斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂的性能研究

摘"要：斜拉索是斜拉橋重要的受力結構部件，HDPE護套作為鋼絲斜拉索的保護層，能夠有效地隔絕外部環境對斜拉索的侵蝕。本文通過分析HDPE材料的特性、環境應力開裂機理以及分析HDPE護套耐環境應力開裂性能的影響因素，提出研究高性能材料、增加隔離層，優化成型工藝、提高HDPE層厚度及偏差的控制方法、采用冷卻系統降溫梯度控制HDPE護套內應力、加強后期維護管理的方法，能有效提高斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂的性能，為在建項目或是已經出現問題的工程提供一些參考，保證橋梁拉索使用壽命，提高橋梁運行可靠性。

關鍵詞：HDPE護套；環境應力；性能；鋼絲拉索

一、概述

我國的鋼絲拉索體系研制推廣應用以來，已經得到全面的發展，雖然初期出現一些不足，但通過不斷的技術創新和改進，目前的鋼絲拉索體系已經取得了顯著的進步。斜拉索作為斜拉橋重要的受力結構部件，幾乎承載著整座大橋的拉力，其性能的穩定性和耐久性直接關系到橋梁的安全和使用壽命。HDPE（高密度聚乙烯）護套作為斜拉索的保護層，能夠有效地隔絕外部環境對斜拉索的侵蝕，從而保證斜拉索的使用壽命。但是，HDPE護套在長期運行過程中，特別是在復雜多變的氣候環境條件下，容易出現環境應力開裂現象，這將嚴重影響斜拉索HDPE護套的使用性能和壽命。因此，對斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能的深入研究具有重要的理論和現實意義。

二、HDPE材料的基本特性及環境應力開裂機理

（一）HDPE材料的基本特性

HDPE材料是一種熱塑性塑料，具有優良的物理機械性能、化學穩定性和電絕緣性能，其分子鏈結構緊密，分子量大，具有較高的強度和硬度。原態HDPE材料的外表呈乳白色，是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，無毒、無味、無臭的白色顆粒，熔點約為130℃，相對密度為0.941～0.960。它具有良好的耐熱性和耐寒性，化學穩定性好，還具有較高的剛性和韌性，機械強度好［1］。HDPE還具有良好的加工性能和可回收性，被廣泛應用于各種領域。HDPE護套在橋梁使用過程中，能夠有效地隔絕外部環境對斜拉索的侵蝕，從而提高斜拉索的使用耐久性。

（二）環境應力開裂機理

環境應力開裂是指高分子材料在應力與環境因素（如光照、濕度、溫度、化學腐蝕等）的共同作用下，表面或內部產生裂紋并逐漸擴展，最終導致材料破壞的現象。對于HDPE材料而言，環境應力開裂主要發生在材料的無定形區域，特別是球晶界面和徑向部分，當材料受到外力或者環境因素的作用時，該區域容易產生老化、腐蝕，甚至產生應力集中，從而加速裂紋的產生和擴展。

三、斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的影響因素

（一）材料性質

HDPE材料的分子量、分子鏈結構、結晶度等性質直接影響其耐環境應力開裂性能。一般來說，分子量越大，分子鏈越緊密，材料的強度和韌性越高，耐環境應力開裂性能也越好。材料的結晶度也會影響其耐環境應力開裂性能，結晶度越高，材料的無定形區域越少，應力集中點也越少，從而提高了耐環境應力開裂性能。HDPE原材料的特性直接影響拉伸強度、耐環境應力開裂、老化等性能，不同的HDPE粒子材料，其耐環境應力開裂的性能、老化時間等差異很大［2］。

（二）成型工藝

斜拉索HDPE護套的成型工藝對其耐環境應力開裂性能也有重要影響。在擠塑成型過程中，加熱溫度、加熱時間、冷卻方式與冷卻時間等工藝參數會影響材料的微觀結構和殘余應力。如果加熱溫度過高或時間過長，會導致材料分子鏈的降解和交聯度的降低，從而降低耐環境應力開裂性能。而冷卻方式和冷卻時間則會影響材料的結晶度和殘余應力分布。

（三）使用環境

斜拉索HDPE護套長期暴露在復雜多變的環境，自然環境中溫度的冷熱變化、紫外線的照射、雨水的沖淋及有害氣體的腐蝕等，均導致HDPE外護套的開裂及老化。這些環境因素綜合疊加將會加速材料的老化和開裂，特別是紫外線照射，會破壞材料表面的化學鍵，導致表面硬化和脆化，從而降低耐環境應力開裂性能。

（四）索體應力對HDPE外護套的影響

索體應力對HDPE外護套的影響。拉索的鋼絲和其保護層——外層HDPE是通過熱擠黏結在一起的，索體兩層HDPE緊密接觸，受其結構的影響，當索體工作時，由于鋼絲拉索生成時需要設置2°～4°左旋輕度扭角，HDPE護套隨受力鋼絲的伸長而始終處于較高拉伸應力狀態，大多數工況還存在交變拉應力；安裝過程中的外力學（如拉索的彎曲和盤繞應力）等會造成護套內部應力升高，這些應力會殘存在材料里面，且高于HDPE材料的屈服極限范圍，再加上熱應力，使得此類索體一般在幾年內就產生開裂，遠低于同類產品在無應力或低應力狀態下使用的壽命，而HDPE材料的主要失效形式是材料的老化。

四、提高斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的方法

（一）研究高性能材料

處于拉索最外層的HDPE護套作為索體的第一道防護層，其性能好壞直接關系到拉索的使用性能和壽命。不同的高密度聚乙烯塑料具有不同的性能，適用于不同的環境。早期選用的高密度聚乙烯塑料更多地參考了電線電纜行業的高密度聚乙烯塑料，該材料的耐候性能和耐環境開裂性能較差，與橋梁拉索實際所處的惡劣環境下要求的高密度聚乙烯塑料性能相差甚遠［3］。根據索體HDPE產品質量和研究現狀，開展以索體HDPE護套為研究對象的原材料特性、應力影響、紫外線老化、加工條件及盤繞影響等試驗研究工作。選擇分子量高、結晶度好、交聯度高的HDPE材料，經過改性后的HDPE材料（如抗老化HDPE材料）具有更高的強度和韌性，能夠更好地抵抗環境應力的破壞作用。

拉索外層彩色高密度聚乙烯塑料采用改性材料，基料采用進口聚乙烯樹脂料，為聚乙烯聚異丁烯共混工藝，具有雙峰分子量分布特點，綜合加工性能和機械性能優良。改性過程添加增韌高分子熱熔膠材料、高效紫外線吸收劑和猝滅劑，同時綜合考慮紫外線吸收劑和猝滅劑與抗氧化劑的協同作用，添加適量的抗氧化劑，采用雙螺桿混煉擠出機進行擠出造粒，保證外層高密度聚乙烯塑料的機械性能和優良的耐光、熱氧老化性能，其性能滿足國家標準要求［45］。

研究過程中，制作HDPE護套材料試片，參照國外同類產品的耐腐蝕試驗，選用幾種有代表性的介質進行試驗，結果如下表所示。

由上表可以看出，HDPE護套材料試片在強酸中浸漬7天后，拉伸強度和斷裂伸長率變化不大，試片表面光亮如初。其耐油性能比較好，只是在變壓油中浸漬73天后，拉伸性能有所下降，但也不是很明顯［6］。由于拉索的使用條件一般不會遇到如此苛刻的環境，可以認為HDPE護套材料的耐腐蝕性能達到優秀狀態。

（二）增加隔離層，優化成型工藝

采取外層HDPE護套與內層HDPE之間增加一隔離層的索體制作工藝。當索體工作時，外層HDPE護套能有效釋放應力，使之與內層HDPE均處于低應力狀態下工作。試驗表明，在索體應力為0.4σb的使用狀態下，外層HDPE護套應力的相對釋放量可達30%。由于外層HDPE護套應力釋放后，其耐環境應力開裂的性能可大大提高。聚乙烯環境應力開裂試驗表明，當HDPE護套的應力釋放30%時，其耐環境應力開裂時間比標準時間有所延長。外層HDPE護套與內層HDPE之間增加隔離層的方法能有效緩解HDPE護套應力開裂的問題。通過優化擠塑成型工藝參數，如降低加熱溫度、延長加熱時間、調整冷卻方式和冷卻時間等，可以改善材料的微觀結構和殘余應力分布，從而提高斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能；還可以采用先進的成型技術和設備，如注塑成型、吹塑成型等，以進一步提高材料的性能和穩定性。

（三）HDPE層厚度及偏差的控制

索體成型過程護套由熔融狀的無定型態進行冷卻，最終處于結晶態和無定型態共存狀態。此過程通常采用水浴冷卻的方式，熱傳遞機理為熱傳導，熱傳導的效率強烈依賴于導熱系數。由于HDPE是熱的不良導體，導熱系數較小，在這個過程中，護套厚度的均一性是影響護套熱歷史的決定性因素，護套厚度的偏差將引起區域的溫度梯度，從而帶來冷卻定型后的熱應力的存在。熱應力的釋放，最終帶來的宏觀現象是護套的扭曲、翹曲或龜裂。在擠出加工過程中，通過建立設備點檢制度、材料干燥烘烤流程制度、工藝操作標準化作業指導書進行工藝控制；在擠出模具的設計上，采用了介于擠壓式與擠管式模具之間的半擠壓式模具進行設計，充分考慮了HDPE塑料的擠出拉伸比率、擠出平衡比率，較好地保證了索體HDPE護套的厚度均一性；在擠出過程中采用游標卡尺和紅外線測厚儀檢測和監控HDPE護套的均勻性。

（四）冷卻系統降溫梯度控制HDPE護套內應力

HDPE塑料是一種結晶型塑料，在其成型過程中，由熔融狀態冷卻至常溫狀態，這個過程也是HDPE塑料大分子鏈伸展、排列進入晶格的結晶過程。如果對索體護套采用低溫冷卻，則索體表面層在快速冷卻的條件下，由于塑料大分子鏈來不及排列形成有序的晶格排列而處于無定型狀態，結晶度低，而索體內層則由于表層護套的“隔絕熱”作用，溫度降低速度較慢，因而可以獲得較高的結晶度。這樣就造成護套表層與內層之間結晶度的不一致，通常結晶型塑料的結晶度與其機械性能成比例關系，如密度、力學性能、熱性能等，以聚乙烯為例，結晶度由70%增加到95%時，密度由原來的0.943g/cm3增加到0.952g/cm3，拉伸強度由原來的20.1MPa增加到23MPa。采用三級溫度梯度的冷卻水槽對索體護套進行冷卻，溫度設置沿索體擠出方向依次遞減，從而較好地使索體護套的冷卻速率處于較為均一的水平；通過在各級溫度梯度水槽之間設置空氣冷卻段，索體護套表層可多次經由冷卻、加熱、冷卻的循環過程，這個過程相當于對索體護套實施一個“退火”的工藝過程，這樣可以最大限度地降低索體護套的內應力；同時，護套表層也可以避免由于快速冷卻導致結晶度低帶來的機械性能下降現象。

（五）加強維護管理

定期對斜拉索HDPE護套進行檢查和維護是確保其長期穩定運行的重要措施。在檢查過程中，要特別注意觀察護套的表面狀況、裂紋情況、老化程度等，及時發現并處理潛在的安全隱患；加強對橋梁結構的監測和維護，確保斜拉索系統的穩定性和安全性。

五、斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的測試方法

為了準確評估斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能，需要采用科學有效的測試方法。目前，常用的測試方法包括環境應力開裂試驗、拉伸試驗、沖擊試驗等。

（一）環境應力開裂試驗

環境應力開裂試驗是評估高分子材料耐環境應力開裂性能最直接有效的方法之一。通過將試樣置于特定的環境條件下（如溫度、濕度、光照、化學物質等），并施加一定的外力作用，觀察試樣表面或內部裂紋的產生和擴展情況；通過比較不同試樣在相同條件下的開裂時間和開裂程度，可以評估其耐環境應力開裂性能的優劣。

（二）拉伸試驗

拉伸試驗是評估高分子材料力學性能的基本方法之一。將試樣置于拉伸試驗機上，施加一定的拉力作用，觀察試樣的變形和斷裂情況，通過測量試樣的拉伸強度、斷裂伸長率等指標，可以評估其力學性能和韌性。對于斜拉索HDPE護套而言，拉伸試驗可以模擬其在橋梁結構中的受力情況，從而評估其在實際使用中的性能表現。

（三）沖擊試驗

沖擊試驗是評估高分子材料抗沖擊性能的有效方法之一。將試樣置于沖擊試驗機上，施加一定的沖擊力作用，觀察試樣的變形和破壞情況，通過測量試樣的沖擊強度、沖擊韌性等指標，可以評估其抗沖擊性能和韌性。對于斜拉索HDPE護套而言，沖擊試驗可以模擬其在橋梁結構中受到的意外沖擊作用，從而評估其在實際使用中的安全性能。

結語

通過對斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的分析與研究，可以得出以下結論。HDPE材料的分子量、分子鏈結構、結晶度等性質直接影響其耐環境應力開裂性能；成型工藝、使用環境以及外部應力等因素也會影響斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能；選用高性能材料、優化成型工藝以及加強維護管理是提高斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的有效方法；環境應力開裂試驗、拉伸試驗和沖擊試驗等測試方法可以科學有效地評估斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能。

隨著橋梁工程技術的不斷發展和對橋梁耐久性要求的不斷提高，對斜拉索HDPE護套的耐環境應力開裂性能將提出更高的要求。因此，需要進一步加強材料科學研究和技術創新，開發更加高性能、高穩定性的HDPE材料和先進的成型技術，以滿足橋梁工程對斜拉索HDPE護套耐環境應力開裂性能的需求。加強對橋梁結構的監測和維護管理，確保斜拉索系統的穩定性和安全性，為橋梁工程的長期穩定運行提供有力保障。

參考文獻：

［1］吳殿昌，羅丁，湛楠，等.HDPE在地下綜合管廊防水工程中的應用［J］.施工技術，2017，46（21）：6365+80.

［2］徐超，方海，劉偉慶，等.斜拉橋斜拉索防腐保護問題分析與建議［J］.世界橋梁，2012，40（06）：8791.

［3］吳文明，李闖.斜拉索防腐技術探討［J］.公路交通技術，2008（04）：4749.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.橋梁纜索用高密度聚乙烯護套料：CJ/T2972016［S］.北京：中國標準出版社，2016.

［5］國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會.斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索：GB/T183652018［S］.北京：中國標準出版社，2018.

［6］李國芬，陳研，朱華平.南京長江第三大橋斜拉索的防腐系統研究［J］.南京林業大學學報（自然科學版），2006（06）：102104.

基金項目：來賓市科技計劃項目（合同編號：來科轉220813）

作者簡介：張日亮（1978—"），男，壯族，廣西來賓人，碩士研究生，正高級工程師，教授，研究方向：機電工程、預應力相關產品研發與技術服務。

*通信作者：劉文華（1980—"），男，漢族，廣西桂林人，本科，工程師，研究方向：預應力施工技術服務。