硅基聚氨酯復(fù)合材料在橋梁加固工程中的應(yīng)用

杜永剛

（甘肅省定西公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅定西 743000）

橋梁作為跨越障礙的構(gòu)筑物，在自然環(huán)境中承受著環(huán)境的侵蝕和往復(fù)交通荷載的作用。有些橋梁由于設(shè)計(jì)及施工不合理，本身也存在一定的缺陷，這就導(dǎo)致橋梁在使用過程中會(huì)出現(xiàn)病害，嚴(yán)重的可能會(huì)影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全和可靠度降低［1］。橋梁加固工程就是對(duì)可靠度降低的橋梁進(jìn)行維修加固。這就要求橋梁加固工程所選用的材料能夠滿足加固效果好、造價(jià)低、方便施工等一系列要求。目前常用的加固方法有植筋法、增大截面法、貼鋼板（條）法［2］等。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)定等一些列問題。在此種背景下，復(fù)合聚氨酯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，施工時(shí)間段內(nèi)，不用間斷交通，加固體重量輕，加固材料與水泥混凝土粘附性好，不用破壞橋梁結(jié)構(gòu)，能夠降低加固成本，提高加固效率。

1 常見橋梁病害分析

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)過使用致使橋梁出現(xiàn)病害也不相同，這就要求根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式，截面形式，選擇不同的加固方式。下面具體論述幾種常見結(jié)構(gòu)形式的公路橋梁病害。

（1）橋梁跨度在10m 左右時(shí)一般選擇截面形式為實(shí)心板梁。這種截面形式一般為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。常見病害為：由應(yīng)力集中造成的板底縱向裂縫以及由于跨中彎矩過大造成板底橫向裂縫；由于裂縫發(fā)展，造成面板混凝土剝落、鋼筋外露、混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕。

（2）橋梁跨度在6～20 m 之間時(shí)常采用空心板梁作為橋梁的截面形式，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。常見的病害有：由于撓度過大造成的板底縱橫向裂縫，若采用連續(xù)梁還可能因?yàn)槭芰Σ痪鶆蛟斐摄q縫處水泥砂漿的失散，進(jìn)而造成主梁錯(cuò)位、混凝土強(qiáng)度下降、橋面塌陷。

（3）橋梁跨度在20～40 m 之間時(shí)常采用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。常見的病害有：隨著橋梁服役期限的增加，T 梁鉸縫位置會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫，馬蹄位置同樣會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫；由于跨中撓度過大產(chǎn)生的橫向裂縫以及橫向裂縫兩側(cè)的豎向裂縫，梁底的橫向裂縫以及兩側(cè)豎向裂縫組成U 形裂縫；由于受剪，支座處梁體會(huì)產(chǎn)生斜向裂縫；裂縫發(fā)展造成的T 梁翼板破壞、鋼筋外漏甚至鋼筋銹蝕。

（4）橋梁跨度在20～40 m 之間時(shí)也經(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。常見的病害有：由于抗剪強(qiáng)度不足導(dǎo)致的腹板斜縫；由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的腹板與頂板、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；跨中撓度過大造成的U 形裂縫；由于裂縫發(fā)展造成的混凝土碎裂失散、板體破損、鋼筋外漏和鋼筋銹蝕等。

2 硅基聚氨酯復(fù)合材料性能特點(diǎn)

硅基聚氨酯復(fù)合材料由硅基材料和聚氨酯通過共混、接枝、聚合等方法加工而成。硅基（聚二甲基硅氧烷）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［3］；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［4］。正是由于硅基材料的相容性高這一特點(diǎn)，可以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。聚氨酯就是其中之一，聚氨酯(PU) 材料具有耐磨、抗撕裂、抗曲撓性好的材料特點(diǎn); 硅基材料分子鏈支端由于帶有活性端基(-OH,-NH2)，可以與聚氨酯的端異氰酸酯基在聚合擴(kuò)鏈反應(yīng)中制成硅基聚氨酯復(fù)合材料［5］。硅基聚氨酯復(fù)合材料的分子鏈中，嫁接在聚氨酯的端異氰酸酯基分子支鏈上的聚硅氧烷鏈段在使用溫度區(qū)處于粘彈態(tài)，而位于主鏈上的氨基甲酸酯基、脲基處于玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài), 屬于硬段［6］。聚硅氧烷分子軟段的存在使材料具有良好的彈性, 主鏈上的氨基甲酸酯基、脲基則使材料強(qiáng)度增加。

通過聚合法將聚二甲基硅氧烷引入聚氨酯結(jié)構(gòu)中，既保留了硅基優(yōu)異的材料性能和兩相微結(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，使改性后的硅基聚氨酯復(fù)合材料具備了出色的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性能等諸多優(yōu)點(diǎn)［7］。

(1) 耐腐蝕性。因?yàn)榫鄱谆柩跬榕c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，具有不親水、不親油的特點(diǎn)，進(jìn)而表現(xiàn)為耐腐蝕。

(2) 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)，從而提高了硅基聚氨酯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性［8］。

(3) 良好的力學(xué)性能。這是因?yàn)橥ㄟ^引入聚硅氧烷，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產(chǎn)生深度的規(guī)則的交聯(lián)，致使分子更加致密且分子間作用力更大、更穩(wěn)定。因此，硅基聚氨酯復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)為抗拉、抗剪強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率增加［9］。

3 硅基聚氨酯復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用分析

硅基聚氨酯復(fù)合材料與水泥混凝土材料具有良好的粘附性，硅基聚氨酯復(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［10］。采用硅基聚氨酯復(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。并且硅基聚氨酯復(fù)合材料克服了在潮濕環(huán)境容易降解破壞的缺點(diǎn)［11］，耐水、耐高溫性能均表現(xiàn)良好。通過前文論述可以總結(jié)出，橋梁病害主要形式為混凝土裂縫、混凝土破壞、梁體破損、鋼筋外漏和鋼筋銹蝕，從而導(dǎo)致的橋梁強(qiáng)度降低。硅基聚氨酯復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 硅基聚氨酯復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁加固工程時(shí)，由于其具有優(yōu)越的力學(xué)性能，將硅基聚氨酯復(fù)合材料涂抹于加固部位并且養(yǎng)護(hù)完成后，能夠使加固后的橋梁獲得良好的力學(xué)強(qiáng)度，在荷載作用下抑制裂縫的產(chǎn)生，遏制梁體繼續(xù)破壞，保證加固后的橋梁的安全性。這是由于硅基聚氨酯復(fù)合材料的分子鏈支鏈上的硅基團(tuán)在使用溫度下處于粘彈態(tài)，主鏈屬于硬態(tài)，使分子整體表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)，其彎拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均高于同類樹脂類、橡膠類聚合物3～5 倍［12］。并且，復(fù)合聚氨酯材料的斷裂伸長(zhǎng)率在硬度較大時(shí)依然可以滿足實(shí)際需要。

(2) 將硅基聚氨酯復(fù)合材料用于橋梁加固時(shí)，由于硅基聚氨酯復(fù)合材料具有耐腐蝕性、環(huán)境耐候性，能夠有效地保護(hù)外漏的鋼筋，保護(hù)鋼筋在雨水豐沛、氧化物濃度高、富含氯離子等不利環(huán)境下不產(chǎn)生銹蝕。這是由于硅基聚氨酯復(fù)合材料分子鏈主鏈上的氨基甲酸酯鍵具有很強(qiáng)的極性，對(duì)非極性油等有很強(qiáng)的排斥效果，所以耐腐蝕性較好［13］。 并且硅基聚氨酯復(fù)合材料分子鏈上，主鏈的氨基甲酸酯硬段與支鏈上的聚硅氧烷軟段相互交聯(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。從而保證了硅基聚氨酯復(fù)合材料用于橋梁加固時(shí)，能夠穩(wěn)定有效地保護(hù)外漏的鋼筋免于遭受侵蝕失效。

(3) 硅基聚氨酯復(fù)合材料由于其分子支鏈上的聚硅氧烷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度極低，能夠在低溫環(huán)境下保持良好的延展性。因此硅基聚氨酯復(fù)合材料進(jìn)行橋梁加固時(shí)，經(jīng)受高低溫循環(huán)作用后加固材料仍能穩(wěn)固地附著于加固梁體之上而不剝落、不脆裂，保證了加固效果穩(wěn)定。

4 結(jié)語

硅基聚氨酯復(fù)合材料用于加固施工時(shí)，施工方法簡(jiǎn)單，施工過程短，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, 與傳統(tǒng)加固方法、加固材料相比，硅基聚氨酯復(fù)合材料的使用能夠節(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。將硅基聚氨酯復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁加固工程中符合目前我國(guó)執(zhí)行的“雙碳”政策目標(biāo)導(dǎo)向，使成本降低和材料本身的諸多優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，值得在橋梁加固工程中大力推廣和應(yīng)用。