面板堆石壩中。

本試驗以研究水溶性聚氨酯嵌于混凝土變形縫的抗剪試驗為基礎，得出垂直應力與剪應力之間的關系，根據試件破壞形態進行分析，并聯系工程實際，為水溶性聚氨酯的合理的使用提供資料和科學依據。

2、試驗設計

2.1原材料

（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，連續級配；河砂，細度模數µ_f=2.7，級配良好；

（3）聚氨酯：LD-99彈性聚氨酯嵌縫材料，滿足標準要求JC/T864-2000；

（4）固化劑：固化劑主要成分是能夠與-NCO反應的聚醚或帶有結晶水的無機化合物，本試驗中水溶性聚氨酯預聚體與固化劑的比例是3：1（按體積比）。

2.2試驗設備

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

2.3試件制備

（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：A、水灰比：0.5；B、砂率：40％；C、用水量：190kg/m³；

（3）混凝土試塊養護3天后，拆模，置于陰涼處,使其表面沒有明水；

（4）聚氨酯嵌縫:簡單清理混凝土表面使其沒有異物，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陰涼處養護14天。

3、試驗過程

垂直力和水平力均采用液壓千斤頂加載，試驗設備安裝如圖3所示，其中垂直荷載按要求分5級加載，均勻加到所需的垂直荷載大小。為了保證試驗中荷載的穩定,水平和垂直千斤頂與試件間分別安裝了鋼墊板,通過調整它的位置來對中。在試件右端面布置2個變形測點并安裝百分表,右端面變形值取前后兩個百分表的平均值。

剪切荷載按最大荷載的10%等量分級施加,每加荷一次穩定15分鐘,每級荷載施加前后測讀一次水平變形,當所加剪切荷載引起的水平變形大于前一級變形的1.5倍以上時, 每級荷載按5%施加。當試件剪斷后,緩慢卸掉水平荷載，并觀測水平荷載退至零時的回彈變形值。

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

4、試驗結果及分析

試驗中，測得滾動摩擦阻力與垂直壓力之間的關系。考慮到試驗的離散性，采用二次擬合(如圖5示)，即兩者的關系為：

式中：

為滾動摩擦阻力，單位kN；N為垂直壓力，單位kN；

從水平荷載中減去對應的滾動摩擦阻力，即得到聚氨酯粘結混凝土的實際抗剪力。

計算每塊試件的剪應力與對應的變形值,整理得到每塊試件抗剪斷應力、最大位移和回彈變形值（表1），繪制剪切試驗τ_f～σ關系（圖6），并得出剪應力與垂直應力之間的關系式：

式中: τ_f為剪應力，單位MPa；σ為垂直應力，單位MPa。

表1 剪切試驗結果

試件編號	垂直應力（MPa）	抗剪水平應力（MPa）	破壞極限水平位移（mm）	試驗最大位移（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

通過試驗發現有以下現象：

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

（2）根據試驗結果看出，試驗結果離散性較小，說明聚氨酯在常溫條件下性能穩定。

（3）從試件破壞面分析^[2]，基本可以分為三種類型：

A類是試件達到破壞極限，剪切應力不再增加，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類是右端面上水溶性聚氨酯與混凝土粘結面破壞，出現翹皮、剝離現象，有Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-5，如圖7（b），這種破壞形式的試驗強度值偏高，但水溶性聚氨酯達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似；

C類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面出現一個皺紋，但水溶性聚氨酯與混凝土粘結完好，如圖7（c），這樣的破壞情況有Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1、Ⅱ-2、Ⅲ-2。

（4）剪切應力τ_f與位移

間的關系（見圖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，并通過抗剪試驗τ_f～

的關系反應了混凝土與水溶性聚氨酯粘結、膠接情況較好。

5、水溶性聚氨酯的應用

5.1水溶性聚氨酯在面板堆石壩中的應用

面板堆石壩正逐漸向高壩和大型工程發展，為保障面板壩在各種運行情況下的安全，水溶性聚氨酯嵌縫材料對接縫起封閉作用（見圖9示），主要針對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，其變形性質不會相同，并使面板與趾板間產生明顯的相對位移。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在一起，因此，對提高周邊縫整體結構的可靠性是必要的，見圖10所示。

（2）水溶性聚氨酯在垂直縫中的應用

垂直縫根據其受力情況，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。