平行鋼絲拉索耐腐蝕技術的研究與應用

摘要：拉索由于長時間處于相對復雜的自然環(huán)境中，所以容易被腐蝕，進而影響橋梁結(jié)構(gòu)的力學性能和安全性。文章以土耳其博斯普魯斯（Bosporus）海峽三橋工程為依托，研究平行鋼絲拉索索體與錨具的耐腐蝕技術。該技術采用內(nèi)填油性蠟的方式對平行鋼絲拉索的索體部分進行防腐處理，利用噴淋法填充油性蠟并評估填充的密實程度。工藝可靠性試驗結(jié)果表明，平行鋼絲拉索內(nèi)填油性蠟后符合標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T 18365—2001）中對靜載試驗的要求。同時，采取表面刷涂帶蠟油脂的方法對平行鋼絲拉索的錨具部分進行防腐處理，提高了錨具螺紋區(qū)的耐腐蝕性。平行鋼絲拉索耐腐蝕技術能較好地隔絕水、蒸汽、氧氣的侵蝕，延長平行鋼絲拉索的使用壽命，為解決橋梁拉索的腐蝕難題提供了一種新方案，對橋梁拉索的防腐研究具有一定的參考意義。

關鍵詞：平行鋼絲拉索；耐腐蝕；內(nèi)填充；油性蠟；帶蠟油脂

中圖分類號：TG356" " " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）05-0065-04

0 引言

在纜索類橋梁中，拉索是橋梁的主受力構(gòu)件，它主要由錨固段、過渡段和自由段3個部分組成。自由段索體內(nèi)的鋼絲長時間受復雜環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)了嚴重的腐蝕現(xiàn)象。鋼絲拉索是由多根鋼絲組成，鋼絲之間存在空隙，空氣在縫隙間流通會造成氧化還原反應，嚴重時還會出現(xiàn)冷凝水現(xiàn)象，使拉索內(nèi)部產(chǎn)生積水，導致鋼絲腐蝕嚴重，進而影響橋梁結(jié)構(gòu)的力學性能和安全性。拉索內(nèi)部的腐蝕為不可逆損傷，腐蝕嚴重的拉索需要換索，而換索的費用高昂。例如，天津彩虹橋因拉索腐蝕嚴重而需要換索，換索產(chǎn)生的費用高達5 000萬元，是制索費用的4～5倍，不僅給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失，而且對交通通行造成了嚴重的影響［1］。因此，研究更有效的拉索防腐技術具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。王靜等［2］探索了新型化工防腐技術在橋梁工程中的應用，提出復層礦脂包覆防腐蝕技術和氧化聚合型包覆防腐蝕技術，解決了拉索、吊桿等異型部位的腐蝕難題；徐軍等［3］針對鋼絲防腐難題，提出了熱鍍鋅鋁鎂鍍層的方法，該方法的防腐性能優(yōu)于純鋅和鋅鋁鍍層；孫圣賢［4］針對矮塔斜拉索鋼絞線的防腐問題進行研究，提出在預埋管內(nèi)灌注油脂或進行聚氨酯發(fā)泡的防腐措施，這些措施有效防止了外部復雜環(huán)境對鋼絞線的侵蝕。

目前，鋼絲拉索的索體防腐措施主要有鍍鋅層、包覆高密度聚乙烯（PE）護層、纏繞丁基橡膠帶和填充防腐油脂［3-5］。鍍鋅層法是使用最廣泛的防腐措施，鍍鋅的防腐效力長，但如果拉索內(nèi)部出現(xiàn)積水，會極大地降低鍍鋅鋼絲的防腐性能，而且鍍鋅工藝費用高昂、污染嚴重；PE材料的防老化壽命高達25年，但在施工過程中容易因磕碰產(chǎn)生裂縫，而且復雜的環(huán)境也會加速其老化速度，因此防腐性能無法保證；在拉索表面直接纏繞丁基橡膠帶的方法可以起到防水、防霧和密封的效果，但為了保證丁基橡膠帶的黏附力，拉索的外表面必須進行高質(zhì)量的粉刷作業(yè)，保證其干燥后再進行纏繞，此方法更適用于對拉索局部性損傷部位的保護；填充防腐油脂能減少鋼絲間的間隙，從根本上杜絕腐蝕微環(huán)境的存在，但由于拉索一直處于溫度差值大的環(huán)境中，溫度過高時油脂會液化，對拉索性能的穩(wěn)定性十分不利。隨著防腐材料的改進，油性蠟的出現(xiàn)使索體內(nèi)部的防腐填充達到了更好的效果，油性蠟比防腐油脂的性能穩(wěn)定，不容易液化，對于外護套管的修復，理論上采用油性蠟填充要比采用防腐油脂填充容易。然而，目前尚未有拉索工程的索體嘗試采用內(nèi)填充油性蠟防腐的方法，因此沒有可借鑒的工藝及技術。此外，拉索錨固段具有較長的螺紋區(qū)域，該區(qū)域的一端處于拉索的最低端，受惡劣環(huán)境的影響，極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，對成品索的錨固性能危害極大。目前，錨具的防腐方式主要采用電鍍鋅，電鍍鋅發(fā)揮防腐作用主要依靠鍍鋅的鈍化層。對于冷鑄錨，在工藝上需要通過加熱使冷鑄料固化，而加熱溫度為200 ℃，該溫度對電鍍鋅的鈍化層具有破壞作用。因此，電鍍鋅對錨具的保護只能依靠鍍層的厚度實現(xiàn)，增大了成本和工藝的復雜性。綜上原因，本文依托土耳其博斯普魯斯（Bosporus）海峽三橋吊索工程，提出一種內(nèi)填油性蠟的索體防腐方法，探索填充油性蠟的工藝，并檢測內(nèi)填油性蠟后拉索的錨固性能。同時，對平行鋼絲拉索的錨具部分采用刷涂帶蠟油脂的防腐方法，并通過試驗檢驗其防腐效果。

1 平行鋼絲拉索索體耐腐蝕技術研究

根據(jù)拉索的結(jié)構(gòu)特性，針對平行鋼絲拉索索體耐腐蝕技術的研究大致可以分為以下4個階段：①選擇填充防腐材料；②選擇填充方法；③檢驗填充效果；④檢驗填充防腐材料后平行鋼絲拉索的錨固性能。

1.1 材料選擇

內(nèi)填充材料如果選擇不當就會出現(xiàn)滲油的現(xiàn)象，因此選擇內(nèi)填充材料時應重點考慮以下幾個方面：①良好的防腐性能；②對鋼鐵、鋅等金屬材料無腐蝕作用；③不析油；④易于清除；⑤成本低。按照以上要求，通過市場調(diào)研，共收集到7種防腐材料，將這7種防腐材料放置在相同的環(huán)境中進行綜合性能對比試驗，試驗結(jié)果見表1。綜合比較防腐性能、不流淌性能、工藝性及成本后發(fā)現(xiàn)，Kluber K01-298油性蠟的綜合性能最好，因此本文選擇Kluber K01-298油性蠟作為平行鋼絲拉索的填充材料。

1.2 填充方法

采用攪動涂覆、壓注和噴淋3種填充方法進行對比試驗，其中噴淋方法的填充效果最好。噴淋法內(nèi)填充工藝原理如下：將油性蠟熔化后淋到還未收攏的鋼絲束上，由于鋼絲的表面溫度低于蠟的熔點，所以蠟液會在鋼絲的表面凝結(jié)并形成一層蠟膜，當鋼絲束經(jīng)過繞包模時，在收攏擠壓的作用下，油性蠟即可填滿鋼絲束內(nèi)的間隙。噴淋法工藝原理示意圖見圖1。

1.3 填充質(zhì)量檢驗

評估索體內(nèi)填防腐材料填充的密實程度需要有一個合適的檢驗方法和評價指標，這是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。關于索體內(nèi)填防腐材料填充質(zhì)量的檢驗方法，目前還沒有制定相關的規(guī)范。本文將參照標準《索體用PE護套鋼絞線》（Q/OVM 036—2011）中“第7.2條”所述的防腐潤滑脂重量的試驗方法進行檢驗，并將該測量方法稱為稱重法。

將稱重法應用到平行鋼絲拉索索體填充物的檢驗步驟如下：①裁取樣品，測量樣品軸線的長度；②用精度不低于1.0 g的量具稱量樣品的重量（W1）；③剖開PE（聚乙烯）護套，除凈護套及鋼絲上的填充材料后稱量護套及鋼絲的重量（W2），則樣品所含填充材料的重量為W3=W1-W2。本試驗采用的樣索規(guī)格為OVM 7-109，試驗樣索填充量的檢測結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明，樣索內(nèi)填充材料與索體空隙的體積比≥65％，從樣索的截斷面看，鋼絲間的三角縫隙均已填滿油性蠟，說明采用噴淋法對鋼絲拉索進行油性蠟填充的工藝方案可行，該法能有效地將油性蠟灌注到鋼絲束內(nèi)的空隙中。

1.4 錨固性能檢驗

本文采用靜載試驗檢驗油性蠟填充對鋼絲拉索錨固性能的影響。按照常規(guī)工藝，在填充了油性蠟的拉索上裝配冷鑄錨具，制錨前需參照標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923.1—2011）中的要求清洗鋼絲的表面，具體方法如下：用AC-M溶劑型金屬清洗劑擦拭鋼絲表面直至目視無可見的油性蠟黏附；用干凈白紙巾擦拭鋼絲表面，紙巾上無油污則視為清洗工序合格。

參照標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T 18365—2001）對OVM 7-109試驗樣索進行靜載性能試驗，試驗結(jié)果符合該標準對錨具靜載的要求，證明內(nèi)填油性蠟的鋼絲拉索表面按要求清洗后不會影響拉索的錨固性能。

2 應用實例

土耳其博斯普魯斯（Bosporus）海峽三橋為斜拉—懸索協(xié)作體系的公鐵兩用跨海大橋，全橋長2.16 km，主跨為1 408 m，共有68根吊索，索體防腐方式均采用內(nèi)填充油性蠟。為配合土耳其Bosporus三橋吊索的生產(chǎn)，項目組在驗證了索體填充工藝可行的基礎上，研制出適合在生產(chǎn)線批量生產(chǎn)的灌注設備，該設備不僅能提高操作的便利性，還提升了對油性蠟的加熱及保溫功能。

土耳其Bosporus海峽三橋吊索采用克魯勃潤滑劑（上海）有限公司生產(chǎn)的Kluber K01-298油性蠟進行填充，采用本文新研制的灌注設備在索體內(nèi)填充油性蠟。填充過程如下：首先在灌蠟工序前約8 h開始加熱熔化油性蠟，加熱爐溫度設置為120 ℃；其次進行噴淋工藝，噴口處油性蠟液的溫度保持在90～100 ℃，當溫度低于85 ℃或臘池內(nèi)油性蠟余量不足時，需及時添加預熱熔化的油性蠟；最后將索體絞制成型，并且及時清理回收絞合模處冗余的油性蠟。

表3為土耳其Bosporus海峽三橋各種規(guī)格的拉索內(nèi)填充量的檢測結(jié)果，抽樣檢測結(jié)果表明，采用改進的灌注設備對索體進行油性蠟內(nèi)填充，其填充的密實度有了提高。同時，索體內(nèi)填油性蠟后的OVM 7-223、OVM 7-367規(guī)格的平行鋼絲拉索，在美國權(quán)威的結(jié)構(gòu)與運輸實驗室（Structural and Transportation Laboratory）通過了靜、動載性能試驗，試驗過程中未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，并且試驗后錨頭性能良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋或損壞，滿足驗收標準。

3 平行鋼絲拉索錨具耐腐蝕技術研究

為了提高對拉索錨具的防腐保護，產(chǎn)品出廠前通常會在錨具表面涂抹一層油脂，但油脂會造成施工不便，因此施工時通常會去除油脂，因此廠家出于施工便利性的考慮，通常僅在錨具的外露部分涂抹油脂。錨具的防腐受限于螺紋的配合間隙，無論是采用熱鍍鋅還是油漆防腐，均會對螺紋的旋合產(chǎn)生影響?；谏鲜鲈?，需要尋找一種防腐材料，在起到防腐作用的同時，既不會對施工造成不便，又不會對螺紋的旋合產(chǎn)生影響。本文選用的是“福斯”ANTICORIT BW 366帶蠟油脂（以下簡稱帶蠟油脂），該帶蠟油脂的不流淌性表現(xiàn)優(yōu)異，刷涂后30 min即可形成一層有彈性的固狀防護蠟保護層，不會給施工帶來影響。本文將采用露天暴露跟蹤對比試驗和中性鹽霧試驗對錨具螺紋區(qū)的帶蠟油脂進行防腐效果檢驗。

3.1 露天暴露跟蹤對比試驗

試驗對象為同一根拉索兩端的錨具，將兩端的錨具分別刷涂帶蠟油脂和噴涂油漆后，將螺母旋合1次。采用油漆噴涂的一端經(jīng)過3 d的雨淋后出現(xiàn)了白銹，而采用帶蠟油脂刷涂的一端11個月后仍未出現(xiàn)白銹，露天暴露跟蹤對比試驗結(jié)果見表4。

3.2 中性鹽霧試驗

為了驗證帶蠟油脂是否可以提高錨具的耐腐蝕性，按照標準《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》（GB/T 10125—2012）進行中性鹽霧試驗。在試驗過程中，選取3個試塊（依次編號為S1、S2、S3）進行對比試驗，試塊表面的狀態(tài)如下：S1的金屬表面噴涂20～30 μm的鋅易代鍍鋅，再噴涂一層著色漆；S2的金屬表面噴涂10～15 μm的鋅易代鍍鋅，再噴涂一層著色漆；S3刷涂一層帶蠟油脂，再噴涂一層著色漆。用塑膠包裹3個試塊的棱邊。中性鹽霧試驗結(jié)果見表5，試驗到120 h時，S2表面出現(xiàn)紅銹；到348 h時，S1表面也出現(xiàn)紅銹；到1 000 h時，S3仍然完好，表面無紅銹產(chǎn)生。試驗結(jié)果表明，帶蠟油脂能滿足1 000 h的中性鹽霧試驗要求，證明采用刷涂帶蠟油脂的方法能提高錨具螺紋區(qū)的耐腐蝕性，滿足工程使用要求。

4 結(jié)語

本文提出一種平行鋼絲拉索索體與錨具的耐腐蝕技術。針對索體部分，采用了內(nèi)填油性蠟的防腐方法，經(jīng)過對比試驗，選擇“克魯勃”K01-298油性蠟作為內(nèi)填充防腐材料，并采用噴淋法進行油性蠟的填充；此外，研制了適于批量生產(chǎn)的灌注設備，該設備生產(chǎn)的拉索通過了標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》中對錨具靜載的要求，并且成功應用在土耳其Bosporus海峽三橋工程中，充分驗證了該防腐方法的可靠性，值得在類似工程中推廣應用。針對錨具部分，提出刷“涂福斯”ANTICORIT BW 366帶蠟油脂的防腐方法，并且通過試驗證明其可以提高錨具螺紋區(qū)的耐腐蝕性。本文提出的方法為解決橋梁拉索的防腐蝕難題提供了一種新方案，相比其他的防腐方法，本文方法能很好地抵御水、蒸汽、氧氣的侵蝕且材料屬性穩(wěn)定，有助于提高鋼絲拉索的耐久性和安全性，對保障橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和可靠運行具有重要意義。

5 參考文獻

［1］張國強.基于保護斜拉索防腐層的逆向穿索工藝研究［J］.公路，2021，66（3）：101-104.

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［3］徐軍，陳煥勇，闞鵬程，等.橋梁纜索用鋼絲熱鍍鋅鋁鎂鍍層研究［J］.公路，2023，68（9）：143-147.

［4］孫圣賢.淺談高速鐵路矮塔斜拉橋斜拉索施工技術［J］.工程機械與維修，2023（6）：131-133.

［5］曹洪武，馮雍，閆永濤.懸索橋主纜防腐技術的發(fā)展與展望［J］.公路，2021，66（1）：189-193.

*柳州歐維姆機械股份有限公司研發(fā)項目“大跨徑懸索—斜拉協(xié)作體系高性能吊索”（2015006）。

【作者簡介】譚柳芳，女，廣西柳州人，工程師，研究方向：預應力技術研究與應用；石偉（通信作者），男，廣西資源人，高級工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)及路橋工程預應力拉索技術；田澤旭，女，黑龍江雙鴨山人，研究方向：預應力技術研究與應用；陸德智，男，廣西靈山人，工程師，研究方向：路橋工程預應力拉索制造工藝技術；劉丹丹，男，湖南邵陽人，研究方向：預應力技術研究與應用；經(jīng)鳳明，女，廣西桂林人，高級工程師，研究方向：預應力技術研究與應用。

【引用本文】譚柳芳，石偉，田澤旭，等.平行鋼絲拉索耐腐蝕技術的研究與應用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（5）：65-68.