发泡聚氨酯水泥在桥墩防撞中的应用

张利勇吴长震王天良顾子丰李春玮张建民

摘要：聚氨酯水泥作为一种聚合物混凝土材料，具有质量轻、高强度、高韧性的特点，且有良好的粘结性和耐腐蚀性。本文从聚氨酯水泥的材性入手，通过试验研究确定其物理力学性能，主要包括材料的密度、抗拉强度以及材料抗拉应力-应变关系曲线。

关键词：聚氨酯；水泥复合材料；物理力学性能

聚氨酯是聚氨基甲酸酯（polyurethane）的简称，一般定义为在高分子主链上含有重复的聚氨基甲酸酯键结构单元-[-NH-CO-O-]-的高分子化合物称为聚氨酯。聚氨酯是一种性能优良的聚合物，主要由异氰酸酯和聚醚多元醇聚合而成。

聚氨酯按使用情况可以分为单组份，双组分，三组分，多组分。单组份使用时不用添加固化剂，曝露在空气中直接发生反应，反应不好控制。双组分主要以黑料、白料形式存在，混合搅拌后迅速反应。三组分需要三种料混合后才发生反应。一般工程上，三组分一般需要进料机拥有三个进料口，多数为了方便采用两组分的概况居多，多组分的聚氨酯工程应用较少。

聚氨酯水泥属于聚合物混凝土材料，国内部分科研院校对聚合物混凝土加固已展开相关研究，交通管理部门已利用聚合物混凝土法在部分实际旧桥加固中进行了应用。聚氨酯水泥是将水泥加入聚氨酯乳液拌合均匀而成，形成的聚氨酯水泥具有凝结速度快，早期强度高等特点，可用于混凝土的快速修补，是一种新型的高强度、高韧性的有机-无机复合材料。

1试验材料

本文进行试验研究的聚氨酯水泥是采用双组分聚氨酯。

黑料采用聚MDI（聚异氰酸酯），大分子，增大结构整体性、柔韧性。小分子的黑料所做的聚氨酯易碎、脆性大。

本试验所采用的黑料由山东烟台万华化学集团股份有限公司生产，型号为WANNATE?PM-200，为含有一定量较高官能度的异氰酸酯与二苯基甲烷-4，4-二异氰酸酯的混合物，常温下为棕色液体，随温度升高稠度降低。具体参数详见下表。

WANNATE?PM-200物质组成

水泥作为聚氨酯的填料，需要烘干，以避免其中的水与异氰酸酯基反应生成聚脲，并产生二氧化碳，使聚氨酯水泥发泡。

本试验水泥采用42.5R普通硅酸水泥，由亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产。试验前，将水泥放进炒炉中火炒制3小时，之后密封保存，冷却备用。

2聚氨酯水泥复合材料物理力学性能试验

2.1密度

本次试验所用聚氨酯水泥按照白料:黑料:普通硅酸盐水泥=1:1:2:0.02和1:1:3:0.02进行配制，分A、B、C、D四组配置（A、B一样，采用1:1:2，C、D一样，采用1:1:3），每组配制3个试件。拌合完毕浇筑立方体试件，试件尺寸为70mm×70mm×70mm，待其强度形成之后脱模，抽取A、B、C、D组试件各一件进行材料的密度测度，密度测定参见下表。

密度测度基本参数

由上表可知，聚氨酯水泥复合材料的密度一般在1.48~1.65g/cm3之间，与水泥占比有关，一定范围内，水泥所占总比重越多，聚氨酯水泥的密度越大。由此也说明了聚氨酯水泥具有质量轻的优点，以此作为结构加固材料，可以大大减轻了加固材料本身对结构产生的重力。

2.2抗拉强度及其抗拉应力-应变关系曲线

本试验的试件为哑铃型薄片试件，试件厚度为10mm，中间宽度为25mm，两侧宽度为40mm。在小量程试验机上进行拉伸试验，加载速度为50N/s。在试件中间位置粘贴电阻应变片，沿着拉伸方向两面对称粘贴，测量拉伸过程中的应变变化，采用动态应变采集仪进行数据采集。共制作六个试件（1:1:2配比制作3个，编号ZL01-ZL03，1:1:3配比制作3个，编号ZL04-ZL06），试件尺寸如下图，试验应力—应变曲线如下图，试件结果见下表。

由实测数据可知，两种配比下，聚氨酯水泥的抗拉强度相差不大，其平均值为31.0MPa。由实测的应力-应变关系曲线可计算出材料的抗拉弹性模量为4200-5700MPa。

3结论

本文通过对聚氨酯水泥的物理力学性能研究，确定聚氨酯水泥材料的密度以及其抗拉性能，研究表明聚氨酯水泥密度一般在1.48~1.65g/cm3之间，抗拉强度约为31.0MPa，抗拉弹性模量为4200-5700MPa。

聚氨酯水泥具有质量轻、高强度、高韧性的特点，同时聚氨酯水泥还具有凝结速度快、早期强度高、粘结强度大等优点。由此可见，聚氨酯水泥在既有建筑结构、桥梁结构的快速修补领域具有很大的应用前景。

参考文献：

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