摘要
混凝土由于强度高、寿命长、整体性好等特点，被广泛应用于工业与民用建筑工程当中。但是在环境和机械荷载的综合影响下，混凝土结构会出现不同程度的劣化和损伤，因此对混凝土结构进行在役修复和加固就具有十分重要的意义。目前修复和加固技术仅将新混凝土耦合到现有混凝土基材之上，目的是恢复混凝土结构的原始特性和整体性，但由于水泥基修复材料易龟裂、渗水、养护周期长，实际修复效果并不理想。聚合物修复材料具有粘结强度高和低收缩率等特点，可以提升受损混凝土的承载能力和长期性能，克服了水泥基修复材料易收缩、开裂和剥离的缺点，目前得到广泛应用。本课题基于环氧树脂作为修复材料，利用聚氨酯和纳米二氧化锆对其进行增韧改性，制备了纳米二氧化锆（ZrO2）改性聚氨酯/环氧树脂复合材料，并对其修复性能进行了研究。首先采用聚醚多元醇和异氰酸酯合成异氰酸酯基团（-NCO）封端的聚醚型聚氨酯预聚物（PU-预聚物），按照相同的含量梯度分别添加到环氧树脂E51中接枝改性环氧树脂，制备聚醚型聚氨酯/环氧树脂互穿网络结构（PU/EPIPNs）复合材料。借助扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TG）、红外光谱（FT-IR）、粘结强度和力学性能等测试方法，对聚醚型PU/EPIPNs复合材料的微观构造和宏观性能进行表征确定最佳PU-预聚物添加量。此外，还进行了冻融循环试验，验证了修复材料的相容性，并评估了冻融循环次数对粘结强度的影响。通过改变多元醇的种类和配比改变PU-预聚物的分子结构，进而和环氧树脂接枝改性，改变PU/EPIPNs复合材料的分子链结构，制备聚醚聚酯型PU/EPIPNs复合材料，根据上述一系列的性能测试与表征选取综合性能最优的聚醚聚酯多元醇配比。利用硅烷偶联剂KH-550表面修饰纳米ZrO2，将相同含量梯度的纳米KH550-ZrO2加入聚醚聚酯型PU/EPIPNs复合材料中，制备纳米ZrO2改性聚醚聚酯型PU/EPIPNs复合材料。本文主要的研究思路和结论如下： （1）以聚醚多元醇（PPG-1000）、异氰酸酸酯（MDI-50）和E51为原料，利用预聚体法和分步法制备了聚醚型聚氨酯/环氧树脂复合材料。当PU-预聚物添加量为15wt%时，聚醚型PU/EPIPNs复合材料性能最优。抗压强度、拉伸强度和断裂伸长率分别为69.99MPa、59.90MPa和6.46%，相比环氧树脂（63.45MPa、56.06MPa和3.35%）分别提高了10.3%、6.8%和92.8%。FT-IR、SEM分析显示聚醚型PU/EPIPNs复合材料成功制备，且断面断裂形式为韧性断裂。附着力实验表明，PU/EPIPNs复合材料对混凝土的干、湿粘结强度分别为5.07MPa和3.39MPa，相较环氧树脂的干湿粘结强度分别提高了83.6%和127.5%。热重测试（TG）表明PU-预聚物接枝改性环氧树脂对环氧树脂耐热性影响甚微。 （2）采用聚酯多元醇PS-2412和PPG-1000不同比例复配，合成了聚醚聚酯型PU-预聚物，并在明确最优PU-预聚物添加量的基础上确定了多元醇最佳配比。当PS-2412/PPG-1000质量配比为30：70时，PU/EPIPNs复合材料拉伸强度和压缩强度分别为66.74MPa、74.24MPa，与没有添加PS-2412的复合材料相比，拉伸强度和压缩强度得到了进一步提高。虽然断裂伸长率相较PU0下降了23.8%，但与环氧树脂3.35%的断裂伸长率相比仍提高了46.9%。TG表明PS-2412的引入提高了复合材料耐热性，且其对混凝土的干湿粘结强度与上章最佳干湿粘结强度相比，分别提高12.1%和36.3%。冻融循环表明，由于PS-2412中酯基的影响，聚醚聚酯型PU/EPIPNs复合材料更易受到冻融水解的破坏。 （3）在聚醚聚酯型PU/EPIPNs复合材料基础上，利用KH-550对纳米ZrO2表面接枝改性进而增韧PU/EPIPNs复合材料。FT-IR显示，KH-550成功修饰在ZrO2纳米颗粒表面。KH550-ZrO2在复合材料中的透射电镜图说明，KH-550的成功修饰减少了纳米ZrO2的聚集，增加了颗粒间距。当纳米ZrO2添加0.8wt%时，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和压缩强度分别为71.12MPa、5.96%和79.57MPa，相较于环氧树脂，其增幅分别为18.7%、77.8%和25.4%。同时，KH550-ZrO2粒子的引入延缓了复合材料的热分解。不仅如此，纳米粒子改性复合材料对混凝土的干湿粘结强度提高到6.52MPa、5.47MPa，与环氧树脂干湿粘结强度相比，分别提高了136.2%和244.7%。
NETL