彭春陽，李啟富，植 磊，任顯誠

(1.柳州歐維姆機械股份有限公司，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]。隨著社會經(jīng)濟與交通發(fā)展需求及橋梁施工技術(shù)的提高，近年來，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、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，將減小索股有效截面面積和強度，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]中的要求進行懸索橋主纜防腐涂裝，主纜鋼絲需進行鍍鋅處理，主纜架設(shè)完成后通過底漆+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行防腐處理。該方式存在以下問題：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，主纜鋼絲長度發(fā)生變化，易使主纜拉索涂層出現(xiàn)微裂縫；③在太陽照射下，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，水沿微裂縫進入主纜內(nèi)部，腐蝕主纜鋼絲，微裂縫隨著時間的增加逐漸變大，更多的水沿微裂縫進入主纜內(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，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，進行索夾環(huán)縫密封涂裝時，先采用非硫化型橡膠膩子對其內(nèi)縫進行填充密封，再采用硫化型橡膠密封劑對其外縫進行填充密封。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)進行防護，首先為主纜設(shè)計氣密性系統(tǒng)，然后通過主纜內(nèi)部鋼絲縫隙干燥空氣流動達到降低濕度的目的，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層有效阻斷外部水滲入，如果外防護層存在缺陷，達不到除濕效果，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)、無接縫、無針孔，可完全隔絕空氣，進而提高構(gòu)件防腐性能，延長構(gòu)件使用壽命。國外已將聚脲噴涂在拉索外防護上，用于抵抗炸彈襲擊，起防爆作用。我國四川、山西、浙江等地利用聚脲進行橋梁拉索防護，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

3.1 試驗概況

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

圖1 護套尺寸

圖2 紫外線輻照老化試驗箱

3.2 試驗結(jié)果與分析

護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36μm作為老化失效終點，護套1使用壽命為360h。由于護套2～4表面有聚脲防護層的保護，剝除聚脲防護層繼續(xù)老化一定時間后，內(nèi)部HDPE才出現(xiàn)裂縫。剝除護套4聚脲防護層后，其內(nèi)部HDPE未開裂，直至老化約1 440h時，護套4裂縫達到老化失效終點。由此可知，護套4老化至內(nèi)部HDPE裂縫發(fā)展為36μm時需1 440h，使用壽命達未噴涂聚脲護套的4倍。

圖3 護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)計結(jié)果表明，擠塑型HDPE拉索護套外防護層使用壽命為15～25年，如果將聚脲作為防護層，可將拉索護套使用壽命提升至45～75年，進而提高懸索橋防腐性能。對于具有防護結(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，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。施工時可采用噴涂、刷涂、刮涂等多種方式，適應(yīng)不同的施工場合，一次施工厚度可調(diào)可控，克服了以往需多次施工的弊端?？赏ㄟ^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)性有機物，對環(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

進行懸索橋主纜拉索防腐施工時，需注意區(qū)分主纜纏絲段與非纏絲段。對于纏絲段，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+聚脲防護層作為主纜索鞍防腐結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用聚脲防護層時，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

進行懸索橋主纜索夾防腐施工時，在索夾端面設(shè)置密封件，以改進索夾端面密封結(jié)構(gòu)，并進行聚脲整體噴涂，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+聚脲防護層作為主纜錨固件防腐結(jié)構(gòu)(見圖7)，從而實現(xiàn)隔絕空氣、防腐功能，減少外界因素對主纜錨固件的影響，提高整個系統(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

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題，可有效阻斷主纜腐蝕途徑，提高主纜防腐性能，進而延長懸索橋使用壽命。