高分子材料在桥梁工程中的应用研究_钱若霖.pdf

132钱若霖 高分子材料在桥梁工程中的应用研究高分子材料在桥梁工程中的应用研究*钱若霖（陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西咸阳 712000）摘要：桥梁工程用高分子材料具有强度高、耐久性强等优良的技术性能，对于改善桥梁结构的承载能力和服务功能提供了不可忽视的作用。文章分别从桥梁工程的主体结构、附属设施以及运营维修阶段三个方面详细阐述了不同种类高分子材料的特性及其应用。研究表明，桥梁工程用高分子材料对于桥梁主体结构承载能力的提高、附属设施服务性能的改善以及维修加固效果的提升具有显著促进作用。随着高分子材料技术的不断突破创新，桥梁工程技术将不断进步。关键词：高分子材料；桥梁工程；施工技术；工程应用中图分类号：U 444；TB 324 Research on the Aapplication of Polymer Materials in Bridge EngineeringQIAN Ruo-lin（Civil Engineering College,Shannxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,Shaanxi,China）Abstract:Polymer materials for bridge engineering have excellent technical properties such as high strength and durability,and provide a non-negligible role in improving the bearing capacity and service function of bridge structures.The article expounds the characteristics and applications of different types of polymer materials in detail from the main structure,ancillary facilities and operation and maintenance stages of bridge engineering.The research shows that the polymer materials used in bridge engineering can signifi cantly promote the improvement of the bearing capacity of the main structure of the bridge,the service performance of ancillary facilities and the maintenance and reinforcement effect.With the continuous breakthrough and innovation of polymer material technology,bridge engineering technology will continue to progress.Key words:polymer materials;bridge engineering;construction technology;engineering application桥梁工程中使用的建筑材料种类繁多，其中高分子材料和桥梁工程关系紧密，无论是高分子材料及其复合材料本身还是在既有的建筑无机结合料中添加高分子材料改性剂，在桥梁工程设计、施工和养护阶段的应用都十分广泛1-2。高分子材料的性能对于改善提高桥梁的力学性能和使用寿命具有明显的促进作用，随着交通荷载的日益增加，对桥梁的承载能力提出了更高的要求，高分子材料的在桥梁工程中的应用变得愈加重要。1 桥梁用高分子材料种类及特点高分子材料通常是由单元素分子或小分子物质经过聚合产生的分子量很大的一类高分子物质，其相对于低分子物质的功能特性有了质的提升。在桥梁工程结构施工过程中，无论是主体结构还是附属结构设施，高分子材料的使用随处可见，常见的包括：高分子合成塑料、钢材涂料、砂浆及混凝土聚合物、碳钎维材料、智能高分子材料等。高分子合成塑料具有造价低、可塑性强、弹性好、强度高的特点3，包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯等高分子塑料，以其各自的性能优势在桥梁的附属设施中使用广泛；砂浆和混凝土聚合物，通过添加高分子材料外加剂来改善砂浆或混凝土的性能，提高其强度和稳定性，有效提高桥梁的承载能力；碳钎维复合材料，由树脂与碳纤维复合制成，具有密度小、自重轻、强度高、韧性强的特点，同时，碳纤维材料还具备较好的热稳定性、抗冲击性能等优势，有利于桥梁的施工加固；智能高分子材料包括自修复高分子材料、导电高分子材料和环境敏感高分子材料4，以其自修复功能、光电转化功能和温度敏感性功能，为桥梁工程的维修保养、灯光照明和健康监测提供了材料支撑。2 高分子材料在桥梁工程中的应用2.1 高分子材料在桥梁主体结构中的应用随着交通建设的迅速发展，日益增长的交通对桥梁结构的承载能力提出了更高的要求，对于桥梁主要承重构件的材料力学性能无疑是一项重大的挑战。近年来，超高性能混凝土（UHPC）的出现有效改善了桥梁结构所使用传统混凝土材料的不足，大大提高了材料的强度和耐久性，在桥梁主梁、桥台、桥墩、承台及基础等主体结构中都有设计。超高性能混凝土主要由水泥、细砂、石英砂、硅灰等掺合料、钢纤维和高效减水剂组成，现有研究表明，UHPC的极限抗压强度可达100MPa以上5，其抗压强度和传统混凝土混合料相比显著提高，在大跨*基金项目：陕西工业职业技术学院关中城市群中心区域地灾研究及防护创新团队项目（KCT19-02)。作者简介：钱若霖，硕士，讲师，研究方向桥梁结构分析。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.032合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期133径高承载能力的桥梁主体结构中能够发挥其材料特性。混合料中剔除了碎石或卵石粗集料的加入，有效改善混合料的密度和孔隙率，防止外界自然环境对主要承重构件的腐蚀，进一步提高其耐久性；钢纤维弥补了混凝土抗拉强度不足的缺点，提高 UHPC 的抗断裂能力，降低材料脆性，防止桥梁使用期间产生受拉裂缝；高效减水剂降低混合料水的使用量，降低水胶比，提高了混凝土的强度。主梁结构往往采用预应力体系，对于粘结预应力体系而言，孔道砂浆的质量也是桥梁承载能力的重要影响因素。在砂浆中添加高分子聚合物可以改善砂浆的强度、刚度、保水性、稳定性等性能，有研究表明，适量高吸水树脂材料（SAP）的加入可以提高砂浆的抗压、抗折强度，其后期强度增长速率也要大于普通砂浆。因此，将改性的水泥砂浆应用于预应力体系桥梁，能够有效减小预应力在传递过程中的损失，进而提高桥梁主体结构的承载力。2.2 高分子材料在桥梁附属设施中的应用桥梁结构五小部件分别是：桥面铺装、防排水系统、栏杆、伸缩缝和灯光照明。高分子材料在五小部件等桥梁附属设施中的应用更为广泛。聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料强度高、质量小、造价低，又具有良好的耐腐蚀性和可加工性，在现有的桥梁防排水设施中几乎完全取代混凝土和铁铸泄水管，成为排水设施常用的基材。对于极端自然气候条件地区，为适应昼夜温差大、环境腐蚀性强等不良环境特点，氯化聚乙烯（CPE）和核壳型聚丙烯酸酯树脂复合增韧 PVC 等新型复合改性 PVC材料也出现在桥梁的防排水设施设计中，进一步提高泄水管的耐久性和抗老化性能。桥梁的钢护栏或钢结构桥梁的钢桁架和拱圈上的涂料一般采用具有防火、防锈蚀功能的高分子涂料。防火涂料一般分为膨胀型和非膨胀型6，膨胀型涂料的阻燃体系一般为聚磷酸铵-三聚氰胺-季戊四醇复合体系，简称 P-N-C 阻燃体系；非膨胀型涂料一般为添加磷、氮、卤素等不可燃物质的高分子聚合物合成树脂，其高温下会产生惰性气体阻碍燃烧。桥梁钢结构材料腐蚀主要是由于外界水的侵蚀造成的，高分子防水涂料的致密保护层结构可以有效防止锈蚀的发展。桥梁结构中主要使用的高分子防水涂料包括聚氨酯防水涂料、沥青类防水涂料以及水泥类防水涂料，其中聚氨酯材料的粘结性能好，耐酸耐腐蚀和抗老化能力均较强，但其价格相对于后两者较昂贵；沥青和水泥通过添加适当剂量的掺合料后形成高分子聚合物的混合物，这两种涂料性价比高，同样具有优异的防水防锈蚀的功能。沥青或改性沥青高分子聚合物在沥青混凝土桥面铺装中具有不可替代的作用，沥青路面层次结构包括粘层、透层以及沥青混合料铺装层7。在沥青铺装层材料中以高分子材料作为改性剂对沥青结合料进行改性，已成为提高沥青路面性能的主要手段，能提高沥青混凝土路面的承载能力、稳定性等，以适应车辆的静动态荷载。现有研究发现，沥青道路层间粘结材料的性能对于道路整体性、连续性至关重要，其中基层与面层之间的透层材料多为稀释沥青或乳化沥青，而面层与面层之间的粘层材料多为改性沥青，即在普通石油沥青中加入高分子材料橡胶，层间高分子粘结材料能够有效防止沥青路面早期开裂等病害的发生。城市景观桥梁一般都会对灯光照明有要求，导电高分子材料已广泛应用于城市桥梁的灯光照明工程的施工中。这种智能导电高分子材料主要功能就是实现光能和电能的转化，常见的 PLED 灯管就是利用这种材料加工制作而成，通过改变聚合物的结构实现发光材料的色彩亮度调节，智能且环保。2.3 高分子材料在桥梁加固维修中的应用运营期间的桥梁工程仍然需要对其进行健康监测，确保使用的安全性，若发现病害损伤，需及时对桥梁结构进行加固维修，在这个阶段，高分子材料仍然发挥着不可忽视的作用。健康监测的其中一个项目参数就是结构温度，为实现温度监控数据的精确和可信度，温度敏感型的高分子材料应运而生，比如聚丙烯酰胺材料、聚 N-异丙基丙烯酰胺材料等，利用其对温度的敏感性可以将其应用于温度传感器的生产中，可以实现对结构温度的实时准确监测。为避免桥梁结构发生不可修复的破坏，出现了一批具有自我修复功能的高分子自修复材料，常见的材料有树脂类、橡胶类等。在工程结构中使用最为普遍的是聚丙烯酸酯高分子自修复材料，这种智能高分子自修复材料存在大量氢键，且具有一定动态性，当其受到损伤后能够在极短的时间内完成自我修复。若混凝土桥梁结构出现裂缝等病害，维修加固人员一般选择水泥砂浆进行填缝修复，或灌注环氧树脂等高分子修补材料。环氧树脂的抗弯拉性能强且具有较好的粘合力、耐化学腐蚀和耐水性能，在桥梁工程裂缝加固作业中操作便捷，容易维修，效果良好。随着荷载的持续增加和桥梁服役时间增加，除了裂缝，在役桥梁往往也会出现破损老化等其他病害，一种新的加固技术碳纤维复合材料加固随即出现8。碳纤维复合材料由树脂基材料和碳纤维复合而成，具有密度小、质量轻、强度高、韧性强、稳定性好、便于施工等优点。在不影响桥梁整体结构和行车的基础上，碳纤维复合材料可达到加固的目的。3 结语桥梁工程中使用的高分子材料种类众多，在桥梁主体结构、附属设施以及后期运营保养等方面应用广泛。无论是桥梁工程基材中添加高分子材料进行改性后的材料还是高分子材料本身，均具有优异的力学性能和耐久性。随着高分子材料研究的不断发展，高分子材料与桥梁工程的结合会越来越紧密，更多新型的智能化高分子材料的出现，对桥梁工程技术的进一步发展将会起到举足轻重的促进作用。参考文献1 张士萍,秦子凡,张明鑫,等.新型土木工程材料的研究进展 J.南京工程学院学报(自然科学版),2021,134钱若霖 高分子材料在桥梁工程中的应用研究19(03):1-7.2 彭军,杨育农,谢宇芳,等.高分子建筑材料的概述及其标准化研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(04):114-116.3 马晓燕.高分子材料在室内设计中的应用分析 J.合成材料老化与应用,2021,50(04):149-151,67.4 郝丽娜.智能高分子材料在建筑工程中的应用 J.化工设计通讯,2021,47(10):44-45.5 宋立国.超高性能混凝土在桥梁