聚脲在懸索橋主纜防腐中的應用*

彭春陽，李啟富，植 磊，任顯誠

(1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545005； 2.四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065)

0 引言

中國橋梁歷史悠久，精湛的橋梁建造技術與藝術從古代就聞名于世，成為中華民族絢麗多姿的文化瑰寶，是中華文化不可分割的重要組成部分[1]。隨著社會經濟與交通發展需求及橋梁施工技術的提高，近年來，大跨度懸索橋不斷涌現[2]。懸索橋是結構最復雜、造型最優美的橋型之一，被譽為“橋梁皇后”[3]。主纜是懸索橋重要承重構件，具有“生命線”之稱，其工作狀態影響橋梁使用壽命[4]。主纜由于多處于復雜環境地區，經鹽、水及其他腐蝕介質的侵蝕，易發生破壞，且受動、靜荷載作用和疲勞損傷影響，使其耐久性降低。

主纜使用壽命與其經受的腐蝕密切相關[5]，當主纜鋼絲受腐蝕時，將減小索股有效截面面積和強度，危害橋梁安全。懸索橋主纜受腐蝕的主要原因是主纜防腐結構存在缺陷和防腐措施不當。為此，將防護材料聚脲應用于主纜防腐中，可有效阻斷腐蝕途徑，提高防腐性能和可靠性。

1 防腐方式

目前，多按JT/T 694—2007《懸索橋主纜系統防腐涂裝技術條件》[6]中的要求進行懸索橋主纜防腐涂裝，主纜鋼絲需進行鍍鋅處理，主纜架設完成后通過底漆+不干性密封膏+纏繞鋼絲+聚硫橡膠包覆層+881系列重防腐涂料的方式進行防腐處理。該方式存在以下問題：①主纜拉索涂層逐漸塑化，并失去彈性；②在力和溫度的作用下，主纜鋼絲長度發生變化，易使主纜拉索涂層出現微裂縫；③在太陽照射下，主纜迎光面溫度高，背光面溫度低，造成同一位置不同面主纜鋼絲伸長量不同，導致主纜發生扭轉，使主纜拉索涂層出現微裂縫，水沿微裂縫進入主纜內部，腐蝕主纜鋼絲，微裂縫隨著時間的增加逐漸變大，更多的水沿微裂縫進入主纜內部，加快主纜鋼絲的腐蝕；④增塑劑和生膠向纏繞鋼絲外的硫化密封層移動，導致硫化密封層黏附率降低、孔隙率增加，降低密封效果。《懸索橋主纜系統防腐涂裝技術條件》中規定，進行索夾環縫密封涂裝時，先采用非硫化型橡膠膩子對其內縫進行填充密封，再采用硫化型橡膠密封劑對其外縫進行填充密封。這種密封結構同樣因涂層逐漸塑化失去彈性，使索夾處涂層與索夾端面出現縫隙，導致水、氧氣沿縫隙進入主纜內部，腐蝕主纜鋼絲。

為盡量避免主纜腐蝕，可采用主纜干風除濕系統進行防護，首先為主纜設計氣密性系統，然后通過主纜內部鋼絲縫隙干燥空氣流動達到降低濕度的目的，該系統于1998年在日本明石海峽大橋中首次使用，取得良好除濕效果[7]。干風除濕系統需依靠可靠的外防護層有效阻斷外部水滲入，如果外防護層存在缺陷，達不到除濕效果，起不到干燥作用。

2 聚脲基本性能

聚脲為由異氰酸酯與氨基化合物經高溫高壓設備噴涂而成的彈性體物質[8]，基本性能指標如表1所示。聚脲具有優良的抗沖擊性、抗疲勞性、耐老化性，同時兼具優良的防水性、耐候性、耐磨性，噴涂聚脲后的涂層致密、連續、無接縫、無針孔，可完全隔絕空氣，進而提高構件防腐性能，延長構件使用壽命。國外已將聚脲噴涂在拉索外防護上，用于抵抗炸彈襲擊，起防爆作用。我國四川、山西、浙江等地利用聚脲進行橋梁拉索防護，以提高拉索使用壽命。

表1 聚脲基本性能指標

3 聚脲老化性能試驗

3.1 試驗概況

開展紫外線輻射老化加速試驗，共制作4個橋梁主纜拉索護套，均由HDPE制成，呈啞鈴狀，尺寸如圖1所示。為便于對比分析，僅在3個護套表面噴涂聚脲，未噴涂聚脲的護套編號為1，噴涂聚脲的護套編號依次為2～4。試驗過程中，以懸掛重物的方式使各護套受力相同。紫外線輻照老化試驗箱如圖2所示，紫外線燈在等距離處輻照各護套，分別在老化360，720，1 080h時剝除護套2～4聚脲防護層，繼續老化至材料失效。

圖1 護套尺寸

圖2 紫外線輻照老化試驗箱

3.2 試驗結果與分析

護套裂縫寬度變化曲線如圖3所示，老化696，1 104h后觀察聚脲防護層，未發現其表面存在肉眼可見的裂縫，但表面光澤度有所降低。由圖3可知，以裂縫寬度達36μm作為老化失效終點，護套1使用壽命為360h。由于護套2～4表面有聚脲防護層的保護，剝除聚脲防護層繼續老化一定時間后，內部HDPE才出現裂縫。剝除護套4聚脲防護層后，其內部HDPE未開裂，直至老化約1 440h時，護套4裂縫達到老化失效終點。由此可知，護套4老化至內部HDPE裂縫發展為36μm時需1 440h，使用壽命達未噴涂聚脲護套的4倍。

圖3 護套裂縫寬度變化曲線

大量橋梁主纜拉索使用壽命數據統計結果表明，擠塑型HDPE拉索護套外防護層使用壽命為15～25年，如果將聚脲作為防護層，可將拉索護套使用壽命提升至45～75年，進而提高懸索橋防腐性能。對于具有防護結構的其他類型橋梁，噴涂聚脲后也可提高其防腐性能。

4 聚脲施工性能

聚脲具有快速固化等特點，特別適用于快速施工作業，可使施工效率大大提高。聚脲可在曲面、斜面及垂直面上噴涂成型，不產生流掛現象。施工時可采用噴涂、刷涂、刮涂等多種方式，適應不同的施工場合，一次施工厚度可調可控，克服了以往需多次施工的弊端。可通過加入顏料等制成不同顏色的聚脲產品，由于聚脲不含揮發性有機物，對環境友好，符合綠色施工和可持續發展理念。

5 工程應用

5.1 主纜拉索防腐

進行懸索橋主纜拉索防腐施工時，需注意區分主纜纏絲段與非纏絲段。對于纏絲段，首先在鋼絲表面涂刷1層磷化底漆；然后使用密封膏進行包覆密封處理，并在密封膏表面纏繞S形或圓形鋼絲；最后在主纜表面噴涂聚脲(見圖4a)。對于非纏絲段，首先在鋼絲表面涂刷1層磷化底漆，然后使用密封膏進行包覆密封處理，最后噴涂聚脲(見圖4b)。采取上述措施后，可實現隔絕空氣、防腐功能，有效避免主纜拉索因受外部環境的影響而腐蝕。

圖4 主纜拉索防腐構造示意

5.2 主纜索鞍防腐

可采用油漆防腐層/鍍鋅防腐層+聚脲防護層作為主纜索鞍防腐結構，當采用聚脲防護層時，利用聚脲良好的延展性及結構位移追隨性封閉主纜索鞍處縫隙，并在索鞍及出口位置整體噴涂聚脲進行包覆處理，使主纜與索鞍防腐體系形成連續、封閉的整體結構(見圖5)，可有效避免主纜因索鞍縫隙滲水而腐蝕。

圖5 主纜索鞍防腐構造示意

5.3 主纜索夾防腐

進行懸索橋主纜索夾防腐施工時，在索夾端面設置密封件，以改進索夾端面密封結構，并進行聚脲整體噴涂，使主纜與索夾防腐體系形成連續、封閉的整體結構(見圖6)，可實現隔絕空氣、防腐功能，有效避免主纜因索夾縫隙滲水而腐蝕。

圖6 主纜索夾防腐構造示意

5.4 主纜錨固件防腐

可采用油漆防腐層/鍍鋅防腐層+聚脲防護層作為主纜錨固件防腐結構(見圖7)，從而實現隔絕空氣、防腐功能，減少外界因素對主纜錨固件的影響，提高整個系統防腐性能和可靠性。

圖7 主纜錨固件防腐構造示意

6 結語

腐蝕是影響懸索橋主纜耐久性的關鍵因素之一，聚脲作為綠色環保的防護材料，具有優良的物理性能和施工性能，將其作為懸索橋主纜防腐材料，有利于解決懸索橋主纜腐蝕問題，可有效阻斷主纜腐蝕途徑，提高主纜防腐性能，進而延長懸索橋使用壽命。