聚氨酯硅粉复合材料在桥梁加固中的应用

汪雨珍

（安徽省交通建设股份有限公司，安徽 合肥 230041）

目前，桥梁常用的加固方法有植筋法、增大截面法、粘贴钢板（条）法[1]。但是这些方法存在施工时间长，需要破坏桥梁结构，增加桥梁自重，效果不稳定等一系列问题。聚氨酯硅粉复合改性材料加固桥梁法应运而生。采用聚氨酯硅粉复合改性材料加固施工完成后，施工时间短，不间断交通，加固体重量轻，加固材料与水泥混凝土黏附性好，不破坏桥梁结构，降低加固成本提高加固效率。

一、材料特性

硅基材料的材料优点为低温柔度高，低表面张力，与其他有机物相容性高等特性[2]。材料缺点为与其他材料相容性高的同时，材料的附着性差；材料的拉伸强度，抗剪强度，弯拉强度低等[3]。将硅基材料与其他聚合有机物共混制备高性能聚合改性材料，聚氨酯(PU)材料具有耐磨、抗撕裂、抗曲挠性好的材料特点[4，5]。通过聚合法将聚硅氧烷引入聚氨酯结构对聚氨酯进行改性处理，既保留了硅粉优异的力学性能和两相微结构特征，又在很大程度上改善了聚氨酯的表面性能和整体性能。使改性后的聚氨酯硅粉复合材料具备了非常出色的力学性能、耐腐性能、热稳定性能等诸多优点[6]。

耐腐性。这是因为羟基硅与聚氨酯协同作用，加强了硅氧化学键的化学能，降低了极性聚氨酯短链分子密度，从而导致聚氨酯分子间作用力降低，不亲水、不亲油。

热稳定性。聚硅氧烷中硅基团增加了聚氨酯分子链长度，带有硅基的支分子链规则定向排列形成结构交联从而提高了聚氨酯硅粉复合改性材料的热稳定性[7]。

良好的力学性能。通过引入聚硅氧烷从而使聚氨酯分子结构上的烷氧基数量加大，带有聚硅氧烷的分子链相互深度规则交联，致使分子表面更加致密且分子间作用力更大、更稳定。

二、主要应用场景

聚氨酯硅粉复合改性材料的表面不亲水、不亲油，但是与水泥混凝土材料具有良好的黏附性，聚氨酯硅粉复合材料与填料按一定比例可以在不掺配砂石集料的条件下作为桥梁加固材料[8]。采用聚氨酯硅粉复合材料作为桥梁加固材料，加固重量轻、造价低、易获取、效果好，并且经过硅粉改性的聚氨酯克服了在潮湿环境容易降解破坏的缺点[9]。

聚氨酯硅粉复合加固材料耐磨，这是由于聚氨酯硅粉复合改性材料具有独特的分子链结构，聚氨酯硅粉复合改性材料的耐磨性能一般为橡胶的8倍～10倍[10]。

聚氨酯硅粉复合加固材料具有优越的力学性能，聚氨酯硅粉复合材料应用在桥梁加固时，其弯拉强度、剪切强度，拉拔强度均高于同类树脂类、橡胶类聚合物3倍～5倍，并且聚氨酯硅粉复合改性材料的断裂伸长率在硬度较大时，依然可以满足实际需要。

聚氨酯硅粉复合加固材料具有耐腐蚀性，将聚氨酯硅粉复合改性材料砌筑于加固部位，能够有效地保护外漏的钢筋，防止钢筋的锈蚀。

聚氨酯硅粉复合加固材料具有环境耐候性，这是由于聚氨酯硅粉复合改性材料分子链上，主链的氨基甲酸酯硬段于支链上的聚氧硅烷软段相互交联，分子链结成网状，化学能高，稳定度大，分子稳定性好，能够在自然雨水，紫外线，氧气环境下保持稳定性质不发生降解破坏，保持优良的材料特性[11]。

聚氨酯硅粉复合加固材料能够在低温环境下保持良好的延展性，这是由于聚氨酯硅粉复合材料分子支链上的聚硅甲烷玻璃体转化温度极低，从而使聚氨酯硅粉复合改性材料在低温下保持良好的延展性不脆裂。

三、具体实施

桥梁需要根据结构跨度不同选择不同的截面形式、结构形式。不同的截面、结构形式导致桥梁承受荷载方式不同，不同的荷载条件下，经过使用致使桥梁出现病害也不相同，这要求根据具体的结构形式、截面形式，选择不同的加固方式。

桥梁跨度在10m左右时一般选择截面形式为实心板。这种截面形式一般为简支结构。常见病害为由应力集中造成的板底纵向裂缝，以及由于跨中弯矩过大造成的板底横向裂缝。由于裂缝发展，会造成面板混凝土剥落，钢筋外露，混凝土的碳化，钢筋的锈蚀。采用过80目筛的粉煤灰与聚氨酯硅粉复合改性材料混合，再加入适量的固化剂，经过现场拌和制成聚氨酯硅粉复合加固材料，砌筑在清理干净的水泥混凝土板底，砌筑厚度为2mm～2.5mm。

桥梁跨度在6m～20m之间时，常采用空心板梁作为桥梁的结构形式，空心板梁桥的结构形式可以采用简支形式也可以采用连续梁结构形式。常见的病害有板底纵横向裂缝，若采用连续梁还可能为主梁错位，混凝土强度下降，桥面塌陷。通过使用氨酯硅粉复合加固材料的现场改性聚合物浇筑，对支撑的钢筋混凝土板加固处理，可改变钢筋混凝土的结构状态，进而改变整个桥体的受力分布和提高整个桥体承受重力的能力。

桥梁跨度在20m～40m之间时常采用的T梁作为梁体的截面形式，T梁常用的结构形式多为连续梁或者先简支后连续的结构形式。常见的病害有T梁铰缝位置出现纵向裂缝、马蹄位置纵向裂缝、横向裂缝、横向裂缝两侧竖向裂缝、梁底横向裂缝、两侧竖向裂缝组成U形裂缝，以及支座处梁体斜向裂缝。通常是将改性后的氨酯硅粉复合加固材料对混凝土裂缝处进行浇筑来进行加固处理，达到对建筑整体受力结构的优化。

桥梁跨度在20m～40m之间时经常采用小箱梁作为梁体的截面形式，小箱梁常用的结构形式多为连续梁或者先简支后连续的结构形式。常见的病害有温度裂缝、腹板斜缝、腹板与底板连接处的纵向裂缝、与预应力管道重叠的板面纵向裂缝、U形裂缝、混凝土碎裂失散、板体破损、钢筋外漏、钢筋锈蚀等。此类问题通常在清洁裂缝表面后，在修补工作前先刷涂1mm～2mm氨酯硅粉复合材料，等待起泡完全消失后，分段填充和浇筑混凝土或改性的氨酯硅粉复合加固材料，保持结构的稳定性。

四、结语

聚氨酯硅粉复合加固材料，施工方法简单，加固施工过程短，材料质量轻，固结后强度高，避免像其他加固方法那样需要凿除一部分混凝土从而造成的结构破坏。作为一种新型复合材料，聚氨酯硅粉复合改性材料的使用能够节约砂石资源，提高桥梁寿命，提高加固效率，增强加固效果，减轻加固后桥梁的自重。将聚氨酯硅粉复合材料应用于桥梁加固工程中完全符合我国目前执行的“双碳”政策。