聚氨酯硅粉復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用

汪雨珍

（安徽省交通建設(shè)股份有限公司，安徽 合肥 230041）

目前，橋梁常用的加固方法有植筋法、增大截面法、粘貼鋼板（條）法[1]。但是這些方法存在施工時(shí)間長(zhǎng)，需要破壞橋梁結(jié)構(gòu)，增加橋梁自重，效果不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料加固橋梁法應(yīng)運(yùn)而生。采用聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料加固施工完成后，施工時(shí)間短，不間斷交通，加固體重量輕，加固材料與水泥混凝土黏附性好，不破壞橋梁結(jié)構(gòu)，降低加固成本提高加固效率。

一、材料特性

硅基材料的材料優(yōu)點(diǎn)為低溫柔度高，低表面張力，與其他有機(jī)物相容性高等特性[2]。材料缺點(diǎn)為與其他材料相容性高的同時(shí)，材料的附著性差；材料的拉伸強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度，彎拉強(qiáng)度低等[3]。將硅基材料與其他聚合有機(jī)物共混制備高性能聚合改性材料，聚氨酯(PU)材料具有耐磨、抗撕裂、抗曲撓性好的材料特點(diǎn)[4，5]。通過(guò)聚合法將聚硅氧烷引入聚氨酯結(jié)構(gòu)對(duì)聚氨酯進(jìn)行改性處理，既保留了硅粉優(yōu)異的力學(xué)性能和兩相微結(jié)構(gòu)特征，又在很大程度上改善了聚氨酯的表面性能和整體性能。使改性后的聚氨酯硅粉復(fù)合材料具備了非常出色的力學(xué)性能、耐腐性能、熱穩(wěn)定性能等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]。

耐腐性。這是因?yàn)榱u基硅與聚氨酯協(xié)同作用，加強(qiáng)了硅氧化學(xué)鍵的化學(xué)能，降低了極性聚氨酯短鏈分子密度，從而導(dǎo)致聚氨酯分子間作用力降低，不親水、不親油。

熱穩(wěn)定性。聚硅氧烷中硅基團(tuán)增加了聚氨酯分子鏈長(zhǎng)度，帶有硅基的支分子鏈規(guī)則定向排列形成結(jié)構(gòu)交聯(lián)從而提高了聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料的熱穩(wěn)定性[7]。

良好的力學(xué)性能。通過(guò)引入聚硅氧烷從而使聚氨酯分子結(jié)構(gòu)上的烷氧基數(shù)量加大，帶有聚硅氧烷的分子鏈相互深度規(guī)則交聯(lián)，致使分子表面更加致密且分子間作用力更大、更穩(wěn)定。

二、主要應(yīng)用場(chǎng)景

聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料的表面不親水、不親油，但是與水泥混凝土材料具有良好的黏附性，聚氨酯硅粉復(fù)合材料與填料按一定比例可以在不摻配砂石集料的條件下作為橋梁加固材料[8]。采用聚氨酯硅粉復(fù)合材料作為橋梁加固材料，加固重量輕、造價(jià)低、易獲取、效果好，并且經(jīng)過(guò)硅粉改性的聚氨酯克服了在潮濕環(huán)境容易降解破壞的缺點(diǎn)[9]。

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料耐磨，這是由于聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料具有獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)，聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料的耐磨性能一般為橡膠的8倍～10倍[10]。

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，聚氨酯硅粉復(fù)合材料應(yīng)用在橋梁加固時(shí)，其彎拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度，拉拔強(qiáng)度均高于同類(lèi)樹(shù)脂類(lèi)、橡膠類(lèi)聚合物3倍～5倍，并且聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料的斷裂伸長(zhǎng)率在硬度較大時(shí)，依然可以滿足實(shí)際需要。

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料具有耐腐蝕性，將聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料砌筑于加固部位，能夠有效地保護(hù)外漏的鋼筋，防止鋼筋的銹蝕。

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料具有環(huán)境耐候性，這是由于聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料分子鏈上，主鏈的氨基甲酸酯硬段于支鏈上的聚氧硅烷軟段相互交聯(lián)，分子鏈結(jié)成網(wǎng)狀，化學(xué)能高，穩(wěn)定度大，分子穩(wěn)定性好，能夠在自然雨水，紫外線，氧氣環(huán)境下保持穩(wěn)定性質(zhì)不發(fā)生降解破壞，保持優(yōu)良的材料特性[11]。

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料能夠在低溫環(huán)境下保持良好的延展性，這是由于聚氨酯硅粉復(fù)合材料分子支鏈上的聚硅甲烷玻璃體轉(zhuǎn)化溫度極低，從而使聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料在低溫下保持良好的延展性不脆裂。

三、具體實(shí)施

橋梁需要根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度不同選擇不同的截面形式、結(jié)構(gòu)形式。不同的截面、結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致橋梁承受荷載方式不同，不同的荷載條件下，經(jīng)過(guò)使用致使橋梁出現(xiàn)病害也不相同，這要求根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式、截面形式，選擇不同的加固方式。

橋梁跨度在10m左右時(shí)一般選擇截面形式為實(shí)心板。這種截面形式一般為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)病害為由應(yīng)力集中造成的板底縱向裂縫，以及由于跨中彎矩過(guò)大造成的板底橫向裂縫。由于裂縫發(fā)展，會(huì)造成面板混凝土剝落，鋼筋外露，混凝土的碳化，鋼筋的銹蝕。采用過(guò)80目篩的粉煤灰與聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料混合，再加入適量的固化劑，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拌和制成聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料，砌筑在清理干凈的水泥混凝土板底，砌筑厚度為2mm～2.5mm。

橋梁跨度在6m～20m之間時(shí)，常采用空心板梁作為橋梁的結(jié)構(gòu)形式，空心板梁橋的結(jié)構(gòu)形式可以采用簡(jiǎn)支形式也可以采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的病害有板底縱橫向裂縫，若采用連續(xù)梁還可能為主梁錯(cuò)位，混凝土強(qiáng)度下降，橋面塌陷。通過(guò)使用氨酯硅粉復(fù)合加固材料的現(xiàn)場(chǎng)改性聚合物澆筑，對(duì)支撐的鋼筋混凝土板加固處理，可改變鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)而改變整個(gè)橋體的受力分布和提高整個(gè)橋體承受重力的能力。

橋梁跨度在20m～40m之間時(shí)常采用的T梁作為梁體的截面形式，T梁常用的結(jié)構(gòu)形式多為連續(xù)梁或者先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的病害有T梁鉸縫位置出現(xiàn)縱向裂縫、馬蹄位置縱向裂縫、橫向裂縫、橫向裂縫兩側(cè)豎向裂縫、梁底橫向裂縫、兩側(cè)豎向裂縫組成U形裂縫，以及支座處梁體斜向裂縫。通常是將改性后的氨酯硅粉復(fù)合加固材料對(duì)混凝土裂縫處進(jìn)行澆筑來(lái)進(jìn)行加固處理，達(dá)到對(duì)建筑整體受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

橋梁跨度在20m～40m之間時(shí)經(jīng)常采用小箱梁作為梁體的截面形式，小箱梁常用的結(jié)構(gòu)形式多為連續(xù)梁或者先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的病害有溫度裂縫、腹板斜縫、腹板與底板連接處的縱向裂縫、與預(yù)應(yīng)力管道重疊的板面縱向裂縫、U形裂縫、混凝土碎裂失散、板體破損、鋼筋外漏、鋼筋銹蝕等。此類(lèi)問(wèn)題通常在清潔裂縫表面后，在修補(bǔ)工作前先刷涂1mm～2mm氨酯硅粉復(fù)合材料，等待起泡完全消失后，分段填充和澆筑混凝土或改性的氨酯硅粉復(fù)合加固材料，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

聚氨酯硅粉復(fù)合加固材料，施工方法簡(jiǎn)單，加固施工過(guò)程短，材料質(zhì)量輕，固結(jié)后強(qiáng)度高，避免像其他加固方法那樣需要鑿除一部分混凝土從而造成的結(jié)構(gòu)破壞。作為一種新型復(fù)合材料，聚氨酯硅粉復(fù)合改性材料的使用能夠節(jié)約砂石資源，提高橋梁壽命，提高加固效率，增強(qiáng)加固效果，減輕加固后橋梁的自重。將聚氨酯硅粉復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁加固工程中完全符合我國(guó)目前執(zhí)行的“雙碳”政策。