雷建华 ，徐斌，何旭辉

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中铁开发投资集团有限公司，云南 昆明 650118；3. 宁波路宝科技实业集团有限公司，浙江 宁波 315800)

近年来，我国交通运输行业迅速发展，各类新结构、大跨度的桥梁不断涌现。对于桥面铺装材料，目前既有桥梁主要采用沥青混凝土，但在长期使用和运营过程中，其面层常出现开裂、车辙、冻胀翻浆和沉陷等病害，经常未到设计使用年限便需要进行局部或大面积翻修[1]。聚合物混凝土作为一种新材料，具有耐磨抗开裂、防腐防水防渗透及层间黏附性强等优点[2]，目前被陆续应用于桥梁铺装工程中。对于聚合物混凝土的研究，国外早在上个世纪70年代，URETEK公司(芬兰)便开始研制应用于路面的聚氨酯混凝土，并陆续在多个国家申请发明专利[3]。2001年，美国将URETEK公司的聚氨酯混凝土应用于实际工程，验证了聚氨酯混凝土用于路面养护的可行性[4]。HUSSAIN等[5]对聚氨酯水泥材料进行了研究，通过材料力学性能试验，验证了此材料具有较好的力学性能，并将其应用于钢筋混凝土梁的加固，通过抗弯试验，证明经过聚氨酯水泥材料加固后梁的抗弯承载力优于同尺寸的普通混凝土梁。21世纪初，我国开始对聚氨酯材料进行深入研究，并陆续将该材料应用到土木工程中[6-8]。近年来，聚氨酯混凝土被逐渐应用到桥梁铺装工程中，宁波路宝公司研发了ECO(Ecology Conservation Optimization)改性聚氨酯混凝土(以下简称ECO混凝土)，具有较好的耐久性、与钢材的强黏结性、早强性、低温工作性等，目前已应用于我国多个桥梁工程项目[9-12]。徐世法等[13]研发了一种贯入阻力测试系统，通过贯入力量化固化程度，以确定工程现场聚氨酯混凝土的压实时机。焦鼎[3]通过混凝土力学试验，测定了聚氨酯纤维增强混凝土的抗压强度与抗折强度。从以往的研究可以看出，聚氨酯混凝土具有较好的力学性能，其应用范围广泛，可以作为结构加固材料，也可做路面、桥面铺装材料，且在工程中已经得到了越来越多的应用。对于传统混凝土的本构关系，国内外学者已有了较深的认识。随着国家可持续发展的需求，多种新型混凝土问世，一些学者对这些新型混凝土的本构关系进行了深入研究[14-19]，也有一些学者对高温影响下的新型混凝土本构关系进行了研究[20-22]。但关于聚氨酯混凝土本构关系的研究却相对较少，在此基础上进一步考虑温度影响的研究更少。因此，建立准确的ECO混凝土的本构关系对其未来更加广泛的工程应用具有重要的理论意义。本文开展ECO混凝土的标准试件在不同温度下的单轴受压实验，分析轴心受压ECO混凝土试件的弹性模量、抗压强度、峰值应变以及应力-应变关系曲线随温度的变化规律，并据此建立其单轴受压的本构模型，以期为聚氨酯混凝土的工程设计与应用提供理论依据。

1 材料及试件概况

1.1 试验材料及配比参数

ECO混凝土试验所用原材料如下：1) 集料：包括按最大密度曲线混合而成的粗骨料和细骨料，根据测试标准，含水率少于3%，如图1和图2所示。粗骨料为连续级配的天然砾石与机制砂，该骨料粒径约5～10 mm，颗粒整体圆润扁平，针片状颗粒含量少于8%，细度模数约为3.4，表观密度约为2 660 kg/m3；细骨料为连续集配的天然河沙，细度模数约为2.5，表观密度约为2 580 kg/m3。2) 改性聚氨酯结合料：由异氰酸酯、多元醇、甲基乙二醇胺、异丁酸锌等多组热固性高分子材料按比例混合而成。3) 助剂：包括甲苯二异氰酸脂、乙酸乙酯等添加剂。试件由课题合作单位宁波路宝实业集团有限公司提供。具体材料配合比骨料级配见表1和表2所示。

表1 ECO改性聚氨酯混凝土配合比Table 1 Mix proportion of ECO modified polyurethane concrete

表2 骨料级配Table 2 Classification of aggregate based on particle sizes

图1 粗骨料Fig. 1 Coarse aggregate

图2 细骨料Fig. 2 Fine aggregate

1.2 试件制备与养护

ECO混凝土采用混凝土搅拌机进行拌制，首先将粗细骨料进行筛分称重，按照配比参数将骨料、改性聚氨酯结合料和助剂等添加剂投入搅拌机中搅拌。搅拌完成后将混合料装入立方体与棱柱体模具，在混凝土振动台上振动成型，用刮刀去除多余混合料并平整表面，将试件常温静置3 h后拆模，编号后常温养护28 d。试件如图3所示。

图3 试验试件Fig. 3 Experiment specimens

试件成型后，检查材料混合是否均匀，从该批全部试件中随机抽取2～3个试件进行截面水切割，均沿试件150 mm×150 mm截面将试件切割为厚度约5～8 mm的ECO混凝土薄片，观察骨料与改性聚氨酯结合料的结合情况，切割截面图如图4所示。由图4可知，粗细骨料与改性聚氨酯结合料混合效果良好，材料之间混合均匀，无粗细骨料聚集现象，无蜂窝孔洞，存在极少量的气泡孔。

图4 试验试件断面图Fig. 4 Section of experiment specimen

2 试验概况

2.1 试验准备

试验考虑温度对ECO混凝土力学性能的影响，分别在0 ℃，15 ℃，40 ℃和60 ℃ 4组试验温度条件下进行立方体抗压试验与棱柱体轴心抗压试验，每组温度条件准备6个试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件和尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件各3个。其中，0 ℃时，试件不考虑湿度的影响；15 ℃，40℃与60 ℃时，试件试验的相对湿度为70%。每组试件均在规定试验条件下恒温恒湿6 h后进行加载，取出试件后单个试件的试验加载时间小于3 min。其中，温度与湿度的控制采用恒温恒湿箱对试件进行加热、降温与加湿处理，恒温恒湿箱量程为-40 ℃至150 ℃，如图5所示。

图5 恒温恒湿箱Fig. 5 Constant temperature box

2.2 加载方式与应变片布置

为开展ECO混凝土立方体抗压试验与轴心抗压试验，采用2 000 kN伺服试验机加载，试验方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》[23]，加载速度为0.6～0.8 MPa/s，速度加载方式采用力控加载，试验机如图6所示。加载时，在试件上下各放置一块50 cm×50 cm×2 cm经过调质处理后的钢板，在使荷载均匀传递同时增加试验机刚度。在正视面粘结3个垂直方向的应变片(10 cm电阻式应变片)，具体加载及应变片布置图如图7所示。立方体试件利用伺服试验机机身配备的力与位移传感器测量其荷载-位移曲线数据。试验时，先进行预压以保证立方体和棱柱体试件的物理对中和受压时的稳定性。

图6 伺服试验机Fig. 6 Servo testing machine

图7 加载及应变片布置图Fig. 7 Loading and strain gauge layout

3 试验过程及结果分析

3.1 ECO混凝土弹性模量

利用应变片数据对试验荷载-位移曲线修正后，得到ECO混凝土不同温度下的应力与应变数据。ECO混凝土试件初始弹性模量取自棱柱体试件受压应力-应变全曲线上升段应力为0.5 MPa到应力为0.3倍极限强度(fc)对应点的割线模量，图8为ECO混凝土试件弹性模量在不同温度下的取值。从图中可以看出，随着温度的降低，ECO混凝土的弹性模量在不断提高。其中，60 ℃试验条件下测得的ECO混凝土初始弹性模量为2.41 GPa，当试验温度分别为 40 ℃，15 ℃和0 ℃时，弹性模量分别增加了131.9%，247.7%和447.7%。这说明ECO混凝土结合料虽为热固性材料但高温状态仍存在软化现象，与常温和低温相比承受同等载荷后变形增大从而弹性模量降低。

图8 ECO混凝土弹性模量Fig. 8 Elastic modulus of ECO concrete

通过对不同温度下弹性模量试验结果的拟合，得到ECO混凝土弹性模量随温度的变化规律，表达式如下：

式中：E0T和E0T0分别为ECO混凝土在温度T和温度T0下的弹性模量。其中，T为试件所处环境温度，T0常温取值15 ℃，以下相同；其相关系数R2为0.975。

3.2 ECO混凝土抗压强度

图9所示为不同试验温度下ECO混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度，由图可知，随温度的降低，ECO混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度均明显提高。这与弹性模量随温度的变化趋势基本一致。60 ℃时立方体试件抗压强度为26.19 MPa，棱柱体试件轴心抗压强度为20.91MPa，仍能满足桥面铺装对铺装材料的强度要求。当试验温度分别为40 ℃，15 ℃和0 ℃时立方体抗压强度分别提高了64.1%，174.6%和204.0%，轴心抗压强度分别提高了88.9%，181.5%和293.1%。二者相比轴心抗压强度的提高幅度相近，可见温度的改变也较大程度地影响了ECO混凝土抗压强度。高分子材料的化学组成会对其力学性能产生深远影响。从材料化学组成上分析，聚氨酯混凝土能在常温状态具备硬度高和柔韧性强的特点，主要是源于聚氨酯在分子结构(分子链)上含有氨基甲酸酯。温度会影响聚氨酯材料分子链的活跃程度，进而使材料在宏观强度上产生了差异[9]。在结构层面，聚氨酯受热膨胀的同时刚度会有所降低表现出塑性特征，受压后相比常温会出现更大的变形，导致骨料与结合料不易协调变形，影响二者界面黏结出现相对滑移，最终影响材料强度。

图9 ECO混凝土试件抗压强度Fig. 9 Compressive strength of ECO concrete specimens

通过对不同温度下轴心抗压强度试验结果的拟合，得到ECO混凝土轴心抗压强度随温度的变化规律，具体拟合公式如下：

式中：fcT和fcT0分别为ECO混凝土在温度T和温度T0下的轴心抗压强度；其相关系数R2为0.991。

3.3 ECO混凝土峰值应变

图10所示为棱柱体试件在温度0 ℃，15 ℃，40 ℃和60 ℃试验下得到的应力-应变全曲线。由图可知，随温度降低，ECO混凝土试件的峰值应变不断减少。60 ℃试验环境下测得的ECO混凝土的峰值应变为12.73×103με，当试验温度分别为40 ℃，15 ℃和0 ℃时峰值应变分别减少19.5%，31.2%和38.2%。由图可知，温度越低，应力-应变全曲线的软化段越短，极限强度过后曲线下降段更陡，脆性破坏越显著。此外，当试验温度过低时，ECO混凝土材料的脆性增强，试件破坏时塑性段吸能效果减弱；当温度过高时，ECO混凝土峰值应变和极限形变在快速增大同时，极限强度和初始弹性模量大幅降低，使得曲线与横轴所包围面积减少。因此，从0 ℃试验温度开始，随着温度提高，ECO混凝土的应力-应变全曲线与横轴所围成的面积先增加后减少，说明该材料的韧性及完全破坏所吸收的能量并非随着温度呈线性变化。

图10 单轴受压ECO混凝土应力-应变全曲线Fig. 10 Complete stress-strain curves of ECO concrete under uniaxial compression

对试验结果中ECO混凝土不同试验温度下峰值应变进行拟合，得到如下表达式：

式中：εT和εT0分别为ECO混凝土在温度T和温度T0下的峰值应变，其相关系数R2为0.994。

3.4 ECO混凝土受压破坏过程

3.4.1 立方体受压破坏

ECO混凝土立方体试件在不同的试验温度下，几组试件加载后荷载-位移曲线的发展特征大致相同。加载初期，当所加荷载达到约试件极限承载力(Fcu)的1/10时，试件的荷载-位移曲线开始呈线性快速上升；当施加荷载达到约0.6Fcu时，荷载-位移曲线逐渐开始呈非线性增长，此时试块表面仍无明显变化；当达到0.8Fcu时，试件中部出现轻微的外凸现象并伴有“嘶嘶”的响声。

随着加载的继续立方体试件的中部开始出现异于试件颜色的淡白色网状条纹，意味着试件内部已经出现裂缝，随后中部条纹发展出与试件竖向边缘呈30°角的斜向条纹并迅速向试件的顶角延伸。随后在试件中部的网状条纹进一步扩展，此时中部向外受压膨胀已十分明显，但试块表面并未出现明显裂缝。当临近极限荷载时试块表面条纹数量继续增加，已有的白色条纹由细变粗，其中一部分条纹在达到极限荷载时直接发展形成裂缝，裂缝形成后瞬间沿加载方向上下贯通，此时荷载迅速下降。除已经发展形成为裂缝的白色条纹外，少数条纹随着荷载降低而消失，大多数则保留在试件表面。

其中，0 ℃实验温度下破坏最为剧烈，其破坏形式与普通硅酸盐混凝土立方体受压破坏形式相似，试件侧面出现大面积混凝土脱落，破化后的试件主体呈锥形。而其他3组试验温度条件下，破坏时试件的承压面边缘有局部压碎现象，试件侧面的主裂缝呈锥形分布，表面有少量聚氨酯混凝土碎渣脱落，破坏后的立方体试件并未沿裂缝彻底散开，试件的整体轮廓依旧完整。随着试验温度不断提高，试件在破坏时发出的响声逐渐变小，试件表面脱落和射出的碎渣数量也明显减少。立方体ECO混凝土试件破坏形态如图11所示。

图11 立方体试件受压破坏形态Fig. 11 Compressive failure mode of cube specimens

3.4.2 轴心受压破坏

轴心抗压试验在加载初期，与立方体试件变化过程相似。随着荷载的不断增大，试件表面快速出现网状条纹。到加载后期接近极限荷载时，试件发出摩擦的声音，此时网状条纹已经发展为肉眼可见的纵向微裂缝并沿表面对角线不断扩大延伸形成清晰可见的裂缝带。

在0 ℃试验温度下，试件破坏十分剧烈，破坏时试件发出“砰”的剧烈响声，出现1～3条斜向或纵向主裂缝，试件表面有大面积混凝土碎块脱落现象；15 ℃试验温度下试件破坏时响声依旧，但破坏的剧烈程度有所降低，试件被一条沿对角线方向的主裂缝贯穿而形成临界剪面，发生了典型的剪切滑移破坏[24]；随着温度的提高，试件破坏时的声响与主裂缝的形态表征越不明显；40 ℃与60 ℃试验环境下试件破坏时，其对角线分布有肉眼可见的微裂缝但未出现明显的贯通裂缝，试件表面与边角有少量聚氨酯混凝土剥离现象。破坏后的试件中部截面明显大于加载端部截面，存在显著的受压膨胀现象。试件的破坏状态与应力-应变曲线相吻合，ECO混凝土轴心受压试件的破坏形态如图12所示。

图12 棱柱体试件受压破坏形态Fig. 12 Compression failure mode of prism specimens

4 ECO混凝土单轴受压本构模型

目前，用于拟合混凝土本构关系的数学模型主要研究的是基于普通硅酸盐水泥为骨料结合料的混凝土，而针对结合料采用类似改性聚氨酯这类高分子材料的混凝土本构关系研究相对不足，特别是考虑该型混凝土在不同温度下受压本构关系的研究更是匮乏。因此，本文基于混凝土结构设计规范中的本构模型[25]，考虑温度对ECO混凝土应力-应变全曲线的影响，提出适用于ECO混凝土的本构模型。全曲线计算公式如下：

式中：σ和ε分别为ECO混凝土的应力和应变；fc和εc分别为ECO混凝土单轴抗压极限强度和极限强度对应的应变值。α为ECO混凝土单轴受压应力-应变曲线的上升段形状参数；β为ECO混凝土单轴受压应力-应变曲线的下降段形状参数。

式(6)中仅有α与β未知，本文为描述温度对ECO混凝土材料本构模型的影响，将温度引入到模型的形状参数中。在单一试验温度下，对ECO混凝土试件的受压应力-应变曲线进行归一化处理，通过曲线拟合计算试件在该温度下的形状参数。在不同温度下得到上升段参数α取值范围为2≤α≤5，下降段参数β取值范围为1≤β≤5，再通过回归分析得到形状参数随温度变化的表达式，具体公式如下：

式中：T为试验温度，℃；T0为常温温度；R2为相关系数。

其中α具有明确的物理意义，该值与材料初始弹性模型和应力-应变曲线峰值点割线模量比值有关，将式(4)和式(6)上升段曲线分别进行1阶求导，如下式所示：

式中：Ec为初始弹性模量；Ep为峰值割线模量。

由式(8)可知，参数α越大，曲线初始弹模和峰值割线模量越接近，由此反映曲线上升段的发展趋势，同理参数β可以反映软化段的下降趋势。由式(7)的拟合结果和图10可知，聚氨酯混凝土形状参数α和β随着温度的增加呈先降低后增加的趋势，而高温时增加的幅度并不明显，总体呈下降趋势。由于低温时，聚氨酯分子链的运动被抑制，材料宏观表现为弹性模量和强度增加，变形能力降低，试件处于高弹性的状态，应力-应变曲线的上升段斜率较大，线性段较长且软化段不明显，到达峰值点后试件迅速破坏使得曲线陡降。反之，高温时材料的变形能力增加，塑性特征明显增强，加载时曲线发展缓慢，到达峰值点后曲线下降平缓。

将式(2)和式(3)计算所得到的fc和εc及式(7)得到的α与β代入式(6)，整理后得到不同温度下ECO混凝土单轴受压应力-应变全曲线。将计算得到的ECO混凝土单轴受压应力-应变全曲线与实验所得全曲线进行对比，如图13所示。由图可知，本文建立的ECO混凝土本构模型能够较好地反映该试件在单轴受压状态下应力与应变发展的全过程，与试验得到弹性模量、极限强度和峰值应变的结果吻合良好。

5 结论

1) ECO混凝土试件的极限强度和弹性模量随着温度的升高而降低，峰值应变和极限应变随着温度的升高而增加，不同温度下ECO混凝土的各项力学性能指标符合铺装材料的要求。此外，揭示了ECO混凝土弹性模量、轴心抗压强度和峰值应变随温度变化的影响规律与机理。

2) ECO混凝土的破坏状态受温度的影响明显。随着温度的提高，试件由低温的脆性破坏向高温的塑性破坏转变。高温作用下，试件破坏时的裂缝宽度更小，裂缝扩展速度更缓慢，破坏后试件具有良好的完整性。

3) 建立了温度影响下ECO改性聚氨酯混凝土材料的单轴受压本构模型，将温度引入到模型上升段和下降段的形状参数中，揭示了形状参数随温度的变化规律。模型计算结果与试验结果吻合良好，可为聚氨酯混凝土的结构设计和数值模拟提供理论依据。