钢绞线拉索锚头内部防腐技术与工艺研究

黄芳玮　黄永玖　庞维林　闫云友　李华萍

【概要】本文对桥梁的使用现状做了调查，针对斜拉索的防腐状况进行研究，分析其腐蚀原因。对拉索防腐的关键部位—桥梁下端锚头的防护提出内部灌注处理方案，选用性能优异的油性蜡作为防腐填充材料，配套适用的灌注设备，提出合理的施工工艺，保证防护施工的可操作性、便利性和质量稳定性，通过工程运用检验本防腐技术与工艺的可靠性。

【关键词】拉索；防腐；灌注设备；油性蜡

前言

随着桥梁技术的发展，设计标准也不断提高，设计使用寿命从之前的50年提升到了100年，有些重大桥梁工程还要求达到120年。

斜拉索是上部结构中最重要、最脆弱的结构构件，桥梁设计时要求斜拉索具有较好的耐久性能，以减少桥梁运营期间斜拉索的更换次数。由于斜拉索的耐久性受防护设计、安装质量、使用环境、运用维护等众多因素的影响，因此，重视斜拉索的性能研究、施工质量与合理使用，对桥梁的安全性至关重要。

一、拉索防腐状况

斜拉索的耐久性由力学性能、防腐措施等因素共同影响，目前拉索的力学性能研究已经相对成熟，并在设计规范中有明确的设计理论和设计方法，同时还可以用现行标准对拉索的力学指标进行检验，来确保其力学性能可靠。而对于拉索的防腐，特别是锚头内部的防腐，不同拉索体系有不同做法，防腐的可靠性验证难度也较大，因此一旦材料、施工工艺、安装检验措施等没有做好，就容易出现斜拉索防护提前失效，腐蚀预应力基体导致斜拉索断裂的情况。

目前没有一座斜拉桥的拉索是因为拉索锚固问题而失效，斜拉桥拉索失效都是腐蚀问题导致的。比如，1997年建成通车的南昌新八一大桥，运用不足10年便出现拉索PE护套开裂，下端锚头严重锈蚀的现象。原因是施工时拉索锚头防腐措施不到位，到2007年十年未对拉索进行过检测和维护，下端进水导致锚头锈蚀严重，经性能评估，下端锚头的腐蚀已經严重威胁桥梁的安全运营，不得已于2009年中断交通进行全面换索。

二、原因调查分析

拉索是由多根钢丝或钢绞线排列组成的，钢丝或钢绞线束外部热挤PE护套管做防护，而钢丝之间或钢丝束与护套管之间存在少量的空气中的水气，会从索体内部对钢丝造成一定的锈蚀。同时在气候变化条件下PE套管内外存在温差，会产生“冷凝水”，造成钢丝内部积水，积聚在预埋管中，进而腐蚀锚头。

钢绞线拉索采用的是现场制索，单根钢绞线张拉的安装工艺。在拉索的自由段，钢绞线有防腐油脂（或蜡）和热挤的PE保护套保护。而锚具内钢绞线需要剥除热挤的PE保护套，以满足锚具夹片夹持的需要。由于该段钢绞线因缺少保护层，因此是钢绞线拉索防腐体系中需重点考虑的地方之一。如不加以保护，钢绞线极有可能从裸露处锈蚀破坏，尤其是在拉索下锚头这个容易积水的位置，其防腐能力更加必须可靠和有效。

我们对国内众多桥梁拉索进行调查，发现梁端锚具在实际运用工程中，主要有以下几个方面的腐蚀现象：

拉索下端预埋管有积水，锚头浸在水中，腐蚀严重；

锚具下端保护罩出现积水和漏油的现象，钢绞线与夹片锈蚀；

由于拉索下端处于预埋管内，很难进行检查，特别是锚具灌注防腐材料可能存在不密实的情况，无法进行判断，只有将钢绞线取下，打开锚头方可检查。

三、总体防腐措施与关键研究问题

找到拉索锚头下端出现腐蚀的原固后，如何才能达到锚具内防腐的可靠和有效？

第一，做好锚头外露部分及预埋管口处的密封，要求拉索锚具本自身必须具备密封性能，阻止水进入锚头内。国际上通行的fib、CIP和PTI等钢绞线拉索规范，均要求钢绞线拉索锚具必须通过一定水头的动态水密封试验。拉索锚具防水密封结构必须可靠，所以密封装置必须特殊设计。

第二，精确计算钢绞线剥除热挤PE保护套的长度，必须保证张拉以后，钢绞线PE保护套进入锚头内。

第三，选择性能优异的防腐灌注材料，对锚头内缺少保护层的钢绞线进行充分保护。

另外通过一些辅助措施，如在锚垫板上设置泄水槽，可降低拉索管道发生积水的可能性。

对于以上第一项措施，通过拉索体系密封结构的改进优化可以解决，第二项我们在施工工艺中做好质量控制，并通过有利于操作的检测方法来保证。第三项解决拉索最薄弱部分的防腐问题，重点开展锚头内防腐填充研究，需要进一步对防腐材料、灌注工艺，工程运用等进行研究。

四、防腐材料的选用及其性能

锚头内灌注的防腐材料按JT/T 771-2009《无粘结钢绞线斜拉索技术条件》行业标准，推荐使用的是防腐润滑脂；按国际结构混凝土协会fib-2005《预应力钢质拉索的验收规范》的规定，认为油脂、柔性树脂和蜡等材料都可用于钢绞线斜拉索锚具内部的防腐填充。

在以往的钢绞线斜拉索设计及安装过程中，常采用无粘结筋专用防腐润滑脂作为锚具内填充材料。这种防腐润滑脂虽具有较好的防腐作用，但因其钢网分油量较大，且从防腐润滑脂中析出的油分具有很强的渗透性，从而导致在使用过程中，会出现防腐润滑脂渗漏的现象，极大地影响桥梁的整体美观、还会引起市民对桥梁施工质量的质疑，给社会带来不良影响。

钢绞线斜拉索在改进过程中，经过多方比较，选用性能优异的油性蜡作为锚具内填充材料。

油性蜡在环境温度下是一种半固态物质，需要加热至其常溶点成为液态方可进行灌注施工。由于油性蜡灌入锚具后便冷却凝成粘性状态，不会固化和流失，它会紧紧粘附在钢绞线和锚具内表面，最重要的是它可有效避免传统防腐润滑脂泄漏的现象，具有良好的粘附性、抗环境气候侵蚀和防腐蚀保护性能。锚头内灌注油性蜡可以达到50年免维护，减少后期大量的维护工作。油性蜡的性能见下表1 。

五、油性蜡的灌注工艺

油性蜡常温状态为粘稠蜡状形态，灌注前需要采用加热设备进行加热熔化，熔化温度为100℃，为保证性能加热温度不宜超过130℃，在借鉴国内外相关工艺基础上，我们制定以下两种加热、输送方案。

方案一：

采用加热带外裹于桶壁进行加热，加热带具有均匀加热的效果，使得油性密封蜡的性能得以保证（如图6）。为了操作人员的安全，一般在加热带上设置有控制开关以调节加热速度，同时建议在加热桶外围设置木方框护栏等安全措施，以防止烫伤事故。

由于桥梁上需要灌注的锚具与油桶的距离较长，因此通常采用具有双重控制阀门的泵（泵的进口端伸入油桶底部）进行油性密封蜡的灌注。对于没有加热系统的输送管道，需要提前开启位于泵端的阀门以及位于管道末端的控制阀门，把管道末端对准桶内打开两个控制阀实现管道的预热，大约需要3至5分钟，这一步骤对于寒冷区域桥梁施工以及对于管道较长的使用状况尤其必要（如图7）。当完成整个灌注管道系统预热后即可开始对锚头进行油性蜡灌注。

该灌注设备由一个能输送高温液体的泵，通过一个有多个爪钩（钩于油桶边上）的圆型支架固定于桶沿，该泵进口端管道直接插入油桶桶底，泵出口端装有一个控制阀门，阀门直接连通至输送管道，输送管道末端有一个供操作工人控制流量的阀门。

方案二：

通过专用灌注设备（如图8）完成整个加热、灌注过程。该装备是一套具有加热保温和增压功能的成熟产品，能对油性密封蜡进行加热和灌注增压，通过一根带加热功能的管道进行输送，使油性蜡在输送过程中处于熔点以上，防止油性密封蜡在管道中凝结造成堵塞。专用灌注设备原理图示如图9。

采用专用灌注设备进行加热、灌注时，只需将油性密封蜡填入专用灌注设备的料筒内，关闭料筒盖。启动设备并将温度调节至130℃左右，待油性密封蜡完全熔化和完成管道预热后，启动齿轮泵，通过变频器调节流量即可进行灌注。

六、工程运用

本防腐技术经过充分试验与工程应用验证后，进行总结经验及优化改进。由于很好地解决了斜拉索下端目前存在的大量腐蚀与漏油问题，消除桥梁关键部分的安全隐患，真正提升拉索的耐用性问题，国内、外众多的重点工程也逐渐开始设计和采用该项技术，其中合福铁路铜陵长江公铁两用大桥采用了钢绞线及锚头内均为油性蜡保护的技术，该桥主跨630米，斜拉索为扇形三索面布置，采用钢绞线斜拉索，全桥共228根，最长拉索为336m，在同类型桥梁中堪称世界之最，该拉索的防腐处理措施合理，施工效果良好，有效地保证该工程的使用寿命。

目前油性蜡防腐技术已在重庆南屏大桥、四川合江长江二桥、印尼Mahkota桥、金堂县毗河三桥、重庆蔡家嘉陵江桥、南宁五象大桥、韩国锦江四桥等十多座桥梁应用，均得到工程业主的认可与好评，建议大力進行推广应用。

参考文献：

[1]国际结构混凝土协会fib-2005《预应力钢质拉索的验收规范》

[2]中华人民共和国国家标准《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》GB/T18365-2008

[3]王文涛.《斜拉桥换索工程》.北京，人民交通出版社，1999