CN112176889A - 一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺，包括24.95‑39.95重量份聚酯多元醇、24.95‑39.95重量份异氰酸酯、19.9‑49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂。首先将聚酯多元醇和硅酸盐水泥在料仓中混合，用搅拌机充分搅拌。再将异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。该复合材料具有防水、防腐等优秀的物理性质，成本低且绿色环保，不会对周围土体产生毒害和污染。该装置及施工工艺减少了施工过程对施工桥梁整体和周围环境的扰动，加快了加固工程的施工速度，缩短了工期。

Description

一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，具体地说是一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺。

背景技术

桥梁作为一种基础交通设施，在交通要求快速发展的今天得到越来越多应用。对现有桥梁的维修、养护、加固与改造成为交通研究领域中的重要课题。空心板以其自重轻，制作工艺成熟、造价低、安装方便的优点在桥梁工程中得到广泛的应用。然而，随着桥梁服役时间增长及重载交通等因素影响，大量旧空心板桥出现病害，尤其是早期建造的空心板桥，承载力较低，且多采用小企口缝进行连接，部分桥梁已出现单板受力的情况，危及桥梁安全，成为公路桥梁运营的隐患。在这种背景下，对空心板桥梁加固的重视程度不断提高。传统的空心板桥梁的加固方法是采用横向粘贴钢板法或桥面补强层加固法等大量采用水泥混凝土、钢筋等材料的方法，往往存在技术经济性低、施工成本高等缺点。因此急需找到一种改良效果好、施工简单、成本低且环保，并在能够保证结构强度的同时能够快速施工的工艺。

近年来化学和材料技术得到快速发展，由于其与各个基础学科的密切联系也推动了这些基础学科的进步。如交通基础设施等相关领域也因为材料的进步而得到进一步的发展。材料技术，尤其是聚氨酯复合材料以其优秀的性能、工程和易性的特点与基础工程学科之间的相互结合、共同发展也不断增多。这一发现具有广泛的应用前景和显著的工程技术与经济价值。所以如果能够寻找到一种复合材料用于桥梁的加固处理，尤其是适用于解决使用广泛但跨径短、承载力相对较小的空心板梁的加固处理问题，将会发挥巨大的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺，该复合材料具有防水、防腐等优秀的物理性质，成本低且绿色环保，不会对周围土体产生毒害和污染。该装置及施工工艺减少了施工过程对施工桥梁整体和周围环境的扰动，加快了加固工程的施工速度，缩短了工期。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种复合材料，包括24.95-39.95重量份聚酯多元醇、24.95-39.95重量份异氰酸酯、19.9-49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂；

(2)、首先将聚酯多元醇和硅酸盐水泥在料仓中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

进一步，包括33重量份聚酯多元醇、33重量份异氰酸酯、33.8重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂；

(2)、首先将33重量份的聚酯多元醇和33.8重量份的硅酸盐水泥在料仓中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将33重量份的异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入0.2重量份的添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

进行加固空心板桥梁的装置，包括模具和复合材料输送机构，所述复合材料输送机构包括进料口一、进料口二、进料口三、拌合仓一、拌合仓二、泵送机和送料管道，所述进料口一与拌合仓一相通，所述拌合仓一的出料口、进料口二和进料三分别与拌合仓二相通，所述拌合仓二的出料口与送料管道相连，所述送料管道设有多个与模具上的注浆口对应的出料端，送料管道上设有泵送机。

进一步，所述模具为顶面开口其余面封闭的腔体，在顶面开口四个侧边分别设有翼板，对应两侧的翼板上设有倾斜的注浆口。

进一步，还包括加固部件，所述加固部件包括钢丝网和角钢框，所述钢丝网通过多个钢丝网固定螺栓与角钢框连接，所述角钢框四角通过角钢框固定螺栓安装于空心板梁底部。

加固空心板桥梁的施工工艺，包括如下步骤：

(1)、凿毛处理和清理空心板梁底部；

(2)、处理模具和锚固钢丝网：在模具内表面粘贴一层塑料薄膜，槽口尺寸应匹配空心板梁梁底加固部分的尺寸，深度为3-5cm；利用固定螺栓将钢丝网装置锚固在空心板梁的底面；

(3)、架立模具：根据模具槽口尺寸的大小，在空心板梁底部对应位置钻孔，将模具固定在梁底的待加固位置上，用速凝胶涂抹模具和梁底的贴合处，将模具翼板和梁底的贴合处的缝隙全部填充，避免浇筑时聚氨酯水泥复合材料的泄露和流失；

(4)、配置聚氨酯水泥复合材料：在施工现场配置聚氨酯水泥复合材料，将材料充分搅拌混合，在搅拌过程中应注意温度、时间的控制，聚氨酯水泥复合材料在搅拌完成后立即浇筑，提高材料的利用率和浇筑的成功率；

(5)、浇筑聚氨酯水泥复合材料：将配置好的复合材料通过复合材料输送机构经送料管道和模具上的注浆口注入到模具内部，直至注满浇筑到设计的注浆口处，标志梁底与材料已充分接触，保证材料与梁底充分接触；

(6)、材料养护；在20-30摄氏度的条件下，养护48h；

(7)、脱模：在聚氨酯水泥复合材料完成养护后，将固定在空心板梁梁底的模具拆下，清理加固层表面，完成整个加固施工过程。

进一步，在进行第(5)步骤浇筑聚氨酯水泥复合材料时，整个浇筑过程控制在0.5h以内。

本发明的有益效果是：

1、本发明对于空心板桥梁的空心板的加固效果明显，提高空心板梁的承载性能，且聚氨酯水泥复合材料具有防水、防腐等优秀的物理性质，成本低且绿色环保，不会对周围土体产生毒害和污染，操作简单，施工和易性较高。

2、通过复合材料与加固部件相结合有效加固了空心板梁，并且聚氨酯水泥复合材料浇筑完成后与梁体粘贴在一起，形成了有效的受力层，提升了加工后的空心板梁的整体性，在对梁体起到加固作用的同时也保证了空心板梁的稳定性。

3、本发明的施工工艺减少了施工过程对施工桥梁整体和周围环境的扰动，加快了加固工程的施工速度，缩短了工期。

附图说明

图1为模具的结构示意图。

图2为加固部件安装在空心板梁底部的结构示意图；

图3为复合材料输送机构的示意图；

图4为浇筑复合材料的使用状态图。

图中：

1模具、2翼板、3注浆口、4钢丝网、5角钢框、6钢丝网固定螺栓、7角钢框固定螺栓、8进料口一、9进料口二、10进料口三、11拌合仓一、12拌合仓二、13搅拌机、14出料口、15泵送机、16送料管道、17空心板梁。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置及施工工艺作以下详细说明。

如图1至图4所示，本发明的一种基于复合材料加固空心板桥梁的装置，包括模具1和复合材料输送机构，通过输送机构将配比搅拌均匀后的复合材料输送至模具内形成空心板梁底部的加固层。所述复合材料输送机构包括进料口一8、进料口二9、进料口三10、拌合仓一11、拌合仓二12、泵送机15和送料管道16，所述进料口一8与拌合仓一11相通，所述拌合仓一11的出料口、进料口二9和进料三10分别与拌合仓二11相通，所述拌合仓二11的出料口与送料管道16相连，所述送料管道16设有多个与模具上的注浆口3对应的出料端，送料管道上设有泵送机15。拌合仓一11和拌合仓二12中分别设有搅拌机13。通过进料口一8将聚酯多元醇和硅酸盐水泥注入拌合仓一11中进行混合搅拌，搅拌后的混合料通过拌合仓一的出料口进入拌合仓二12中，同时通过进料口向拌合仓二12中加入异氰酸酯一并进行搅拌，在搅拌过程中再通过进料口三10加入添加剂，利用搅拌机充分搅拌，完成复合材料的配置。其中催化剂材料为苯甲酰氯。

所述模具1为顶面开口其余面封闭的腔体，在顶面开口四个侧边分别设有翼板2，对应两侧的翼板上设有倾斜的注浆口3，通过多个注浆口同时对模具内腔进行注浆，提高效率的同时保证注浆的均匀。模具外形为水槽型，材质为硬质橡胶板，槽口尺寸根据所加固的空心板梁梁底的尺寸改变，槽口边缘有平直向外伸展的翼板和高于槽口平面的注浆口，槽深3cm-5cm。

为了增加空心板梁底部加固层能牢固的设置在空心板梁底部，在空心板梁底部还可设置由钢丝网4构成的加固部件，所述加固部件包括钢丝网4和角钢框5，所述钢丝网4通过多个钢丝网固定螺栓6与角钢框5连接，所述角钢框四角通过角钢框固定螺栓7安装于空心板梁17底部。加固部件的作用是保证了复合材料与空心板梁底部的附着力，增强复合材料的稳定。

其中，复合材料为聚氨酯水泥复合材料，包括24.95-39.95重量份聚酯多元醇、24.95-39.95重量份异氰酸酯、19.9-49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，其中硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，具体制作步骤如下：

(4)、分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂；

(5)、首先将聚酯多元醇和硅酸盐水泥在拌合仓一中混合，用搅拌机充分搅拌；

(6)、再将异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

实施例一

聚氨酯水泥复合材料的配比为：24.95重量份聚酯多元醇、24.95重量份异氰酸酯、49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取24.95重量份聚酯多元醇、24.95重量份异氰酸酯、49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂。

(2)、首先将24.95重量份的聚酯多元醇和49.9重量份的硅酸盐水泥在料仓一中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将24.95重量份的异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入0.2重量份的添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

将配置完成所得处于液态的聚氨酯水泥复合材料注入小型试模，制备用于后续试验的小型试件。

实施例二

聚氨酯水泥复合材料的配比为：33重量份聚酯多元醇、33重量份异氰酸酯、33.8重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取33重量份聚酯多元醇、33重量份异氰酸酯、33.8重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂。

(2)、首先将33重量份的聚酯多元醇和33.8重量份的硅酸盐水泥在料仓一中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将33重量份的异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入0.2重量份的添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

将配置完成所得处于液态的聚氨酯水泥复合材料注入小型试模，制备用于后续试验的小型试件。

实施例三

聚氨酯水泥复合材料的配比为：39.95重量份聚酯多元醇、39.95重量份异氰酸酯、19.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取39.95重量份聚酯多元醇、39.95重量份异氰酸酯、19.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂。

(2)、首先将39.95重量份的聚酯多元醇和19.9重量份的硅酸盐水泥在料仓一中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将39.95重量份的异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入0.2重量份的添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

将配置完成所得处于液态的聚氨酯水泥复合材料注入小型试模，制备用于后续试验的小型试件。

对上述三种实施例不同配比的复合材料开展聚氨酯水泥复合材料力学性能测试研究：

聚氨酯水泥复合材料抗压强度试验：

本文的抗压试验参照《公路工程水泥及混凝土试验规程》(JTG E30—2005)确定抗压强度计算公式如下：

f_c—聚氨酯水泥复合材料抗压强度(MPa)；

F_c—极限荷载(N)；

S—承压面积(mm²)。

材料抗压强度试验其具体试验过程是：

试验选取制备好的边长尺寸为70mm的立方体试件，在进行试验前对试件的表面光滑程度和尺寸进行检查，完成检查后将试件推入试验仪，以20N/s的加载速度对试件进行连续加载直至破坏，试验共进行三组。

表1抗压强度试验结果对比

组别	抗压强度(MPa)
		实施例一	54.6
实施例二	57.3
		实施例三	52.8

2)聚氨酯水泥复合材料抗拉强度试验：

试验选取制备好的尺寸为160mm*40mm*40mm的长方体试件，在进行试验前对试件的表面光滑程度和尺寸进行检查，完成检查后将试件放入试验仪进行抗折强度试验，以50N/s的加载速度对试件进行连续加载直至试件破坏，试验共进行三组。

表2抗折强度试验结果对比

组别	抗折强度(MPa)
		实施例一	40.2
实施例二	42.6
		实施例三	39.8

由聚氨酯水泥复合材料的抗压、抗拉试验结果对比得到，实施例二的抗压、抗折的效果最好。由实施例一和实施例三的材料配比得到的聚氨酯水泥复合材料对水泥材料有一定的补强效果，但是相对与实施例二的材料配比制备得到的聚氨酯水泥复合材料的补强效果较弱。

使用上述复合材料加固空心板桥梁的装置的施工工艺，包括如下步骤：

(1)、凿毛处理和清理空心板梁底部；首先对现有桥梁的空心板梁梁底进行凿毛处理，再对梁底进行清理，清理附着在梁底的异物和灰尘，使聚氨酯水泥复合材料和梁底表面充分粘贴。

对梁底进行平整，必要时应用绞磨机将梁底的明显突出部磨去保证梁底的平整，增大聚氨酯水泥复合材料与梁底的接触面积，有效提高浇筑完成后加固层与梁体的整体性。

浇筑模具选用所述的新型模具，在模具内表面粘贴一层塑料薄膜；利用角钢锚固螺栓将钢丝网装置锚固在空心板梁的底面。

(2)处理模具和锚固钢丝网：浇筑模具选用所述的新型模具，在模具内表面粘贴一层塑料薄膜，槽口尺寸应匹配空心板梁梁底加固部分的尺寸，深度为3-5cm；利用固定螺栓角钢锚固螺栓1-2.4和角钢锚固螺栓2-2.5将钢丝网装置锚固在空心板梁的底面；钢丝-2.1直径为0.1～0.2cm张拉好后用垫片和钢丝锚固螺栓-2.2固定在角钢框-2.3、，钢丝的间距根据待加固的空心板梁梁底尺寸大小在与预制过程距离5～8cm布置。

在此方案基础上，在施工过程中，实际安装钢丝网装置前，应该对张拉的钢丝和钢丝的锚固进行检测，若不满足要求则应进行相应的加固处理直至满足要求或者更换钢丝网装置进行安装。

(3)架立模具：根据模具槽口尺寸的大小，在空心板梁底梁底对应位置钻孔，用螺栓、角钢和垫片穿过模具的翼板将模具固定在梁底的待加固位置上，用速凝胶涂抹模具和梁底的贴合处，将模具翼板和梁底的贴合处的缝隙全部填充，避免浇筑时聚氨酯水泥复合材料的泄露和流失；位于的模具外侧的注浆口应紧靠梁底平面，方便浇筑。

在此方案基础上，在架立模具之前，应对模具进行相应的处理，在模具的内侧涂抹脱模剂并粘贴一层硬质塑料膜覆盖模具的内表面，以确保聚氨酯水泥复合材料在浇筑过程中不直接和模具接触方便脱模。

(4)配置聚氨酯水泥复合材料：在施工现场配置聚氨酯水泥复合材料，根据聚氨酯水泥复合材料的配方和配制顺序来配制复合材料，将材料充分搅拌混合，在搅拌过程中应注意温度、时间的控制，聚氨酯水泥复合材料在搅拌完成后立即浇筑，提高材料的利用率和浇筑的成功率；

在此方案基础上，在实际进行桥梁加固施工时可采用所述拌合机械来进行材料的配置，由进料口1-3.1拌合仓1-3.5中加入普通硅酸盐水泥和液体A，在拌合仓1中充分搅拌后排入拌合仓2-3.6，同时由进料口2-3.2、进料口3-3.3分别加入液体B和添加剂，在拌合仓2中充分搅拌后由出料口排出成料。应注意，拌合过程中避免大量液体A、B直接接触进而导致的材料发泡而引起的聚氨酯水泥复合材料配制失败。

(5)浇筑聚氨酯水泥复合材料：将配置好的复合材料通过复合材料输送机构经送料管道和模具上的注浆口注入到模具内部，直至注满浇筑到设计的注浆口处，标志梁底与材料已充分接触，保证材料与梁底充分接触，整个过程应控制在0.5h以内。

在此方案基础上，在实际进行桥梁加固施工时可以采用泵送机通过注浆口向模具内注入拌合完成聚氨酯水泥复合材料，泵送机可以与拌和机连接起来完成快速输送，加快浇筑进度减少施工时间。借助泵送机的压力，向模具内部浇筑聚氨酯水泥复合材料时可以使材料排布的更加紧密、均匀，浇筑的效果更好。

在此方案基础上，进行浇筑施工时，在模具下面使用支撑支架和方木来支撑模具，减小模具在浇筑和养护过程中受到的压力，避免由于模具因受到的压力过大而破裂导致浇筑失败，有利于提高浇筑成功率和聚氨酯水泥材料的养护。

(6)材料养护；在20-30摄氏度的条件条件下，养护48h；

(7)脱模：在聚氨酯水泥复合材料完成养护后，将固定在空心板梁梁底的模具拆下，清理加固层表面，完成整个加固施工过程。

将附着在浇筑完成的聚氨酯水泥复合材料表面的硬质塑料膜揭下。并应该对浇筑完成的聚氨酯水泥复合材料形成的加固层进行检测。若发现有明显的裂缝或达不到预期加固目的的情况，则应该拆除并重新进行浇筑。

本发明对于空心板桥梁的空心板的加固效果明显，提高空心板梁的承载性能，且聚氨酯水泥复合材料具有防水、防腐等优秀的物理性质，成本低且绿色环保，不会对周围土体产生毒害和污染，操作简单，施工和易性较高。施工工艺减少了施工过程对施工桥梁整体和周围环境的扰动，加快了加固工程的施工速度，缩短了工期。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims (7)

1.一种复合材料，其特征是，包括24.95-39.95重量份聚酯多元醇、24.95-39.95重量份异氰酸酯、19.9-49.9重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂；

(2)、首先将聚酯多元醇和硅酸盐水泥在料仓中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料，其特征是，包括33重量份聚酯多元醇、33重量份异氰酸酯、33.8重量份硅酸盐水泥和0.2重量份催化剂，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取聚酯多元醇、异氰酸酯、硅酸盐水泥和催化剂；

(2)、首先将33重量份的聚酯多元醇和33.8重量份的硅酸盐水泥在料仓中混合，用搅拌机充分搅拌；

(3)、再将33重量份的异氰酸酯加入料仓中混合，在混合过程中加入0.2重量份的添加剂，用搅拌机继续充分搅拌，至完成复合材料的配置。

3.一种加固空心板桥梁的装置，其特征是，包括模具和复合材料输送机构，所述复合材料输送机构包括进料口一、进料口二、进料口三、拌合仓一、拌合仓二、泵送机和送料管道，所述进料口一与拌合仓一相通，所述拌合仓一的出料口、进料口二和进料三分别与拌合仓二相通，所述拌合仓二的出料口与送料管道相连，所述送料管道设有多个与模具上的注浆口对应的出料端，送料管道上设有泵送机。

4.根据权利要求3所述的加固空心板桥梁的装置，其特征是，所述模具为顶面开口其余面封闭的腔体，在顶面开口四个侧边分别设有翼板，对应两侧的翼板上设有倾斜的注浆口。

5.根据权利要求3所述的加固空心板桥梁的装置，其特征是，还包括加固部件，所述加固部件包括钢丝网和角钢框，所述钢丝网通过多个钢丝网固定螺栓与角钢框连接，所述角钢框四角通过角钢框固定螺栓安装于空心板梁底部。

6.一种使用权利要求3-5的加固空心板桥梁的装置对权利要求1或2的复合材料进行施工的施工工艺，其特征是，包括如下步骤：

(1)、凿毛处理和清理空心板梁底部；

(2)、处理模具和锚固钢丝网：在模具内表面粘贴一层塑料薄膜，槽口尺寸应匹配空心板梁梁底加固部分的尺寸，深度为3-5cm；利用固定螺栓将钢丝网装置锚固在空心板梁的底面；

(3)、架立模具：根据模具槽口尺寸的大小，在空心板梁底部对应位置钻孔，将模具固定在梁底的待加固位置上，用速凝胶涂抹模具和梁底的贴合处，将模具翼板和梁底的贴合处的缝隙全部填充，避免浇筑时聚氨酯水泥复合材料的泄露和流失；

(4)、配置聚氨酯水泥复合材料：在施工现场配置聚氨酯水泥复合材料，将材料充分搅拌混合，在搅拌过程中应注意温度、时间的控制，聚氨酯水泥复合材料在搅拌完成后立即浇筑，提高材料的利用率和浇筑的成功率；

(5)、浇筑聚氨酯水泥复合材料：将配置好的复合材料通过复合材料输送机构经送料管道和模具上的注浆口注入到模具内部，直至注满浇筑到设计的注浆口处，标志梁底与材料已充分接触，保证材料与梁底充分接触；

(6)、材料养护；在20-30摄氏度的条件下，养护48h；

(7)、脱模：在聚氨酯水泥复合材料完成养护后，将固定在空心板梁梁底的模具拆下，清理加固层表面，完成整个加固施工过程。

7.根据权利要求6所述的加固空心板桥梁的施工工艺，其特征是，在进行第(5)步骤浇筑聚氨酯水泥复合材料时，整个浇筑过程控制在0.5h以内。

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