聚脲在悬索桥主缆防腐中的应用*

彭春阳，李启富，植 磊，任显诚

(1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545005； 2.四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065)

0 引言

中国桥梁历史悠久，精湛的桥梁建造技术与艺术从古代就闻名于世，成为中华民族绚丽多姿的文化瑰宝，是中华文化不可分割的重要组成部分[1]。随着社会经济与交通发展需求及桥梁施工技术的提高，近年来，大跨度悬索桥不断涌现[2]。悬索桥是结构最复杂、造型最优美的桥型之一，被誉为“桥梁皇后”[3]。主缆是悬索桥重要承重构件，具有“生命线”之称，其工作状态影响桥梁使用寿命[4]。主缆由于多处于复杂环境地区，经盐、水及其他腐蚀介质的侵蚀，易发生破坏，且受动、静荷载作用和疲劳损伤影响，使其耐久性降低。

主缆使用寿命与其经受的腐蚀密切相关[5]，当主缆钢丝受腐蚀时，将减小索股有效截面面积和强度，危害桥梁安全。悬索桥主缆受腐蚀的主要原因是主缆防腐结构存在缺陷和防腐措施不当。为此，将防护材料聚脲应用于主缆防腐中，可有效阻断腐蚀途径，提高防腐性能和可靠性。

1 防腐方式

目前，多按JT/T 694—2007《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》[6]中的要求进行悬索桥主缆防腐涂装，主缆钢丝需进行镀锌处理，主缆架设完成后通过底漆+不干性密封膏+缠绕钢丝+聚硫橡胶包覆层+881系列重防腐涂料的方式进行防腐处理。该方式存在以下问题：①主缆拉索涂层逐渐塑化，并失去弹性；②在力和温度的作用下，主缆钢丝长度发生变化，易使主缆拉索涂层出现微裂缝；③在太阳照射下，主缆迎光面温度高，背光面温度低，造成同一位置不同面主缆钢丝伸长量不同，导致主缆发生扭转，使主缆拉索涂层出现微裂缝，水沿微裂缝进入主缆内部，腐蚀主缆钢丝，微裂缝随着时间的增加逐渐变大，更多的水沿微裂缝进入主缆内部，加快主缆钢丝的腐蚀；④增塑剂和生胶向缠绕钢丝外的硫化密封层移动，导致硫化密封层黏附率降低、孔隙率增加，降低密封效果。《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》中规定，进行索夹环缝密封涂装时，先采用非硫化型橡胶腻子对其内缝进行填充密封，再采用硫化型橡胶密封剂对其外缝进行填充密封。这种密封结构同样因涂层逐渐塑化失去弹性，使索夹处涂层与索夹端面出现缝隙，导致水、氧气沿缝隙进入主缆内部，腐蚀主缆钢丝。

为尽量避免主缆腐蚀，可采用主缆干风除湿系统进行防护，首先为主缆设计气密性系统，然后通过主缆内部钢丝缝隙干燥空气流动达到降低湿度的目的，该系统于1998年在日本明石海峡大桥中首次使用，取得良好除湿效果[7]。干风除湿系统需依靠可靠的外防护层有效阻断外部水渗入，如果外防护层存在缺陷，达不到除湿效果，起不到干燥作用。

2 聚脲基本性能

聚脲为由异氰酸酯与氨基化合物经高温高压设备喷涂而成的弹性体物质[8]，基本性能指标如表1所示。聚脲具有优良的抗冲击性、抗疲劳性、耐老化性，同时兼具优良的防水性、耐候性、耐磨性，喷涂聚脲后的涂层致密、连续、无接缝、无针孔，可完全隔绝空气，进而提高构件防腐性能，延长构件使用寿命。国外已将聚脲喷涂在拉索外防护上，用于抵抗炸弹袭击，起防爆作用。我国四川、山西、浙江等地利用聚脲进行桥梁拉索防护，以提高拉索使用寿命。

表1 聚脲基本性能指标

3 聚脲老化性能试验

3.1 试验概况

开展紫外线辐射老化加速试验，共制作4个桥梁主缆拉索护套，均由HDPE制成，呈哑铃状，尺寸如图1所示。为便于对比分析，仅在3个护套表面喷涂聚脲，未喷涂聚脲的护套编号为1，喷涂聚脲的护套编号依次为2～4。试验过程中，以悬挂重物的方式使各护套受力相同。紫外线辐照老化试验箱如图2所示，紫外线灯在等距离处辐照各护套，分别在老化360，720，1 080h时剥除护套2～4聚脲防护层，继续老化至材料失效。

图1 护套尺寸

图2 紫外线辐照老化试验箱

3.2 试验结果与分析

护套裂缝宽度变化曲线如图3所示，老化696，1 104h后观察聚脲防护层，未发现其表面存在肉眼可见的裂缝，但表面光泽度有所降低。由图3可知，以裂缝宽度达36μm作为老化失效终点，护套1使用寿命为360h。由于护套2～4表面有聚脲防护层的保护，剥除聚脲防护层继续老化一定时间后，内部HDPE才出现裂缝。剥除护套4聚脲防护层后，其内部HDPE未开裂，直至老化约1 440h时，护套4裂缝达到老化失效终点。由此可知，护套4老化至内部HDPE裂缝发展为36μm时需1 440h，使用寿命达未喷涂聚脲护套的4倍。

图3 护套裂缝宽度变化曲线

大量桥梁主缆拉索使用寿命数据统计结果表明，挤塑型HDPE拉索护套外防护层使用寿命为15～25年，如果将聚脲作为防护层，可将拉索护套使用寿命提升至45～75年，进而提高悬索桥防腐性能。对于具有防护结构的其他类型桥梁，喷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点，特别适用于快速施工作业，可使施工效率大大提高。聚脲可在曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象。施工时可采用喷涂、刷涂、刮涂等多种方式，适应不同的施工场合，一次施工厚度可调可控，克服了以往需多次施工的弊端。可通过加入颜料等制成不同颜色的聚脲产品，由于聚脲不含挥发性有机物，对环境友好，符合绿色施工和可持续发展理念。

5 工程应用

5.1 主缆拉索防腐

进行悬索桥主缆拉索防腐施工时，需注意区分主缆缠丝段与非缠丝段。对于缠丝段，首先在钢丝表面涂刷1层磷化底漆；然后使用密封膏进行包覆密封处理，并在密封膏表面缠绕S形或圆形钢丝；最后在主缆表面喷涂聚脲(见图4a)。对于非缠丝段，首先在钢丝表面涂刷1层磷化底漆，然后使用密封膏进行包覆密封处理，最后喷涂聚脲(见图4b)。采取上述措施后，可实现隔绝空气、防腐功能，有效避免主缆拉索因受外部环境的影响而腐蚀。

图4 主缆拉索防腐构造示意

5.2 主缆索鞍防腐

可采用油漆防腐层/镀锌防腐层+聚脲防护层作为主缆索鞍防腐结构，当采用聚脲防护层时，利用聚脲良好的延展性及结构位移追随性封闭主缆索鞍处缝隙，并在索鞍及出口位置整体喷涂聚脲进行包覆处理，使主缆与索鞍防腐体系形成连续、封闭的整体结构(见图5)，可有效避免主缆因索鞍缝隙渗水而腐蚀。

图5 主缆索鞍防腐构造示意

5.3 主缆索夹防腐

进行悬索桥主缆索夹防腐施工时，在索夹端面设置密封件，以改进索夹端面密封结构，并进行聚脲整体喷涂，使主缆与索夹防腐体系形成连续、封闭的整体结构(见图6)，可实现隔绝空气、防腐功能，有效避免主缆因索夹缝隙渗水而腐蚀。

图6 主缆索夹防腐构造示意

5.4 主缆锚固件防腐

可采用油漆防腐层/镀锌防腐层+聚脲防护层作为主缆锚固件防腐结构(见图7)，从而实现隔绝空气、防腐功能，减少外界因素对主缆锚固件的影响，提高整个系统防腐性能和可靠性。

图7 主缆锚固件防腐构造示意

6 结语

腐蚀是影响悬索桥主缆耐久性的关键因素之一，聚脲作为绿色环保的防护材料，具有优良的物理性能和施工性能，将其作为悬索桥主缆防腐材料，有利于解决悬索桥主缆腐蚀问题，可有效阻断主缆腐蚀途径，提高主缆防腐性能，进而延长悬索桥使用寿命。