鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲在懸索橋中的應用分析

摘要：本文對大岳高速洞庭湖大橋主纜索股及鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲的應用過程進行了分析，采用了鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲的力學性能檢測、鹽霧試驗、鍍層試驗以及索股的錨固試驗、抗滑移試驗的研究方法，最終結果表明鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲耐鹽霧腐蝕性能、抗腐蝕性能優于常規鋼絲。

關鍵詞：鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲；懸索橋；應用

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.04.083

1"鋅鋁合金鍍層+環氧涂層鋼絲概述

1.1"鋅鋁合金鍍層鋼絲

鋅鋁合金鍍層保護的目的是鋼基不受腐蝕，是金屬保護鍍層的一種，鍍層的好壞抗腐蝕性能高低是衡量的標準。目前我國的洞庭湖大橋、虎門二橋、楊泗港大橋等已率先使用鋅鋁合金鋼絲，Zn-5%Al合金鍍層替代熱鍍鋅層已成為國際上的趨勢，由此出現的鋼絲標準、鋼絞線標準在歐美等先進國家快速發展推廣起來。

Zn-5%Al合金鍍層是Zn-Al合金的共晶體，具有比較低的熔點。Zn-5%Al合金熔點為382℃，Zn的熔點為419.5℃。該鍍層生成鋅鋁金屬化合物兼具有Zn、Al雙方抗腐蝕優點，其金屬化合物在顯微鏡的觀察下為富鋁、富鋅片層，并呈無規則排列的取向群體結構，從而起到了阻擋大氣的物理堅固屏障和低電極電位的電化學保護，使其具有雙重保護作用[1]。

首先，鋅鋁合金鍍層鋼絲具有優良的抗腐蝕性能，可防止它單獨影響到懸索橋的使用穩定性和耐久度。其次，它具有良好的韌性，可防止懸索橋鋼絲在緊張過程中發生斷裂的現象，從而提高懸索橋的使用安全性。此外，鋅鋁合金鍍層鋼絲上覆蓋的鋅鋁可以提供一定的保護隔離作用，防止鋼絲的生銹現象的發生。最后，由于鋅鋁合金鍍層鋼絲的質量較重，可以提高懸索橋的質量和穩定性，根據不同的懸索橋結構參數，一些重要鋼絲部件可以使用鋅鋁合金鍍層鋼絲減少其自身質量，從而提高懸索橋的可靠性和安全性。

1.2"環氧涂層鋼絲

隨著近些年有機涂料作用鋼基材料防腐技術的快速發展，環氧涂層鋼絲有著各種優勢：（1）耐腐蝕：鋼絲的環氧涂層具有良好的耐腐蝕性，能夠防止由于外界腐蝕因素對鋼結構的破壞，進而延長鋼絲壽命。（2）延長使用壽命：環氧涂層的施工厚度可以增加數倍，增加鋼絲的預應力，從而減少鋼絲因自然而變形而造成的損壞，提高鋼絲的使用壽命。（3）降低維護成本：環氧涂層采用后裂縫和耐痕效果，使得鋼絲不易老化變形，從而大大降低維護成本。（4）提高鋼絲的剛性：環氧涂層有一定的填料，可以改善鋼絲的剛性，改善懸索橋鋼結構的強度和穩定性。但缺點是其工藝的特殊性，若鋼基材料表面清理不到位，其附著力便得不到保證，從而導致環氧涂層剝離，使得基材裸露。

1.3"鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲

首先，鋼絲繩懸索橋跨度較大，預加載作用較強，施工和維護難度較大，故采用鍍鋅鋁合金加環氧涂層鋼絲而不是普通鋼絲可以極大地改善懸索橋的抗腐蝕性。其次，由于鍍鋅鋁合金具有良好的耐腐蝕性和良好的彎曲性能，使其懸索橋更加耐用，可以延長使用壽命。另外，環氧涂層的鋼絲具有良好的防腐蝕性能和耐磨性能，可以很好地保護懸索橋的整體結構。

2"鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲制造和試驗

2.1"鋅鋁合金鍍層環氧涂層鋼絲技術

金屬鍍層鋼絲起步較早在許多領域，如電力、冶金、化工、機械、社會及家庭方面被廣泛使用。以其加工質量高、價格低、應用領域廣等特點，在工程材料、汽車行業及普通用途中均有廣泛應用。

非金屬涂層鋼絲屬于跨學科研究領域，起步晚、難點多，尤其在防腐涂層材料、涂覆方法以及涂層與金屬基體的結合力等關鍵技術方面，還存在諸多問題，因此非金屬涂層鋼絲的研究和應用落后于金屬鍍層鋼絲。但隨著化學工業的進步，一些具有優良防腐性能的有機非金屬材料，如高密度聚乙烯、防腐涂料以及環氧樹脂等，有機非金屬材料主要應用于醫藥、食品、農業、化工、環保、電子電氣、能源、航空航天、汽車、建筑等行業。

環氧樹脂是一種化學穩定性好的高分子材料，具有優異的耐候性、防腐性和耐水解性。環氧樹脂有利于形成致密的耐腐蝕膜，以改善腐蝕環境的原因。在涂料的結構中，環氧樹脂具有高亮度、高硬度、抗沖擊強度和耐高溫等特性，可增強涂覆層的附著力，使防腐層具有更強的耐腐蝕能力和耐久性，具有其他非金屬防腐材料更優異的性能。試驗研究表明，針孔數量越少，環氧涂層越厚，但涂層不宜過厚，過厚涂層又會伴隨著一些新的問題出現，最后得出最經濟合理厚度的為0.20～0.22"mm。

將這兩種防腐原理進行結合，先在鋼絲表面覆蓋一層金屬，熱鍍鋅鋁合金，然后再進行環氧樹脂的靜電噴涂，使防腐效果最優化，組成物理防腐加電化學抗腐蝕的有效結合。

鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲主要制造工藝流程：盤條進場檢測→表面準備→拉絲→熱鍍鋅→熱鍍鋅鋁→穩定化處理→靜電噴涂→在線檢測→收盤。

2.2"鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲性能檢測

因為國內現在并無鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲相關的技術性能規范，但金屬鍍層（鋅鋁合金鍍層）得滿足GB/T"204922006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》和GBT"171012008《橋梁纜索熱鍍鋅鋼絲》的技術標準要求；而其中的有機涂層（環氧涂層）須達到GB/T"258352010《纜索用環氧涂層鋼絲》技術標準的要求。常規性能檢測主要是檢驗鍍涂層與鋼絲的附著性和鍍涂層抗損傷能力。洞庭湖大橋復合鍍涂層鋼絲首先由鋼絲廠加工制作成鋅鋁合金鍍層鋼絲，然后鋅鋁鋼絲進行環氧樹脂靜電噴涂，最后編索成功。對完成后的復合鍍涂層鋼絲進行性能檢測，結果如表1。

根據表1與前期試驗數據分析，鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲強度、韌性指標良好，扭轉指標略有提升，復合鍍涂層附著性能滿足要求。

2.3"鹽霧試驗

鹽霧試驗是用來測量和評價涂層耐腐蝕性能的常用方法之一。將鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲與鍍鋅鋼絲同時放在鹽霧箱中進行鹽霧對比試驗，結果見表2。由表2看出：

（1）鍍鋅鋼絲在96小時后表面便開始有白銹出現，而鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲在2352小時后表面才有顏色暗淡的變化；

（2）鍍鋅鋼絲和鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲分別在336小時和2760小時后失去表面光澤；

（3）鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲在4908小時后表面出現微量黃斑；鍍鋅鋼絲和鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲分別經過720小時和6144小時表面出現少量黃斑；

（4）鍍鋅鋼絲在1608小時后出現銹蝕點，2760小時后表面90%被紅銹占據，而鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲在經過8832小時后才出現銹點；

結果表明鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲的耐鹽霧腐蝕能力遠遠優于鍍鋅鋼絲。

經檢查試驗，鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲常規力學性能、涂鍍層檢測等全部符合標準要求，涂鍍層技術指標遠遠超過準，甚至優于標準。

3"鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲索股制造、試驗及架設

3.1"主纜索股制造工藝試驗

根據規范JTT395-1999《懸索橋預制主纜絲股技術條件》進行了常規工藝試驗研究，并在此基礎上進行補充試驗。

3.1.1"抗滑移試驗

分別對鋅鋁合金鍍層鋼絲和鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲進行了索夾與主纜的抗滑移模擬試驗，結果如下。

（1）鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲：索夾與主纜的平均抗滑移摩阻系數為μ=0.297，大于規范中的抗滑移系數0.15，滿足設計及規范的要求。

（2）鋅鋁合金鍍層鋼絲：索夾與主纜的平均抗滑移摩阻系數為μ=0.356，大于規范中的抗滑移系數0.15，滿足設計及規范的要求。

3.1.2"靜載錨固試驗

為驗證鋅鋁合金鍍層加環氧涂層鋼絲對于索股強度與錨固性能的影響，制作了3根靜載試驗索，去除試驗索錨固段的環氧，避免與鋅銅合金結合，將過渡段里灌注密封材料。制作完成后進行靜載試驗，試驗結果見表3。

3.2"索股制造

索股的工藝試驗合格后邀請專家對試驗成果進行了鑒定確認；并在此基礎上編寫了經過專家評審修訂的制索工藝，作為后續索股制造的正式指導文件。

準備工作就緒后，原材料按項目要求進行驗收，制索開始。制作標準絲時，設置橡膠墊板在復合鍍涂層鋼絲基臺上進行保護，兩端夾子用塑料膠帶配備墊護，行走輪在制作過程中通行順暢。

標記絲制作時，因環氧涂層烘干溫度不得大于100℃對涂色生產進度有一定影響，實際烘干速度約每小時220米。為保證標記絲的使用功能建議使用白色進行區分，現行的標記絲紅色與深藍色環氧涂層不易區分。避免出現油漆脫落現象，標記用油漆需考慮選擇與環氧涂層結合力好的類型。

鋼絲轉運上盤時，為避免環氧涂層破損，應采用卡車短駁，嚴禁使用叉車。索股成型過程中因鋼絲之間滑移系數小成型效果略差于普通鋼絲。

成型完成后首先對錨固區鋼絲、過渡區鋼絲進行表面處理，清除表面環氧涂層，然后開始兩端灌錨工序。鋼絲排布采用分絲板進行；然后澆鑄鋅銅合金待溫度完全冷卻后進入反頂工序，反頂位移量必須滿足要求；最后灌入固化劑對灌錨熱影響區進行密封。清除環氧涂層部位的尺寸及外觀檢查。

鋅鋁合金鍍層加環氧涂層索股生產工序過程與常規主纜索股基本一致，由于環氧涂層較薄，在運輸、上盤、成型、下料、制錨、儲存等工序中，容易破損或磨薄，從而導致針孔數量增加，因此施工、運輸、包裝等過程中應加以保護和防范[2]。

3.3"索股架設

為確保在索股架設施工過程中鋼絲表面環氧涂層不被損壞，需提前做好行走設施的保護措施和放索架防護措施，放索保護措施如圖1所示。

放索過程順利，無扭轉、散絲等現象，主索鞍、散索鞍部位成型及入鞍情況都比較好，索股標記點位置基本都處于相對應位置。放索效果如圖2所示。

4"結論

應用鋅鋁合金鋼絲的橋梁較多，環氧鋼絞線主要應用在斜拉橋和預應力箱梁，此次是首次鋅鋁合金加環氧鋼絲橋梁纜索應用探索。洞庭湖大橋順利進行了環氧加鋅鋁合金鋼絲和主纜索股的科研試驗和鋼絲、索股制作，鋼絲、索股制作和索股架設結果良好。

（1）環氧加鋅鋁合金鋼絲能夠滿足現行設計規范的技術指標要求，增加一層環氧涂層能夠改善鋼絲性能，尤其是扭轉指標；復合涂層顯著降低了陰極腐蝕電流密度，一定程度降低了陽極腐蝕電流密度，復合涂層極化電阻和總阻抗較基材明顯增加。因此，環氧加鋅鋁合金鋼絲抗腐蝕性能遠遠超過常規鋼絲。

（2）索股制作運輸過程中要注意環氧涂層的保護；改善鋼絲纏繞及夾具，以保證成型尺寸及形狀；標記絲的制作會影響整個索股的生產進度，需注意批量生產工序安排。另外灌錨工序必須清除錨固區及過渡區的環氧涂層，并注意過渡區的密封保護。

（3）索股架設過程中同樣需注意環氧涂層保護，洞庭湖大橋只采用了一根復合涂鍍層索股，因此對索鞍索夾的尺寸影響不大，如果大量采用復合鍍涂層索股還需考慮環氧老化造成索夾夾緊力松弛等問題。洞庭湖大橋復合鍍涂層主纜索股架設效果很好，沒有出現鼔絲、散絲等異常情況。

參考文獻

[1]張勇，顧逸平.鋅鋁合金+環氧涂層鋼絲在橋梁主纜的應用[J].金屬制品，2017，43"（03）：16.

[2]金平.鋼絲環氧涂層厚度與針孔數量關系的試驗研究[J].世界橋梁，2010，（03）：5053.