聚氨酯硅粉復(fù)合材料在公路舊橋加固工程中的應(yīng)用

李 麗 郭春明 李 鈞

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

公路和橋梁在竣工開設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著承受的行人、汽車等重力不斷增強(qiáng)，再加上使用的原材料本身會受到消耗，會導(dǎo)致公路橋體受損，使橋梁公路的承重能力逐漸下降，降低了公路橋梁的可靠性與安全性。如何選擇合適的原材料建造出可靠性高、安全性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低的公路橋梁，已成為現(xiàn)階段企業(yè)及國家所關(guān)注的重點。現(xiàn)如今，增大截面法、粘貼鋼板法等成為我國常用的加固方式。然而這些加固方法從材料本身出發(fā)來看都存在一些不足，所以，為了適應(yīng)加固公路舊橋材料要求越來越高的發(fā)展趨勢，聚氨酯硅粉復(fù)合材料(PUSC)在加固工程中的運(yùn)用已經(jīng)成為了國家非常重視的一部分。因為用其加固完成后，公路或舊橋的強(qiáng)度更高、重量更低、粘合性會更好。同時，該材料的運(yùn)用可以省去部分其他材料的使用，降低加固工程的成本。

1 聚氨酯介紹

1.1 聚氨酯是什么

聚氨酯是一種合成樹脂，具有優(yōu)良的綜合性能。由于其合成單體種類繁多、反應(yīng)條件溫和、配方專業(yè)、可控性和調(diào)節(jié)空間大，目前，聚氨酯廣泛應(yīng)用于家具行業(yè)、建筑行業(yè)、制鞋業(yè)、航天飛行器制造、液化天然氣汽車制造等領(lǐng)域。

1.2 PUSC分析

聚氨酯是目前企業(yè)發(fā)展速度最快的高分子材料技術(shù)之一。它是由氰酸鹽和多元醇兩部分聚合而成氨酯的結(jié)構(gòu)，以塊狀、接枝或互穿網(wǎng)絡(luò)的形式由軟段和硬段組成，是一種多功能聚合材料。但由于分子結(jié)構(gòu)中含有NHH-CO，所以聚氨酯具有溫度變化敏感、耐水性差、熱性能較差的特點，長期使用后會產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)熱，極大限制了其在工程中的應(yīng)用。由于硅樹脂(聚硅氧烷)獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成和具有一系列優(yōu)異的性能，如，耐高溫、良好的動態(tài)性，可以恰到好處地彌補(bǔ)了聚氨酯彈性體的缺陷，兼有聚氨酯彈性體的優(yōu)點。實驗通過引入羥基，以聚氨酯為主體，加入了少量的硅粉，研究發(fā)現(xiàn)，在加入少量的硅粉的條件下，這種改良性聚氨酯硅粉復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、重量、粘合性等確實會有很大的提升。

2 依托工程概要

2.1 工程情況

玉泉營立交橋是北京高速公路上非常重要的一座橋梁。其中間是京開高速發(fā)展公路以及北京段，穿過大興區(qū)黃村豐臺花巷，橋面總長80m，跨橋結(jié)構(gòu)簡單，鋼筋混凝土12m×10m實板橋，下橋面寬125m，中央隔離帶寬度30m，橋臺采用重力型橋，地基采用孔膨脹填樁，支撐為橡膠支撐。

2.2 損壞情況

(1)鋼筋進(jìn)行混凝土實心板跨中區(qū)域可以均勻程度分布8～10條裂縫，裂縫間距20m～30cm。

(2)12號主梁底部中跨附近有裂縫，距右側(cè)5cm，裂縫長度約99m，寬度約1.5mm。

(3)12號梁右側(cè)距底部5cm處出現(xiàn)縱向裂縫。距1號橋臺23m，裂縫的長度約為9m。

(4)主梁法蘭兩側(cè)有水漬。

(5)主梁濕縫性能好，無裂縫、平臺進(jìn)行交錯、漏水、脫色等典型結(jié)構(gòu)病害。

(6)橋梁鋪路、橋體欄桿異常，有縫隙。

據(jù)損壞程度分析，橋梁主體受到了很大的損害，需要進(jìn)行加固修補(bǔ)。

2.3 橋梁加固設(shè)計

這座橋梁的配筋設(shè)計與施工的基本原則是可以確保京開高速24h安全運(yùn)行，輔助道路于零時封閉，早上5點開放。鑒于此，在橋梁加固設(shè)計中應(yīng)綜合考慮橋面防水和攪拌甲板鋪裝處未發(fā)現(xiàn)垂直或水平裂縫。在實際施工中，梁底部的改性聚合物是現(xiàn)澆的。PUSC的增強(qiáng)厚度t=25mm，主要機(jī)械技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)彎曲抗拉強(qiáng)度為36 MPa;(2)抗剪的強(qiáng)度為19 MPa;(3)彈性比例系數(shù)為122 GPa;(4)PUSC與混凝土界面的粘結(jié)度不能低于28MPa、且確保PUSC與鋼筋混凝土表面不發(fā)生掉落的現(xiàn)象。

根據(jù)數(shù)據(jù)計算可以得出，加固舊橋的計算數(shù)據(jù)符合現(xiàn)在國家規(guī)定的技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 加固前后承受重力分析

為進(jìn)一步試驗PUSC在加固舊橋時的具體效果，對使用該材料加固后的材料進(jìn)行了動靜荷載的分析。其中，靜荷載的觀察內(nèi)容：(1)跨度偏轉(zhuǎn)大小。(2)裂縫寬度大小的變化。動荷載計算觀察內(nèi)容：(1)沖擊電流值對于交流電流幅值的倍數(shù)。(2)固有頻率。(3)阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比等。

不同水平荷載條件下進(jìn)行加固前后各梁跨中撓度的橫向分布特征曲線, 水平坐標(biāo)表示每個主梁的序列號，當(dāng)坐標(biāo)是每個主“梁跨”中的偏轉(zhuǎn)觀測(mm)時，特征曲線的虛線表示加固前的橋梁測試節(jié)點，反映了鋼筋橋的測試結(jié)果。

加固前后的不同加載情況下主梁跨中撓度橫向分布曲線分析與比較。如果加固橋梁的荷載為橫向荷載，預(yù)加固橋梁的荷載為橫向荷載，分布曲線面積為平面,得到各梁的受力情況明顯改善。加固后各梁的最大跨中撓度減小16%、33%、27%、20%和23%。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析比較

在橋梁支護(hù)工程加固試驗的基礎(chǔ)上，分別研究了不間斷交通運(yùn)行的條件，新型加固方法和常規(guī)加固方法。比較得出，本研究提出的新材料、新技術(shù)、新工藝的直接工程造價約為25.4萬元人民幣，而傳統(tǒng)的加固方法的直接工程造價約為32萬人民幣。

與傳統(tǒng)的橋梁加固技術(shù)方法可以相比，本研究主要采用PUSC加固空心板梁橋，可節(jié)省20%左右的投資，具有一個良好的社會發(fā)展效益和經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。

2.6 試驗結(jié)論

通過對PUSC支撐的鋼筋混凝土板“梁橋”的加固設(shè)計與施工工程實踐、負(fù)荷試驗和經(jīng)濟(jì)分析的比較，得出以下結(jié)果：(1)新材料可以改變鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，改變整個橋體的受力分布。(2)新材料能充分抑制舊橋主體縫隙寬度的擴(kuò)展，也不會使其再出現(xiàn)側(cè)邊縫隙，提高整個橋體承受重力的能力。(3)新材料可以降低舊橋沖擊電流值對于交流電流幅值的倍數(shù)，延長橋體使用年限。(4)與以往的方法相比，成本降低了22%，降低了經(jīng)濟(jì)損耗。

3 結(jié) 語

聚氨酯硅粉復(fù)合材料(PUSC)已經(jīng)應(yīng)用到我國的公路舊橋加固工程中，身為一種新型復(fù)合材料，傳統(tǒng)的公路舊橋加固材料在效率、強(qiáng)度、外觀等許多方面都是無法與之相比較的。PUSC不僅可以使舊橋加固后的強(qiáng)度增大，保證粘合性很強(qiáng)，而且在減輕橋體重量，保證公路橋的可靠性方面有著很重要的作用。近年來，聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)材料得到了進(jìn)一步的發(fā)展和成熟，使用方法也日益完善。PUSC的運(yùn)用，使成本降低和材料本身的諸多優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，促使越來越多的公路舊橋加固企業(yè)積極使用和推廣。