单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对混凝土裂缝的修复性能研究

黄云波，干林伟，陈海发，罗庆章

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004）

0 引 言

在当下，建筑空间功能越来越多样化，因此在一座城市中随处可见各种功能的建筑。建筑材料有很多种，其中混凝土是最常见的。与其他材料相比，混凝土硬度高、耐久、抗震、使用方便，更为重要的是价格低廉[1]。然而，混凝土的抗拉强度相对低，很容易出现裂缝问题。几乎所有的混凝土工程都或多或少存在一些裂缝，有的裂缝只存在混凝土表面，对整个工程结构并不会造成很大的影响，但是有的裂缝具有结构影响，若是不进行及时处理，任其发展到一定程度，不仅会影响外观，还会使得该工程结构的承载力大大降低，影响整个工程的稳定性和安全性[2]。另外，一旦周围环境潮湿，很容易发生腐蚀，缩短其使用寿命，降低其结构的耐久性。

针对上述情况，对混凝土裂缝进行及时修复是十分必要的。目前，关于混凝土裂缝的修复问题，谢开仲，何俊泓[3]基于H-113 和PA 制备了一种高性能裂缝修复胶，然后对不同因素影响下的修复胶各种性能进行了对比分析，为混凝土裂缝的修复工作提供了重要的参考和建议。范月东[4]等人在其研究中利用微生物矿化的方法对混凝土裂缝进行了修复，该研究中首先培养了微生物，然后以此为基础，进行混菌矿化增强再生骨料，最后将其应用在混凝土修复当中并对其修复性能进行了测试，证明该方法的修复效果。易丹、杨国军[5]在其研究中利用低温微生物诱导产生碳酸钙的原理，在混凝土裂缝中形成沉积，以修复其裂缝，最后对修复效果进行了测试，验证该方法的修复效果。

结合前人研究经验，研究单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对混凝土裂缝的修复性能。通过本研究以期为混凝土裂缝的修复提供更为有效的可参考的修复方法。

1 单组分聚氨酯泡沫胶粘剂的制备

与其他类型的胶粘剂相比，单组分聚氨酯泡沫胶粘剂的粘接力大，具有很好的抗冲击性、抗振动性、耐水性以及耐疲劳性，且容易保存[6]。为此，对单组分聚氨酯泡沫胶粘剂进行制备并应用于混凝土裂缝的修复中。

1.1 材料与设备

单组分聚氨酯泡沫胶粘剂制备所需要材料与设备如表1 和表2 所示。

表1 制备所需材料一览表Table 1 The list of materials required for the preparation

表2 制备所需设备一览表Table 2 The list of equipment required for the preparation

1.2 制备工艺

基于准备好的材料与设备，进行单组分聚氨酯泡沫胶粘剂制备，制备过程如下：

利用电子天平称取一定量的聚醚多元醇，然后将其放入到烧杯中。在聚醚多元醇中加入5 mL 的无水乙醇，将二者搅拌均匀。将整个烧杯放入到水浴锅当中进行加热，加热升温至110~120 ℃。冷却至室温。进行减压脱水处理，时间设置为2 h。将聚醚多元醇混合物转移至四口烧瓶中。向四口烧瓶中加入10 mL 的多亚甲基多苯基多异氰酸酯（固化剂）。利用搅拌器搅拌均匀，同时通氮气保护。加入吗啉类催化剂和三羟甲基丙烷，加热至70~75 ℃后，放入恒温箱当中保存3 h，滴加丙酮溶液，混合均匀并放置室温，完成预聚体制作。

称取一定量的环氧树脂和蓖麻油并加入到预聚体中，搅拌均匀。加入偶联剂，反应2 h。最后加入消泡剂，反应30 min。迅速出料，密封干燥保存[7]。

在完成单组分聚氨酯泡沫胶粘剂制备后，为保证其质量，需要对其进行某些指标的检测[8]。检测结果如表3 所示。

表3 单组分聚氨酯泡沫胶粘剂质量检测结果与标准Table 3 The quality test results and standards of one component polyurethane foam adhesive

经过上述测试，通过表3 可以看出，制备的单组分聚氨酯泡沫胶粘剂质量符合标准，可以用于修复混凝土裂缝。

2 混凝土试件制作

为研究单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对混凝土裂缝的修复效果，准备混凝土试件是必不可少的[9]。为此，本章节制作混凝土试件。具体过程如下：

步骤1：准备好混凝土试件制作所需要的材料。为保证胶粘剂的普遍适用性，制备3 种强度的混凝土试件[10]。如表4 所示。

表4 混凝土试件制作材料表Table 4 The materials for making concrete specimens

步骤2：设计3 种试件的配合比，结果如图1 所示。

图1 试件配合比设计方案Fig. 1 The design scheme of the specimen mix ratio

步骤3：按照图1 给出的配合比设计方案，称量材料的质量。

步骤4：将所有材料混合到一起并利用搅拌机搅拌均匀，制成混凝土浆液。

步骤5：将混凝土浆液倒入尺寸为200 mm×200 mm×200 mm 的试件模具当中。

步骤6：进行振捣，以保证试件中没有气泡。

步骤7：在试件中间部位插入0.5 mm 的铁片，模拟裂缝。如图2 所示。

图2 裂缝模拟示意图Fig. 2 The schematic diagram of crack simulation

步骤8：在温度（20±3）℃、湿度为90%以上的标准养护室养护3 d，直至干透为止。养护期间，在半干的时候，抽出铁片，以防完全干透无法取出的情况。

步骤9：拆除模具，完成带有裂缝的混凝土试件的制作[11]。

3 单组分聚氨酯泡沫胶粘剂修复混凝土裂缝

使用上述制备好的单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对3 种带有裂缝的混凝土试件进行修复。修复过程如下：

1）预处理。针对裂缝展示面，扫除表面的灰尘；针对内部裂缝，通过吹风机清除其灰尘；2）粘贴灌浆嘴；3）检测灌浆是否漏气、漏浆；4）将注胶器针头插入一头的注浆嘴；5）注入单组分聚氨酯泡沫胶粘剂到混凝土试件的裂缝当中；6）振动试件，排出单组分聚氨酯泡沫胶粘剂中的气泡；7）重复灌浆；8）封闭注浆嘴；9）单组分聚氨酯泡沫胶粘剂固化后，清除试件表面残留的胶粘剂；10）利用超声波无损检测技术检测灌胶修补是否合格，判断灌胶的饱满程度[12]。从试件中选择7 个测点，测试超声波的传播速度。当灌胶不饱满时，超声波的传播速度会存在较大的波动。结果如下图3 所示。

图3 超声波传播速度示意图Fig. 3 A Schematic diagram of ultrasonic propagation velocity

从图3 中可以看出，3 个试件7 个测点的超声波传播速度值均大致稳定在一个水平线上，说明混凝土裂缝被单组分聚氨酯泡沫胶粘剂填充完全，说明了灌胶修补合格。

4 裂缝的修复性能分析

4.1 性能评价指标

在本研究中，选择2 个指标来评价单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对混凝土裂缝的修复效果，分别为裂缝的愈合率和渗水系数[13]。

（1）裂缝愈合率

针对裂缝愈合率，检测方法如下：

使用显微镜垂直拍摄3 个混凝土试件裂缝修复前后的图像。利用图像处理软件对图像进行处理之后，统计图像中像素点的数量。计算修复后图像中裂缝区像素点数量与修复前图像中裂缝区像素点数量之间的比值，得出裂缝愈合率[14]。公式如下：

式中，P 代表裂缝愈合率，大于98%代表合格；q0、q1分别代表修复前后，裂缝区像素点数量。

1.1.2 森林古道存在的问题 虽然森林古道景观优势突出，但经历了长时间岁月的洗礼，森林古道所具有的景观性、人文性、通行性等都在消失，具体主要有以下5个问题。

（2）渗水系数

当混凝土存在裂缝时，在外部有水的情况下，很容易发生渗透，因此通过检测裂缝修复后的混凝土试件的渗水系数，可以明确裂缝的修复效果[15]。渗水测试装置如图4 所示。

图4 渗水测试装置Fig. 4 The device for water permeability test

渗水系数计算公式如下：

式中，K 代表渗水系数，小于0.2 代表合格；A代表水流量；B 代表试件高度；d 代表试件的横截面积；△代表水头差。

混凝土结构常常处于室外，而室外温度是变化的。温度高低的不同会给裂缝修复性能造成一定影响，因此模拟夏冬两季的温度，测试裂缝的修复性能[16]。

4.2 测试结果与分析

从图5 和图6 中可以看出以下几点：

图5 裂缝愈合率对比图Fig. 5 The comparison of healing rate of cracks

图6 渗水系数对比图Fig. 6 The comparison of water permeability coefficient

夏季时，单组分聚氨酯泡沫胶粘剂修复后，3 个试件的裂缝愈合率、渗水系数均达到合格标准，证明了修复效果。对比3 个试件，试件1 的裂缝愈合率最大、渗水系数最小，说明夏季时单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对试件1 类型的混凝土结构裂缝的修复效果最好，其次是试件3、最后是试件2。

冬季时，单组分聚氨酯泡沫胶粘剂修复后，3 个试件的裂缝愈合率均大于98%、渗水系数均小于0.2，修复达到合格标准。对比3 个试件，试件2 的裂缝愈合率最大、渗水系数最小，其次是试件1、最后是试件3。由此说明在夏季时单组分聚氨酯泡沫胶粘剂更适用于修复试件2 类型的混凝土结构裂缝。

5 结束语

现代大多数建筑都是混凝土结构工程，裂缝是混凝土结构难以避免的问题之一。若是不进行及时修复，将直接影响工程的稳定性和安全性。在此背景下，研究了单组分聚氨酯泡沫胶粘剂对混凝土裂缝的修复性能。研究中制备了单组分聚氨酯泡沫胶粘剂和所需要的混凝土试件，测试试件的裂缝愈合率和渗水系数，判定了单组分聚氨酯泡沫胶粘剂在不同温度下，修复效果都能达到合格要求。通过本研究以期为混凝土裂缝修复方案的制定和选择提供参考。