悬索桥主缆防腐系统用硫化型橡胶密封胶的研究

陈 丹，张 敏，王玉美，胡生祥

（郑州中原思蓝德高科股份有限公司，河南 郑州 450000）

关键字：悬索桥；主缆防腐；聚硫密封胶；硅改性聚醚密封胶（MS密封胶）；耐久性

随着我国经济的飞速发展，桥梁建设也得到了快速发展。其中悬索桥的发展日趋成熟，跨度越来越大，结构越来越好，并且轻型美观，已成为特大跨度桥梁的首选桥型[1]。悬索桥主要是由主缆、主塔、锚碇和加劲梁四大主体结构以及塔顶主鞍座、锚口散索鞍座和悬吊系等重要附属系统组成。其中主缆是悬索桥最重要的受力构件之一，且是不可更换构件，被称为悬索桥的“生命线”[2，3]。主缆长期暴露在大气环境中，经受着各种不利环境的侵蚀，主缆钢丝逐渐产生锈蚀，而锈蚀会减少有效的索股面积和强度，严重危及到悬索桥的安全性和使用年限。因此，主缆的寿命直接影响甚至决定着悬索桥的使用寿命。

为了应对主缆耐久性不断提出的更高要求，在借鉴国外先进技术、总结我国悬索桥主缆系统防腐涂装经验基础上，国家交通部发布了JT/T 694—2007《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》[4]，规范了主缆防腐涂装体系和质量控制[5]。按照该标准，悬索桥主缆防腐涂装体系采用的技术是：钢丝出厂前进行镀锌处理，主缆成形后通过“不干性密封膏+缠绕钢丝+聚硫橡胶包覆层+881系统重防腐涂装材料”的方式来进行防腐，如图1所示。

这种主缆防护体系实际是通过对主缆外层的硫化型橡胶密封剂进行密封包裹来防止水分和其他腐蚀因子侵入其内部以达到防腐蚀目的，所以硫化型橡胶密封剂的防腐效果对该防腐体系至关重要。在过去几十年里，主缆防护体系中采用高性能的聚硫防腐密封胶作为外层防护密封胶，但近年来，发现有桥梁主缆用硅改性聚醚密封胶（简称MS密封胶）作为外层防腐密封胶[6]，所以本文依据JT/T 694—2007附录A.3硫化型橡胶密封剂技术指标，对聚硫密封胶和MS密封胶进行全面性能对比分析，以供桥梁业内人士选择密封胶时参考。

图1　主缆缠丝段涂层配套体系示意图Fig.1　Schematic diagram of supporting system of main cable wrapping

1　 实验部分

1.1　主要材料

聚硫密封胶、MS密封胶，均取自某桥梁主缆施工现场。

1.2　仪器与设备

万能拉力试验机，CMT 4304，深圳三思纵横科技股份有限公司；鼓风干燥箱，GZY-9030 MBE，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；水蒸气透过率测试仪，W3/060，济南兰光机电技术有限公司。

1.3　性能测试

密度：采用GB/T 533测试；不挥发分含量：采用HB 6743测试；流淌性：采用HB 5243测试；邵A硬度：采用GB/T 531测试；水蒸气透过率：采用GB/T 17146测试；拉伸性能：采用HB 5246、GB/T 528测试；热空气老化性能：采用HB 5246、HB 5247测试；剥离性能：采用HB 5248测试；耐腐蚀性：采用HB5273测试。

2　 结果与讨论

2.1　密封胶的物理性能对比分析

表1出示了JT/T 694—2007标准所要求的物理性能检验项目，分析试验结果可知：①聚硫密封胶是双组分密封胶，固化快，在较短时间内就能达到硬度的80%，施工效率高；MS密封胶是单组分密封胶，属于湿气固化，固化速度慢，施工周期长。在实际施工时，MS密封胶一天刮涂2遍的厚度在0.5 mm左右，而要达到2.5 mm厚度就需要5 d左右；聚硫密封胶固化速度快，一天可刮涂3遍就达到要求厚度，与之相比大大缩短涂装工期。②聚硫密封胶的不挥发分含量满足JT/T 694—2007技术指标；MS密封胶的不挥发分含量不符合标准技术要求，这是因为MS密封胶固化是缩合反应，后期还会持续反应，释放小分子，产品性能不稳定。③聚硫密封胶的硬度比MS密封胶大，使得聚硫密封胶抵抗外来物破坏的能力比MS密封胶要好。

表1　聚硫密封胶和MS密封胶的物理性能对比Tab.1　Comparison of physical performance of polysulfide sealant and MS sealant

2.2　密封胶的水蒸气透过率和力学性能对比分析

涂覆密封胶的主要目的是阻止环境中的水气进入主缆内部，所以密封材料的水蒸气透过率也是一项很重要的指标。测试了2种密封胶的水蒸气透过率，密封胶试样厚度为2 mm，测试结果见表2。

表2　聚硫密封胶和MS密封胶的水蒸气透过率性能比较Tab.2　Comparison of water vapor transmission of polysulfide sealant and MS sealant

从表2可以看出，聚硫密封胶具有极低的水蒸气透过率，MS密封胶的水蒸气透过率约是聚硫密封胶的5倍，这是因为MS密封胶主链为聚醚链段，吸水率高，而聚硫密封胶为脂肪链，疏水性大。所以同种施工工艺流程欲达到同样的水蒸气透过率效果，MS密封胶的厚度和用量会比聚硫密封胶高出若干倍。聚硫密封胶的水蒸气透过率为固化型密封胶中最小的[7]，如果桥梁处于海洋大气环境中，尤其是处于亚热带海洋性季风气候环境中，终年温暖湿润、雨量充沛，建议选用聚硫密封胶作为主缆防护体系的外层防腐密封胶。

在标准环境下[温度（23±2）℃，湿度（50±5）%）]，聚硫密封胶的试样养护14 d，MS密封胶的试样养护21 d，再测试力学性能，结果见表3。

由表3可知，聚硫密封胶和MS密封胶的拉伸性能、粘接性能和耐腐蚀性皆符合JT/T 694—2007标准要求，但在热空气老化性能上，表现出很大的不同。聚硫密封胶经120℃老化7 d后，拉伸强度和扯断伸长率稍有些增大，密封胶的力学性能基本保持不变，表现出优越的耐热老化性能。MS密封胶在120℃热空气老化5 d后，试样发黏、断裂，老化7 d后，试样完全粉化。聚硫密封胶和MS密封胶经120 ℃热空气老化7 d后试样如图2所示。

表3　聚硫密封胶和MS密封胶的力学性能对比Tab.3　Comparison of mechanical properties of polysulfide sealant and MS sealant

图2　聚硫密封胶（a）和MS密封胶（b）经120 ℃热空气老化后试样图对比Fig.2　Specimen comparison of polysulfide sealant（a） and MS sealant（b） after hot air aging at 120 ℃

2.3　密封胶的老化性能对比分析

在JT/T 694—2007标准中，热空气老化性能直接考查的是密封胶的使用寿命。据研究报道，已有用热氧老化法估算密封胶的理论寿命，虽与实际使用寿命不同，但可通过测试耐热氧性来进行不同密封胶品种间的相对耐久性比较[8]。本文以JT/T 694—2007标准所规定的120 ℃为条件，比较聚硫密封胶和MS密封胶的耐久性，见图3。

图3　聚硫密封胶和MS密封胶经120 ℃热空气老化后力学强度变化示意图Fig.3　Mechanical strength changes of polysulfide sealant and MS sealant after hot air aging at 120 ℃

图3中（a）是2种密封胶经120 ℃热空气老化后的拉伸强度的变化值，（b）是2种密封胶经120 ℃热空气老化后粘接性能的变化值。聚硫密封胶经120 ℃热空气老化30 d后，拉伸强度和粘接性能扔远远大于JT/T 694—2007的标准要求，耐热空气老化性能卓越。而MS密封胶的拉伸强度在热空气老化第4 d已经不能满足标准要求，第5 d后试样就完全被破坏，已无力学性能可言；粘接性能是在热空气老化第5 d后不能满足标准要求，第6 d已无粘接性能和力学性能。由此可知，MS密封胶可耐120 ℃热空气老化3 d，聚硫密封胶在120 ℃热空气老化30 d后，性能依然满足标准要求，耐老化优越，由此可推测聚硫密封胶的耐久性是MS密封胶的耐久性的至少10倍以上。

4　 结论

1）MS密封胶的不挥发分含量和热空气老化性能不符合JT/T 694—2007标准要求，聚硫密封胶满足该标准的全部技术指标。

2）聚硫密封胶的水蒸气透过率为固化型密封胶中最小的，具有良好的密封性能，远优于MS密封胶的水蒸气透过率。

3）聚硫密封胶具有卓越的耐老化性能，使用寿命长；MS密封胶耐老化性能差，在较短时间内的高温老化就会粉化，使用寿命短。

本文依据JT/T 694—2007，对聚硫密封胶和硅改性聚醚密封胶性能进行了对比分析研究，以供桥梁建设选用密封胶时参考。