斜拉橋拉索防腐蝕技術研究進展綜述

摘要：隨著國民生活水平的提高以及交通運輸行業的日益壯大，國內外早期修建的斜拉橋拉索腐蝕現象屢見不鮮，輕則拉索腐蝕、斷裂，重則橋梁坍塌。為解決拉索腐蝕造成的安全不利因素而進行的換索工程不僅耗費人力，還耗費大量的財力，從而影響橋梁的經濟性。本文主要研究拉索腐蝕機理和拉索防腐蝕手段，旨在提高拉索的耐久性，延長斜拉索的使用壽命，以供參考。

關鍵詞：斜拉橋；防腐蝕；技術手段

DOI：10.12433/zgkjtz.20233445

項目名稱：考慮腐蝕—疲勞耦合效應的斜拉橋拉索壽命預測研究

項目編號：202211276087Y

一、國內外破壞案例及腐蝕機理

（一）國內外斜拉索破壞案例

廣州海印大橋自1988年通車以來，斜拉索使用35年。由于管內壓漿不密實，致使鋼絲銹蝕，兩次發生拉索斷裂事故，最初是使用7年時9號索斷裂，而后15號索發生松斷。為解決安全隱患，于1996年更換全部拉索，工程造價2000萬，工期六個月。

浙江章鎮斜拉橋位于浙江省上虞市，自1983年通車以來，斜拉橋已使用40年。由于玻璃鋼產生裂縫發生破碎，外加瑪蹄脂老化導致滲水，鋼絲銹蝕嚴重，最終更換全部拉索。

委內瑞拉馬拉開波橋是一座世界著名的預應力混凝土斜拉橋，由于當時建造水平的限制，拉索沒有鍍鋅而是使用亞麻油作為鋼絲防銹劑，在涂紅丹底漆以及云母甲板漆前纏絲。涂層腐蝕破壞使得錨箱接口處的拉索發生嚴重銹蝕，最終導致大面積換索，增加拉索數量，花費5000萬美元。

德國科爾布蘭特橋建于1974年，橋梁斜拉索全部使用封閉索，用涂料做了4層防護，但索上端滲水導致拉索內部腐蝕嚴重，最終耗資6000萬美元將所有拉索換新，是原橋梁總造價的4倍。

（二）斜拉索腐蝕機理

對現有拉索腐蝕案例總結后不難看出，拉索腐蝕的原因大致分兩種：第一，拉索自身缺陷，主要體現在高強鋼絲以及拉索防護體系上。例如，蘇州繞城公路斜拉橋，由于吊裝和運輸工藝不合理，導致拉索使用過程中發生拉索或錨頭腐蝕現象。第二，纜索系統的防護體系有缺陷。例如，委內瑞拉馬拉開波橋和德國科爾布蘭特橋，由于防銹蝕涂層破壞，導致拉索腐蝕嚴重。

二、現有技術手段

從目前仍在使用的斜拉橋日常監測來看，斜拉橋系統腐蝕的兩個核心方面是索體本身以及索體與錨具的連接處。

（一）索體防開裂措施

從拉索防護角度看，索體防護可分為高強鋼絲出廠后的臨時防護和橋梁建成后索體的永久防護兩種。

1.索體的臨時防護

（1）在鋼絲表面鍍鋅或鍍鋁

鋅是優質的陰極性鍍層金屬，斜拉索原料高強鋼絲或鋼絞線，表面一般都使用熱浸鍍鋅工藝進行防護處理。相關文獻記載，鋅鋁合金鍍層可以使得構件壽命比普通鍍鋅構件高24倍。鋅鋁合金鍍層有著陰極保護材料和鋁的氧化保護作用，是索體鋅鍍層的優良替代品。

（2）在拔絲和絞絲后進行發蘭處理

發蘭處理即在120～130℃范圍內對鋼絲進行低溫熱處理，發蘭產生的發蘭膜可作為索體的臨時防護，此方法造價不高，且鋼絲一出廠便有了一層防護。

（3）涂防腐油

將平行鋼絲封閉在PE管內，后用泵將防腐油打入管內，待油與鋼絲充分接觸后，再用泵吸出油，使得鋼絲表面有一層封閉的防腐蝕油膜，等斜拉索在卷筒上纏繞成型后再在管內通氮氣，以便于后續長途運輸。

此外，可將松香酚醛樹脂防腐油均勻噴涂在鋼絲表面。目前， 廣泛使用的臨時方法是熱鍍鋅工藝，但在斜拉索防護中起重要作用的仍是永久防護。

2.索體的永久防護

斜拉索種類繁多，不同的防護措施對不同索體的保護程度亦有不同，所以對于不同拉索而言，永久保護方法各有不同，常見永久防護辦法包括：

（1）全封閉索防護

此法適用于封閉式鋼纜。封閉式鋼纜由三種不同形狀的鋼絲箍成，從內到外分別是圓鋼絲、梯形鋼絲和Z形鋼絲。三種鋼絲彼此緊扣，內部有填充物。這種構造使得拉索截面孔隙率小且表面光滑，易于涂防護層，具有良好的防腐效果，但制作工藝復雜、造價高。

（2）套管壓漿法

套管種類不同使得套管內壓漿種類也不同。常見套管有鋼套管、鋁套管、PE管等。常見壓漿種類有水泥漿、樹脂、油脂等。綜合來看，PE管具有良好的氣密性、水密性、抗紫外線性能優良且價格低的特點，是此法中最經濟實用的套管。根據常彬彬的調查及總結，在PE防護層完好的情況下，內部鋼絲幾乎不受腐蝕影響，但PE管老化開裂后，拉索腐蝕嚴重。因此來說，保證PE防護套耐久性，防范防護套老化開裂是延長鋼絲壽命的重點。

（3）直接熱擠聚乙烯防護

此法適用于目前國內外廣泛使用的扭絞型拉索，是由電纜技術的聚乙烯熱擠法演變而來的，號稱可防腐三十年，工序簡單，質量有保證，防護層均勻，沒有薄弱環節和臨時防銹問題，經濟實用。

（4）定期更換索身

德國一些權威認為定期更換拉索，采用簡單防護是一種有效的防護途徑。馬來西亞常年處于高溫潮濕天氣影響下，斜拉橋多采用特別的耐腐蝕涂料，并定期更換。現有大多數斜拉橋設計的要點是方便換索，但防護工作也不容有失。

（二）錨頭區防腐

防水是錨頭區拉索防腐蝕的重點，有效防水可以減少銹蝕現象。常見的錨頭區滲水原因包括止水圈不完全封閉、索體周圍橋面板破裂、索體開裂等。

（三）斜拉索微環境腐蝕控制

1.對斜拉索內部微環境進行除濕處理

由于橋梁的連通作用，斜拉索常年暴露在江河、海洋附近。在復雜多變的環境下，斜拉索會受溫度、紫外線以及復雜應力的共同作用。影響拉索腐蝕的環境因素有水汽、溫度、微量電解質、氧氣等。溫度變化時，拉索內部水汽含量隨之變化，鋼絲以及熱鍍鋅的腐蝕速度會隨之改變。溫度、電解質均是客觀存在的，無法控制，只有拉索內部水汽和氧氣含量可以實現人為改變。

（1）干燥空氣除濕法

干燥空氣除濕法即在機械幫助下，利用氣壓差，用干燥空氣將拉索內部濕空氣排出，并保持一定量的干燥空氣在拉索內部流通，從而將拉索內部空氣濕度降低至66%以下。日本明石海峽大橋的主纜是斜拉索采用干燥空氣除濕法的初嘗試，常彬彬通過觀察不同季節明石海峽大橋橋邊跨傳感器的濕度數據，指出干燥空氣法可以將濕度控制在目標值以下，并去除主纜內部的大部分鹽類物質。雖然干燥空氣法歷時較久，但能根治腐蝕現象，是較理想的防腐蝕方法。

（2）除濕材料干燥法

除濕材料除濕法因其利用材料本身吸附性除濕，對環境友好，方便快捷，在食品工業和天然氣管道除濕中被普遍使用。

第一，固體干燥劑。常見的干燥劑包括氯化鋰、分子篩、氧化鋁、硅膠等。其中，氯化鋰是腐蝕性物質，但吸水時會產生熱量，影響制冷；分子篩具有有限的親水能力；氧化鋁除濕性能是硅膠的1/2；硅膠具有良好的吸濕性能，經濟實用，但吸水量過大后容易破裂，再生成本很高，故使用受限。

第二，液體除濕材料。從環境友好、節約能源的角度看，液體除濕系統是一種很新穎的除濕方式。低焓能源可以作為再生能源，例如，太陽能、地下熱和工業余熱等，可以直接吸收水蒸氣，節約能源，保護環境。

第三，復合干燥劑。雖然氯化鈣、氯化鋰等鹽類除濕性能好，但容易潮解，而空隙多的硅膠、活性炭等物質除濕能力有限，多孔材料—鹵素鹽復合干燥劑的概念由此誕生，不僅除濕能力強，還具有易再生等特點。

第四，智能濕度控制材料。此材料可以脫離所有人工動力和機械裝備的幫助，自動感應環境的濕度變化，憑借自身吸收和釋放水蒸氣能力，自主調節密閉環境內的濕度。

（3）利用通電加熱除濕法

通電加熱除濕法即將物體當作電路中的一部分，利用電路通電時物體內部電流產生的熱達到除濕的目的。高電阻導電材料產生的熱量不容小覷，斜拉索的原料高強鋼絲就是其中一種，可以利用感應器監測拉索內部濕度，周期性地通過通電加熱，控制拉索內部濕度，進而提高斜拉索防腐性能。在日常生活中，從未見過高壓電纜發生銹蝕情況，由此可見，通電加熱法效果顯著。

2.將斜拉索鋼絲內部微環境進行填充處理

斜拉索腐蝕的前提是鋼絲間空隙，故而消除間隙成為消除腐蝕環境的前提。將防銹油脂均勻涂抹在鋼絲表面可以起到填充作用，但當外界溫度過高時，熱度通過熱導體鋼絲傳到防銹脂，油脂在高溫下熔化而轉化為液態，影響了拉索周圍環境的穩定性。由此可見，探索具有高熔點，高防腐性能的優良填充物對拉索防腐蝕具有重要意義。

（1）在拉索內部填充微晶石蠟

微晶石蠟具有硬度小，柔韌性能好，受力時表現為塑性流動等多種特質，具有良好的填充作用。弗列西奈式斜拉橋是采用此種方法的典型，即將單根鍍鋅鋼絞線打蠟，再將PE護套形成具有三層保護的單根鋼絞線，接著將多根鋼絞線與錨具和HDPE套管組合形成拉索，最后將石蠟或水泥漿倒入管道的空隙中。

（2）在拉索內部填充油性蠟

鑒于微晶石蠟在生態適應方面仍存在一些問題，有人提出在拉索內部填充油性蠟。將微晶蠟作為輔助稠化劑再經過一系列工藝即可制得油性蠟。除了抗老化能力強，填充油性蠟還具有良好的抗氧化性、防銹蝕、防腐蝕、耐水耐高溫性能。在鋼絲放絲階段填充油性蠟，可以最大限度地縮小鋼絲內部空隙。

三、拉索防腐蝕技術發展趨勢

（一）環氧涂層材料

環氧涂層材料是一種環境友好、節能且經濟實用的防腐復合材料，經過多年發展，逐漸被工業、礦業、電業等行業接受。天津市京山橋索體采用的便是環氧涂層鋼絞線。陳志強、王志永等制成直徑7.0mm 1860MPa級高強度環氧涂層鋼絲，并通過試驗得出生產鋼絲抗拉強度不小于1860MPa，扭轉不小于10次，軸向疲勞試驗施加410MPa 周期荷載200萬次不斷裂，產品力學性能符合國家標準。由此可見，高強度環氧涂層鋼絲具有良好的應用前景。

（二）聚脲

聚脲是一種在高溫高壓下由異氰酸酯和氨基化合物噴涂制成的彈性體物質，具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐老化性、防水性、抗沖擊性以及快速固化等特點，適用于快速施工作業。聚脲涂層具有致密、連續性好、空氣絕緣性好等特點，可以提高構件的防腐蝕能力，延長構件的使用壽命。彭春陽、李啟富、植磊等基于統計資料及實驗推測，把使用壽命為15～25年的擠塑型HDPE防護層換成聚脲，拉索護套使用壽命可提升2倍。眾所周知，防護套的老化是斜拉索腐蝕的主要原因，將聚脲應用在斜拉橋主纜防腐工程中，有利于提高拉索防腐蝕性能，從而延長斜拉橋壽命，具有良好的應用前景。

（三）納米復合涂料

水性涂料由于環境友好、施工簡單快捷等特點在汽車領域、鐵路行業、集裝箱和重防腐等方面得到了廣泛應用。水性涂料以水為載體，VOC釋放低，對環境友好，然而，要想代替其他傳統涂料，在力學、電學、防腐等方面性能仍有待提高。納米材料中的CNT與有機物的相容性極好，具有優良的導電性、導熱性、力學性能，且環境友好，是極佳的防腐填料。將納米材料添加到水性材料中，可以在負荷較低的情況下，提高水性涂料的機械和防腐性能，從而推動水性涂料性能的高強發展。張金戈通過制備研究CNT/EPA70、CNT/EPA30、CNT/PANI三種納米復合材料的防腐性能及原理，展現了納米復合材料的應用前景。

四、結語

斜拉索是斜拉橋的“生命索”，本文根據現有斜拉橋案例探討了斜拉索腐蝕機理及常見腐蝕類型，從斜拉索腐蝕機理入手，探討了斜拉索防腐蝕技術，對于不同的斜拉索，對癥防腐蝕是重中之重，希望未來斜拉索防腐技術有所發展。

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作者簡介：許心茹（2002），女，河南省焦作市人，本科，主要研究方向為斜拉橋拉索防腐蝕。