膠粘劑在鋼橋梁中的應用

劉軍成

摘 要：鋼結構本身重量輕、耐久性好，良好的韌性和可塑性。使其本身具備耐壓性、拉伸和切割強度都比較高，抗震性能優。鋼橋相對于傳統的混凝土橋相比，具有加工簡單，安裝方便，施工周期短，安全系數高等優點。由于其眾多的突出優點，使得鋼橋梁自使用之日起便得到了快速地發展。文章闡述鋼橋的發展和總結了鋼結構橋梁所用的膠粘劑種類。

關鍵詞：鋼橋梁;發展;粘接膠;防護密封膠

中圖分類號：TQ437 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0027-04

Application of Adhesive in Steel Bridge

Liu Juncheng

（China Railway Shanqiao Group Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066200， China）

Abstract：Steel structure itself is light weight， good durability， good toughness and plasticity. It has high pressure resistance， tensile strength and cutting strength， and excellent seismic performance. Compared with the traditional concrete bridge， steel bridge has the advantages of simple processing， convenient installation， short construction period and high safety factor. Because of its many outstanding advantages， the steel bridge has been developed rapidly since it was used. This paper describes the development of steel bridges and summarizes the types of adhesives used in steel bridges.

Key words：steel bridge; development; adhesive; protective sealant

0 引言

在跨越山川江河、不良地質和滿足交通需求方面，橋梁發揮著極其重要的作用。橋梁的出現及發展為我國的經濟、文化及國防等方面做出了巨大貢獻。近年來，隨著城市化進度不斷地加快以及交通運輸的壓力增大，橋梁扮演的角色越來越重要，橋梁作為公路建設項目中的主要組成部分，其結構的耐久性及橋面的使用功能也越來越受到重視[1]。現代化的橋梁不能僅僅滿足于交通，而且更應具有抵抗和傳遞汽車荷載的能力，良好的平整性、抗滑耐磨耗性，為汽車提供安全、舒適、快速的行駛道面。自鋼筋混凝土橋梁問世以來就倍受人們的青睞，這是因為混凝土橋梁有著壓縮強度高、剛度大、價格低廉，后期養護費用較低，行車噪聲小等優點，混凝土橋梁逐漸完全替代了古老的木結構橋梁。鋼筋混凝土橋梁在承受荷載時，由于其中混混凝土壓縮能力強和鋼筋拉申的作用，使得鋼筋混凝土橋梁有著壓縮強度高、剛度大等優點。所以混凝土橋梁到目前為止用的最多最廣的一種橋梁。然而由于橋梁長期暴露于空中以及長期承受運輸壓力，各種各樣的耐久性問題也會隨之出現。比如大氣中的二氧化碳隨著時間的推移就會不斷地浸入到橋梁里面，當二氧化碳濃度到達一定的程度時就會破壞鋼筋表面的鈍化膜導致鋼筋銹蝕，從而產生順筋裂縫、引起構件損傷、造成混凝土保護層開裂等一系列不良后果，如不及時處理就會造成不可挽回的損失[2-5]。除此之外，混凝土橋梁存在自重較大、工期長及施工工藝較復雜等缺點，研究者們將目光開始轉向鋼結構橋梁。相對混凝土橋梁，鋼結構橋梁有著加工簡單，安裝方便，施工周期短;鋼結構橋梁韌性及抗震性好。正是因為鋼橋具備這些混凝土橋無法比擬的優點，才使得鋼橋自使用之日起便得到了快速發展。

1 鋼橋梁的發展

大跨度空間建橋以及跨建筑物建橋對于傳統的鋼筋混凝土橋梁來說是一件很艱難的事情，即使建造成功，也必將耗費大量的人力、財力、時間。自從鋼結構的橋梁的問世，就輕而易舉地解決了這些問題[6]。鋼結構橋前身其實就是鐵橋由英國建造的第一座，到了19世紀40年代才出現鋼材，進而在1890年才真正意義上建造了第一座鋼橋，從此才算進入鋼橋時代[7-8]。后來人們發現鋼結構建造的橋梁，后期的防腐保養更浪費財力及人力。于是，在1933年美國的Stell公司率先研制出耐候橋梁鋼并推出“COR-TEN”型低合金耐候鋼的工業化產品，到了1974年人們將70W和100W等高強度耐候橋梁納入了標準;20世紀90年代以來在美國出現了HPS系列的高性能鋼，使得鋼結構橋梁發展更多元化和更加實用[9-11]。

2 用于鋼結構橋梁的膠粘劑

目前用于鋼橋梁的膠粘劑主要包含兩種：一種是用于鋼結構橋面防水粘接層的粘接膠;另一種是用于鋼索以及鋼橋局部密封的密封膠[12]。

2.1 鋼結構橋面鋪裝粘接膠

橋梁為各種車輛行駛提供了承重和耐久的橋面，而橋面鋪裝直接關系到整座橋的安危和長期使用壽命，橋梁長期使用性和安全性的保障是與科學合理的橋面鋪裝體系息息相關的。鋼橋面鋪裝是在鋼橋面板上刷一層防水粘接層，確定鋪裝層和鋼橋面板有良好的粘接及防水性，然后鋪裝單層或多層的其他材料，最后形成鋪裝層。橋面鋪裝的好壞主要取決于防水粘接層，形成整體橋面鋪裝裝置的關鍵是防水粘接層的防水性和粘接性。若鋼橋面板防水粘接層的防水處理不當，雨水就會通過鋪裝層滲透到鋼橋面板，不僅會使粘接層膠的粘接失效，而且還會浸蝕橋面板和橋梁結構材料，從而造成鋼橋梁的銹蝕。因此防水粘接性能的好壞對鋼橋耐久性及安全性有著直接影響。目前防水粘接層所用到的材料可分為4類：甲基丙烯酸酯防水材料、環氧樹脂材料、環氧瀝青材料及溶劑型粘接劑材料[13-14]。上述防水材料中用的最多最廣的膠粘劑是丙烯酸膠粘劑和環氧樹脂膠粘劑。為了更直觀地看到膠粘劑在鋼橋的鋪裝，如圖1、圖2所示。

2.1.1 丙烯酸膠粘劑

丙烯酸防腐底漆、甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水膜和丙烯酸膠粘劑三種物質組成了甲基丙烯酸酯防水體系材料。施工時將丙烯酸膠粘劑直接噴涂在MMA防水膜上，固化后形成一個封閉的整體體系，從而達到防水效果。溶液型丙烯酸酯膠粘劑是甲基丙烯酸酯防水材料體系中常用的膠粘劑，其可分為兩種：一種是將聚合物直接溶解稀釋配成一定比例的膠粘劑溶液，可進行手工涂抹也可以進行噴涂的方式進行涂膠;另一種是以丙烯酸酯為原料進行溶液聚合反應制成的膠粘劑，然后直接使用。根據聚合物反應的單體組分不同，可將溶液型丙烯酸酯膠粘劑分為單組分、雙組份和多組分膠粘劑3種類型。單組分膠粘劑常使用是氰基丙烯酸酯類的單體，根據官能團不同可有氰基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯、氰基丙烯酸丙酯、氰基丙烯酸丁酯、氰基丙烯酸環己酯和氰基丙烯酸異戊酯等。隨著官能團分子量的增加，合成的膠的韌性、耐濕性就越好，但粘接強度發反而下降。

這類膠粘劑具有室溫固化快、拉伸強度高、透明度好，被粘表面無需特殊處理等優點，廣泛應用于各行各業。雙組分（A/B組分）膠粘劑是以丙烯酸酯的自由基共聚為基礎合成的。其中A組分以MMA、彈性體、引發劑、氯磺化聚乙烯配成溶液作為主劑，B組分以彈性體、MMA、促進劑、溶劑為底劑。多組分膠粘劑是在雙組份膠粘劑基礎上引入第三種或第三種以上組分形成的膠粘劑。

2.1.2 環氧樹脂膠粘劑

由于環氧樹脂具有耐水性、粘接力強、使用溫度寬、固化收縮率小、良好的電絕緣性、耐腐蝕、自重輕使用方便等優點，使得環氧樹脂受到了人們的重視[15-16]。環氧樹脂防水材料中的環氧樹脂是一種液態的樹脂，其基本組成成分是環氧樹脂和固化劑。根據不同的使用場合，可調節不同物質進行復配，從而達到理想效果。復配的物質包括稀釋劑、固化促進劑、偶聯劑、阻燃劑、增韌劑、著色劑和穩定劑等。施工時將環氧樹脂和固化劑攪拌混合均勻，涂抹在鋼橋面上，待其固化后就會形成一層具有防腐性、防水性和粘接性的有機致密分子膜。根據固化反應的特征可分為環氧樹脂粘接劑Ⅰ型和環氧樹脂粘接劑Ⅱ型。環氧樹脂粘接劑Ⅰ型是在施工的過程中環氧樹脂和固化劑一次性固化完成，固化后的涂層具有較高的強度，從而保護鋼板。環氧樹脂粘接劑Ⅱ型是在施工期間先預交聯，再根據要求完全固化。預交聯的優點是可以與后期的施工提供一定的操作條件，預固化后再攤鋪瀝青混合料，由于混合料溫度的作用，為環氧樹脂粘接劑提供了固化反應的動力，從而進行第二次反應達到完全固化效果，進而完成最后的鋪裝。

2.2 用于鋼橋的防護密封膠

2.2.1 用于懸索橋主纜纏絲的密封膠

在懸索橋主纜結構中，一般采用圓形鍍鋅鋼絲對其進行纏絲，由于工藝問題使得纏絲與主纜絲之間總是存在一些規則不一的空隙。為了防止雨水浸入從而造成懸索橋主纜腐蝕，早期人們采用油膏對其進行填充密封，以達到防銹蝕效果。但是由于油膏長期暴露大氣環境中，易發生氧化裂解產生酸性小分子物質，從而形成腐蝕小環境，使高強鋼結構材料更易產生氫脆作用，影響其疲勞性能。隨著時間的積累，主纜纏絲的密封效果減弱，從而縮短橋梁的使用壽命。隨著科技的發展，高分子非硫化阻蝕型密封膏逐漸出現在人們的視野[17]。非硫化阻蝕型密封膏一般都是以不飽和的橡膠聚合物為主粘料，再輔以防銹劑，從而達到很好的防腐、耐候及防水密封的效果，并且對普通的碳鋼和鍍鋅鋼都有良好的防護作用。非硫化阻蝕型密封膏能長期保持不干裂、不霉變、不硬化，并且對光、熱和臭氧等具有極高的惰性，其使用壽命是油膏的10倍。

2.2.2 用于斜拉橋斜拉索的索體內部填充的密封膠

斜拉橋是由索塔、主梁及斜拉索組成，其中斜拉索是整個橋的關鍵部分。目前斜拉索都是由表面注塑聚乙烯套保護的平行鍍鋅鋼絲集束組成。然而表面的聚乙烯材料的耐候性不是很客觀，時間久了其表面就會產生裂紋，使得大氣、水等不良物質浸入內層鋼絲表面，造成鋼絲腐蝕，影響其使用壽命。為了增加斜拉索的使用壽命，可以要提高聚乙烯材料耐候性及抗老化性，也可以采用非硫化阻蝕型密封膏填充在鋼絲之間及鋼絲與PE套之間的空隙中，從而達到優異的防護作用，進而增大整座橋的使用年限。

2.2.3 用于錨管式錨固結構中套管的密封防護膠

斜拉索錨管式錨固結構中的套管、懸索橋索股錨固區的套管空隙部位也會浸入雨水、空氣等雜物質，從而影響其使用壽命。這些部位的防護一般都是采用潤滑脂進行灌注進行密封，但其由于潤滑脂耐候性很差導致使用年限低，目前已經被非硫化阻蝕型密封膏及室溫固化有機硅密封膠代替[18]，從而達到長期密封防護目的。

2.2.4 用于各類吊索、斜拉索錨具的密封防護膠

連接錨具是斜拉橋斜拉索、懸索橋吊索結構中的一個重要的部件。在整座橋梁受力點中錨具是應力集中點。為了增加使用年限以及消除安全隱患，通常專門設有多種防水抗滲的裝置[19-20]。像在斜拉索熱鑄錨杯的內部一般都是填充環氧樹脂、水泥砂漿、硫化型橡膠密封膠等，以到達固定和密封防水的作用。填充密封效果以硫化型橡膠最為出色，目前用于橋梁密封防護的硫化型橡膠主要是聚硫密封膠，聚硫密封膠是以液體聚硫橡膠為基礎聚合物，再與填料、增塑劑、黏附促進劑和固化劑等組分相互配合，進而制備出適應于各種用途的彈性密封膠。由于其極佳的密封性、粘接性和優良的耐老化性能，以及該密封膠具有較好的彈性，所以聚硫密封膠能滿足鋼橋由于荷載、溫差引起的變位[21]，長久地為鋼板及錨具提供防水密封保護。

3 總結

在鋼結構橋面鋪裝粘接膠中，丙烯酸類的粘接防水膠具有粘接快、粘度低、透明度好及成本低等優點。但其附著力差，且施工時產生的強烈刺激性氣味很難散去，對施工者和周邊環境影響很大。而氧樹脂防水粘接膠具有固化收縮率小、粘接力大、穩定性能好、耐腐蝕、使用溫度寬、自重輕使用方便，固化氣味小等優點，得到了廣泛使用。但是其自身脆性大，在長期受到路面上運載車的荷載時，會產生裂紋，導致粘接力下降，達不到防水粘接的作用了。因此需要對環氧防水粘接膠進增韌，可以是物理共混改性增韌，比如白炭黑、炭黑及無機納米粒子等;也可以對其進行化學結構改性增韌。在密封防護膠中，非硫化阻蝕型密封膏和聚硫密封膠耐候性雖然比較不錯，但由于其化學結構的本質原因，遠不如有機硅的密封膠耐候性強。所以可以根據具體要求選用有機硅密封膠，或者添加一些抗氧化劑、阻蝕劑等來提高耐候性。

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