聚脲在懸索橋主纜防腐中的應(yīng)用*

彭春陽(yáng)，李啟富，植 磊，任顯誠(chéng)

(1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005； 2.四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

中國(guó)橋梁歷史悠久，精湛的橋梁建造技術(shù)與藝術(shù)從古代就聞名于世，成為中華民族絢麗多姿的文化瑰寶，是中華文化不可分割的重要組成部分[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與交通發(fā)展需求及橋梁施工技術(shù)的提高，近年來(lái)，大跨度懸索橋不斷涌現(xiàn)[2]。懸索橋是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、造型最優(yōu)美的橋型之一，被譽(yù)為“橋梁皇后”[3]。主纜是懸索橋重要承重構(gòu)件，具有“生命線”之稱，其工作狀態(tài)影響橋梁使用壽命[4]。主纜由于多處于復(fù)雜環(huán)境地區(qū)，經(jīng)鹽、水及其他腐蝕介質(zhì)的侵蝕，易發(fā)生破壞，且受動(dòng)、靜荷載作用和疲勞損傷影響，使其耐久性降低。

主纜使用壽命與其經(jīng)受的腐蝕密切相關(guān)[5]，當(dāng)主纜鋼絲受腐蝕時(shí)，將減小索股有效截面面積和強(qiáng)度，危害橋梁安全。懸索橋主纜受腐蝕的主要原因是主纜防腐結(jié)構(gòu)存在缺陷和防腐措施不當(dāng)。為此，將防護(hù)材料聚脲應(yīng)用于主纜防腐中，可有效阻斷腐蝕途徑，提高防腐性能和可靠性。

1 防腐方式

目前，多按JT/T 694—2007《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》[6]中的要求進(jìn)行懸索橋主纜防腐涂裝，主纜鋼絲需進(jìn)行鍍鋅處理，主纜架設(shè)完成后通過(guò)底漆+不干性密封膏+纏繞鋼絲+聚硫橡膠包覆層+881系列重防腐涂料的方式進(jìn)行防腐處理。該方式存在以下問(wèn)題：①主纜拉索涂層逐漸塑化，并失去彈性；②在力和溫度的作用下，主纜鋼絲長(zhǎng)度發(fā)生變化，易使主纜拉索涂層出現(xiàn)微裂縫；③在太陽(yáng)照射下，主纜迎光面溫度高，背光面溫度低，造成同一位置不同面主纜鋼絲伸長(zhǎng)量不同，導(dǎo)致主纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使主纜拉索涂層出現(xiàn)微裂縫，水沿微裂縫進(jìn)入主纜內(nèi)部，腐蝕主纜鋼絲，微裂縫隨著時(shí)間的增加逐漸變大，更多的水沿微裂縫進(jìn)入主纜內(nèi)部，加快主纜鋼絲的腐蝕；④增塑劑和生膠向纏繞鋼絲外的硫化密封層移動(dòng)，導(dǎo)致硫化密封層黏附率降低、孔隙率增加，降低密封效果?！稇宜鳂蛑骼|系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》中規(guī)定，進(jìn)行索夾環(huán)縫密封涂裝時(shí)，先采用非硫化型橡膠膩?zhàn)訉?duì)其內(nèi)縫進(jìn)行填充密封，再采用硫化型橡膠密封劑對(duì)其外縫進(jìn)行填充密封。這種密封結(jié)構(gòu)同樣因涂層逐漸塑化失去彈性，使索夾處涂層與索夾端面出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致水、氧氣沿縫隙進(jìn)入主纜內(nèi)部，腐蝕主纜鋼絲。

為盡量避免主纜腐蝕，可采用主纜干風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，首先為主纜設(shè)計(jì)氣密性系統(tǒng)，然后通過(guò)主纜內(nèi)部鋼絲縫隙干燥空氣流動(dòng)達(dá)到降低濕度的目的，該系統(tǒng)于1998年在日本明石海峽大橋中首次使用，取得良好除濕效果[7]。干風(fēng)除濕系統(tǒng)需依靠可靠的外防護(hù)層有效阻斷外部水滲入，如果外防護(hù)層存在缺陷，達(dá)不到除濕效果，起不到干燥作用。

2 聚脲基本性能

聚脲為由異氰酸酯與氨基化合物經(jīng)高溫高壓設(shè)備噴涂而成的彈性體物質(zhì)[8]，基本性能指標(biāo)如表1所示。聚脲具有優(yōu)良的抗沖擊性、抗疲勞性、耐老化性，同時(shí)兼具優(yōu)良的防水性、耐候性、耐磨性，噴涂聚脲后的涂層致密、連續(xù)、無(wú)接縫、無(wú)針孔，可完全隔絕空氣，進(jìn)而提高構(gòu)件防腐性能，延長(zhǎng)構(gòu)件使用壽命。國(guó)外已將聚脲噴涂在拉索外防護(hù)上，用于抵抗炸彈襲擊，起防爆作用。我國(guó)四川、山西、浙江等地利用聚脲進(jìn)行橋梁拉索防護(hù)，以提高拉索使用壽命。

表1 聚脲基本性能指標(biāo)

3 聚脲老化性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

開展紫外線輻射老化加速試驗(yàn)，共制作4個(gè)橋梁主纜拉索護(hù)套，均由HDPE制成，呈啞鈴狀，尺寸如圖1所示。為便于對(duì)比分析，僅在3個(gè)護(hù)套表面噴涂聚脲，未噴涂聚脲的護(hù)套編號(hào)為1，噴涂聚脲的護(hù)套編號(hào)依次為2～4。試驗(yàn)過(guò)程中，以懸掛重物的方式使各護(hù)套受力相同。紫外線輻照老化試驗(yàn)箱如圖2所示，紫外線燈在等距離處輻照各護(hù)套，分別在老化360，720，1 080h時(shí)剝除護(hù)套2～4聚脲防護(hù)層，繼續(xù)老化至材料失效。

圖1 護(hù)套尺寸

圖2 紫外線輻照老化試驗(yàn)箱

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

護(hù)套裂縫寬度變化曲線如圖3所示，老化696，1 104h后觀察聚脲防護(hù)層，未發(fā)現(xiàn)其表面存在肉眼可見的裂縫，但表面光澤度有所降低。由圖3可知，以裂縫寬度達(dá)36μm作為老化失效終點(diǎn)，護(hù)套1使用壽命為360h。由于護(hù)套2～4表面有聚脲防護(hù)層的保護(hù)，剝除聚脲防護(hù)層繼續(xù)老化一定時(shí)間后，內(nèi)部HDPE才出現(xiàn)裂縫。剝除護(hù)套4聚脲防護(hù)層后，其內(nèi)部HDPE未開裂，直至老化約1 440h時(shí)，護(hù)套4裂縫達(dá)到老化失效終點(diǎn)。由此可知，護(hù)套4老化至內(nèi)部HDPE裂縫發(fā)展為36μm時(shí)需1 440h，使用壽命達(dá)未噴涂聚脲護(hù)套的4倍。

圖3 護(hù)套裂縫寬度變化曲線

大量橋梁主纜拉索使用壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，擠塑型HDPE拉索護(hù)套外防護(hù)層使用壽命為15～25年，如果將聚脲作為防護(hù)層，可將拉索護(hù)套使用壽命提升至45～75年，進(jìn)而提高懸索橋防腐性能。對(duì)于具有防護(hù)結(jié)構(gòu)的其他類型橋梁，噴涂聚脲后也可提高其防腐性能。

4 聚脲施工性能

聚脲具有快速固化等特點(diǎn)，特別適用于快速施工作業(yè)，可使施工效率大大提高。聚脲可在曲面、斜面及垂直面上噴涂成型，不產(chǎn)生流掛現(xiàn)象。施工時(shí)可采用噴涂、刷涂、刮涂等多種方式，適應(yīng)不同的施工場(chǎng)合，一次施工厚度可調(diào)可控，克服了以往需多次施工的弊端。可通過(guò)加入顏料等制成不同顏色的聚脲產(chǎn)品，由于聚脲不含揮發(fā)性有機(jī)物，對(duì)環(huán)境友好，符合綠色施工和可持續(xù)發(fā)展理念。

5 工程應(yīng)用

5.1 主纜拉索防腐

進(jìn)行懸索橋主纜拉索防腐施工時(shí)，需注意區(qū)分主纜纏絲段與非纏絲段。對(duì)于纏絲段，首先在鋼絲表面涂刷1層磷化底漆；然后使用密封膏進(jìn)行包覆密封處理，并在密封膏表面纏繞S形或圓形鋼絲；最后在主纜表面噴涂聚脲(見圖4a)。對(duì)于非纏絲段，首先在鋼絲表面涂刷1層磷化底漆，然后使用密封膏進(jìn)行包覆密封處理，最后噴涂聚脲(見圖4b)。采取上述措施后，可實(shí)現(xiàn)隔絕空氣、防腐功能，有效避免主纜拉索因受外部環(huán)境的影響而腐蝕。

圖4 主纜拉索防腐構(gòu)造示意

5.2 主纜索鞍防腐

可采用油漆防腐層/鍍鋅防腐層+聚脲防護(hù)層作為主纜索鞍防腐結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用聚脲防護(hù)層時(shí)，利用聚脲良好的延展性及結(jié)構(gòu)位移追隨性封閉主纜索鞍處縫隙，并在索鞍及出口位置整體噴涂聚脲進(jìn)行包覆處理，使主纜與索鞍防腐體系形成連續(xù)、封閉的整體結(jié)構(gòu)(見圖5)，可有效避免主纜因索鞍縫隙滲水而腐蝕。

圖5 主纜索鞍防腐構(gòu)造示意

5.3 主纜索夾防腐

進(jìn)行懸索橋主纜索夾防腐施工時(shí)，在索夾端面設(shè)置密封件，以改進(jìn)索夾端面密封結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行聚脲整體噴涂，使主纜與索夾防腐體系形成連續(xù)、封閉的整體結(jié)構(gòu)(見圖6)，可實(shí)現(xiàn)隔絕空氣、防腐功能，有效避免主纜因索夾縫隙滲水而腐蝕。

圖6 主纜索夾防腐構(gòu)造示意

5.4 主纜錨固件防腐

可采用油漆防腐層/鍍鋅防腐層+聚脲防護(hù)層作為主纜錨固件防腐結(jié)構(gòu)(見圖7)，從而實(shí)現(xiàn)隔絕空氣、防腐功能，減少外界因素對(duì)主纜錨固件的影響，提高整個(gè)系統(tǒng)防腐性能和可靠性。

圖7 主纜錨固件防腐構(gòu)造示意

6 結(jié)語(yǔ)

腐蝕是影響懸索橋主纜耐久性的關(guān)鍵因素之一，聚脲作為綠色環(huán)保的防護(hù)材料，具有優(yōu)良的物理性能和施工性能，將其作為懸索橋主纜防腐材料，有利于解決懸索橋主纜腐蝕問(wèn)題，可有效阻斷主纜腐蝕途徑，提高主纜防腐性能，進(jìn)而延長(zhǎng)懸索橋使用壽命。