硅基聚氨酯复合材料在桥梁加固工程中的应用

杜永刚

（甘肃省定西公路事业发展中心，甘肃定西 743000）

桥梁作为跨越障碍的构筑物，在自然环境中承受着环境的侵蚀和往复交通荷载的作用。有些桥梁由于设计及施工不合理，本身也存在一定的缺陷，这就导致桥梁在使用过程中会出现病害，严重的可能会影响桥梁的结构安全和可靠度降低［1］。桥梁加固工程就是对可靠度降低的桥梁进行维修加固。这就要求桥梁加固工程所选用的材料能够满足加固效果好、造价低、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、贴钢板（条）法［2］等。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、效果不稳定等一些列问题。在此种背景下，复合聚氨酯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，施工时间段内，不用间断交通，加固体重量轻，加固材料与水泥混凝土粘附性好，不用破坏桥梁结构，能够降低加固成本，提高加固效率。

1 常见桥梁病害分析

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，这就要求根据具体的结构形式，截面形式，选择不同的加固方式。下面具体论述几种常见结构形式的公路桥梁病害。

（1）桥梁跨度在10m 左右时一般选择截面形式为实心板梁。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板底横向裂缝；由于裂缝发展，造成面板混凝土剥落、钢筋外露、混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。

（2）桥梁跨度在6～20 m 之间时常采用空心板梁作为桥梁的截面形式，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：由于挠度过大造成的板底纵横向裂缝，若采用连续梁还可能因为受力不均匀造成铰缝处水泥砂浆的失散，进而造成主梁错位、混凝土强度下降、桥面塌陷。

（3）桥梁跨度在20～40 m 之间时常采用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：随着桥梁服役期限的增加，T 梁铰缝位置会出现纵向裂缝，马蹄位置同样会出现纵向裂缝；由于跨中挠度过大产生的横向裂缝以及横向裂缝两侧的竖向裂缝，梁底的横向裂缝以及两侧竖向裂缝组成U 形裂缝；由于受剪，支座处梁体会产生斜向裂缝；裂缝发展造成的T 梁翼板破坏、钢筋外漏甚至钢筋锈蚀。

（4）桥梁跨度在20～40 m 之间时也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：由于抗剪强度不足导致的腹板斜缝；由于设计不合理导致的腹板与顶板、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；跨中挠度过大造成的U 形裂缝；由于裂缝发展造成的混凝土碎裂失散、板体破损、钢筋外漏和钢筋锈蚀等。

2 硅基聚氨酯复合材料性能特点

硅基聚氨酯复合材料由硅基材料和聚氨酯通过共混、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［3］；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［4］。正是由于硅基材料的相容性高这一特点，可以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。聚氨酯就是其中之一，聚氨酯(PU) 材料具有耐磨、抗撕裂、抗曲挠性好的材料特点; 硅基材料分子链支端由于带有活性端基(-OH,-NH2)，可以与聚氨酯的端异氰酸酯基在聚合扩链反应中制成硅基聚氨酯复合材料［5］。硅基聚氨酯复合材料的分子链中，嫁接在聚氨酯的端异氰酸酯基分子支链上的聚硅氧烷链段在使用温度区处于粘弹态，而位于主链上的氨基甲酸酯基、脲基处于玻璃态或结晶态, 属于硬段［6］。聚硅氧烷分子软段的存在使材料具有良好的弹性, 主链上的氨基甲酸酯基、脲基则使材料强度增加。

通过聚合法将聚二甲基硅氧烷引入聚氨酯结构中，既保留了硅基优异的材料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，使改性后的硅基聚氨酯复合材料具备了出色的力学性能、耐腐蚀性能、热稳定性能等诸多优点［7］。

(1) 耐腐蚀性。因为聚二甲基硅氧烷与聚氨酯协同作用，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，具有不亲水、不亲油的特点，进而表现为耐腐蚀。

(2) 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，从而提高了硅基聚氨酯复合材料的热稳定性［8］。

(3) 良好的力学性能。这是因为通过引入聚硅氧烷，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产生深度的规则的交联，致使分子更加致密且分子间作用力更大、更稳定。因此，硅基聚氨酯复合材料的力学性能表现为抗拉、抗剪强度、断裂伸长率增加［9］。

3 硅基聚氨酯复合材料在桥梁加固中的应用分析

硅基聚氨酯复合材料与水泥混凝土材料具有良好的粘附性，硅基聚氨酯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［10］。采用硅基聚氨酯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。并且硅基聚氨酯复合材料克服了在潮湿环境容易降解破坏的缺点［11］，耐水、耐高温性能均表现良好。通过前文论述可以总结出，桥梁病害主要形式为混凝土裂缝、混凝土破坏、梁体破损、钢筋外漏和钢筋锈蚀，从而导致的桥梁强度降低。硅基聚氨酯复合材料在桥梁加固中的应用主要体现在以下几方面。

(1) 硅基聚氨酯复合材料应用于桥梁加固工程时，由于其具有优越的力学性能，将硅基聚氨酯复合材料涂抹于加固部位并且养护完成后，能够使加固后的桥梁获得良好的力学强度，在荷载作用下抑制裂缝的产生，遏制梁体继续破坏，保证加固后的桥梁的安全性。这是由于硅基聚氨酯复合材料的分子链支链上的硅基团在使用温度下处于粘弹态，主链属于硬态，使分子整体表现出优越的力学性质，其弯拉强度、剪切强度和拉拔强度均高于同类树脂类、橡胶类聚合物3～5 倍［12］。并且，复合聚氨酯材料的断裂伸长率在硬度较大时依然可以满足实际需要。

(2) 将硅基聚氨酯复合材料用于桥梁加固时，由于硅基聚氨酯复合材料具有耐腐蚀性、环境耐候性，能够有效地保护外漏的钢筋，保护钢筋在雨水丰沛、氧化物浓度高、富含氯离子等不利环境下不产生锈蚀。这是由于硅基聚氨酯复合材料分子链主链上的氨基甲酸酯键具有很强的极性，对非极性油等有很强的排斥效果，所以耐腐蚀性较好［13］。 并且硅基聚氨酯复合材料分子链上，主链的氨基甲酸酯硬段与支链上的聚硅氧烷软段相互交联，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。从而保证了硅基聚氨酯复合材料用于桥梁加固时，能够稳定有效地保护外漏的钢筋免于遭受侵蚀失效。

(3) 硅基聚氨酯复合材料由于其分子支链上的聚硅氧烷玻璃化转变温度极低，能够在低温环境下保持良好的延展性。因此硅基聚氨酯复合材料进行桥梁加固时，经受高低温循环作用后加固材料仍能稳固地附着于加固梁体之上而不剥落、不脆裂，保证了加固效果稳定。

4 结语

硅基聚氨酯复合材料用于加固施工时，施工方法简单，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, 与传统加固方法、加固材料相比，硅基聚氨酯复合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。将硅基聚氨酯复合材料应用于桥梁加固工程中符合目前我国执行的“双碳”政策目标导向，使成本降低和材料本身的诸多优势逐步显现，值得在桥梁加固工程中大力推广和应用。