聚氨酯硅粉復合材料在橋梁加固中的應用

汪雨珍

（安徽省交通建設股份有限公司，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間長，需要破壞橋梁結構，增加橋梁自重，效果不穩定等一系列問題。聚氨酯硅粉復合改性材料加固橋梁法應運而生。采用聚氨酯硅粉復合改性材料加固施工完成后，施工時間短，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，不破壞橋梁結構，降低加固成本提高加固效率。

一、材料特性

硅基材料的材料優點為低溫柔度高，低表面張力，與其他有機物相容性高等特性[2]。材料缺點為與其他材料相容性高的同時，材料的附著性差；材料的拉伸強度，抗剪強度，彎拉強度低等[3]。將硅基材料與其他聚合有機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[4，5]。通過聚合法將聚硅氧烷引入聚氨酯結構對聚氨酯進行改性處理，既保留了硅粉優異的力學性能和兩相微結構特征，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合材料具備了非常出色的力學性能、耐腐性能、熱穩定性能等諸多優點[6]。

耐腐性。這是因為羥基硅與聚氨酯協同作用，加強了硅氧化學鍵的化學能，降低了極性聚氨酯短鏈分子密度，從而導致聚氨酯分子間作用力降低，不親水、不親油。

熱穩定性。聚硅氧烷中硅基團增加了聚氨酯分子鏈長度，帶有硅基的支分子鏈規則定向排列形成結構交聯從而提高了聚氨酯硅粉復合改性材料的熱穩定性[7]。

良好的力學性能。通過引入聚硅氧烷從而使聚氨酯分子結構上的烷氧基數量加大，帶有聚硅氧烷的分子鏈相互深度規則交聯，致使分子表面更加致密且分子間作用力更大、更穩定。

二、主要應用場景

聚氨酯硅粉復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]。采用聚氨酯硅粉復合材料作為橋梁加固材料，加固重量輕、造價低、易獲取、效果好，并且經過硅粉改性的聚氨酯克服了在潮濕環境容易降解破壞的缺點[9]。

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

聚氨酯硅粉復合加固材料具有優越的力學性能，聚氨酯硅粉復合材料應用在橋梁加固時，其彎拉強度、剪切強度，拉拔強度均高于同類樹脂類、橡膠類聚合物3倍～5倍，并且聚氨酯硅粉復合改性材料的斷裂伸長率在硬度較大時，依然可以滿足實際需要。

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

聚氨酯硅粉復合加固材料具有環境耐候性，這是由于聚氨酯硅粉復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，分子鏈結成網狀，化學能高，穩定度大，分子穩定性好，能夠在自然雨水，紫外線，氧氣環境下保持穩定性質不發生降解破壞，保持優良的材料特性[11]。

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

三、具體實施

橋梁需要根據結構跨度不同選擇不同的截面形式、結構形式。不同的截面、結構形式導致橋梁承受荷載方式不同，不同的荷載條件下，經過使用致使橋梁出現病害也不相同，這要求根據具體的結構形式、截面形式，選擇不同的加固方式。

橋梁跨度在10m左右時一般選擇截面形式為實心板。這種截面形式一般為簡支結構。常見病害為由應力集中造成的板底縱向裂縫，以及由于跨中彎矩過大造成的板底橫向裂縫。由于裂縫發展，會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80目篩的粉煤灰與聚氨酯硅粉復合改性材料混合，再加入適量的固化劑，經過現場拌和制成聚氨酯硅粉復合加固材料，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，常采用空心板梁作為橋梁的結構形式，空心板梁橋的結構形式可以采用簡支形式也可以采用連續梁結構形式。常見的病害有板底縱橫向裂縫，若采用連續梁還可能為主梁錯位，混凝土強度下降，橋面塌陷。通過使用氨酯硅粉復合加固材料的現場改性聚合物澆筑，對支撐的鋼筋混凝土板加固處理，可改變鋼筋混凝土的結構狀態，進而改變整個橋體的受力分布和提高整個橋體承受重力的能力。

橋梁跨度在20m～40m之間時常采用的T梁作為梁體的截面形式，T梁常用的結構形式多為連續梁或者先簡支后連續的結構形式。常見的病害有T梁鉸縫位置出現縱向裂縫、馬蹄位置縱向裂縫、橫向裂縫、橫向裂縫兩側豎向裂縫、梁底橫向裂縫、兩側豎向裂縫組成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合加固材料對混凝土裂縫處進行澆筑來進行加固處理，達到對建筑整體受力結構的優化。

橋梁跨度在20m～40m之間時經常采用小箱梁作為梁體的截面形式，小箱梁常用的結構形式多為連續梁或者先簡支后連續的結構形式。常見的病害有溫度裂縫、腹板斜縫、腹板與底板連接處的縱向裂縫、與預應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。此類問題通常在清潔裂縫表面后，在修補工作前先刷涂1mm～2mm氨酯硅粉復合材料，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合加固材料，保持結構的穩定性。

四、結語

聚氨酯硅粉復合加固材料，施工方法簡單，加固施工過程短，材料質量輕，固結后強度高，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構破壞。作為一種新型復合材料，聚氨酯硅粉復合改性材料的使用能夠節約砂石資源，提高橋梁壽命，提高加固效率，增強加固效果，減輕加固后橋梁的自重。將聚氨酯硅粉復合材料應用于橋梁加固工程中完全符合我國目前執行的“雙碳”政策。