应用聚脲技术提高桥梁拉索HDPE护套的耐久性

植磊 黄永玖 冯高邮 任显诚

摘 要：桥梁拉索是桥梁的核心构件，按照设计要求寿命一般达到70年以上，实际拉索的使用寿命却往往不到25年。这其中主要的原因是由于拉索HDPE外护套在制索过程中自身应力的存在，加上太阳紫外线照射的共同作用下，HDPE容易在迎光面产生裂纹，裂纹逐渐扩大导致护套横向断裂，雨水浸入拉索内部腐蚀钢丝，影响拉索使用寿命。如果采用耐老化性、耐候性能优越的聚脲材料对拉索HDPE护套进行防护，隔离太阳紫外线的照射，将会成倍的延长HDPE护套老化寿命，同时也对桥梁的使用带来巨大的经济、社会效益。

关键词：聚脲技术;桥梁拉索;HDPE护套;耐久性

1 方案背景

拉索是支承桥梁及建筑的核心构件，它的使用寿命直接影响桥梁的使用年限。桥梁及建筑的设计寿命一般达70年甚至100年以上，而实际拉索的使用寿命却往往不到25年，有的拉索甚至仅仅数年就不能正常使用，造成拉索在使用过程中需要多次换索，造成巨大的经济损失。引起拉索使用寿命较短的主要原因是：拉索在使用过程中，在太阳紫外线照射和拉索HDPE护套内部应力的综合作用下，HDPE护套极容易在迎光面产生环向裂纹，随着裂纹的扩大，外层护套断裂引起拉索内部钢绞线/钢丝腐蚀生锈，如下图1为拉索外层HDPE护套出现应力开裂造成的危害。

因此，研究具有超耐久性能防腐体系的拉索，对提高拉索以及在役桥梁的使用寿命具有重要意义，可减少桥梁在使用过程中财产的浪费和重大事故的发生。

2 技术手段

目前《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》GB/T 18365-2018要求拉索外层护套采用HDPE（高密度聚乙烯）材料制作，HDPE护套是通过热挤方式包覆于高强钢丝或钢绞线上，形成拉索的外层防护。HDPE材料虽具有优异的力学性能及良好的耐热性，但当HDPE材料处在应力状态下同时受到太阳紫外线照射时，护套容易开裂，导致图1所示的索体危害。由于HDPE護套是通过热挤工艺，在加工过程中自身应力状态难以消除，以及拉索在施工挂索工程中容易造成HDPE护套损伤与拉裂，加上拉索自身交替索力下又会导致HDPE护套应力增加及疲劳，所以在HDPE护套外层增加一层紫外线隔离防护层成为目前桥梁拉索界应对HDPE开裂的共同办法，目的就是为了最大程度的延长拉索外层HDPE的老化寿命。

3 聚脲材料的性能介绍

聚脲材料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。它有优异的抗冲击性、抗疲劳性、耐老化性，同时兼具优良的耐候性。因此采用聚脲作为产品的最外层防护，抵挡太阳紫外线的照射、雨水的冲刷以及各种介质的腐蚀，已经被各类工程应用证明是一种十分可行的技术方案，并且在军事防护、大型水坝、海洋与化工等工程上成功应用，广受认可。

4 桥梁拉索HDPE护套表面涂覆聚脲涂层的老化寿命对比试验

实验材料：HDPE样品和聚脲材料;

实验设备：紫外线辐照老化试验箱，四盏老化灯，总辐照量为14 W/m2;

实验样件尺寸：HDPE样件为哑铃状，聚脲涂层厚度为1.5 mm。

4.1 试验过程

一组未涂覆聚脲的HDPE样品（1#）与三组涂覆聚脲的HDPE样品同时悬挂，下面悬挂重物提供相同负荷（负荷量3.75 MPa），紫外灯在等距处辐照各组样条。待未涂覆聚脲的HDPE样品组裂纹生长达到贯穿样条宽度时，将涂覆了聚脲的一组HDPE样品（2#）剥去聚脲保护层，继续老化。待2#样品裂纹也发展到贯穿整根样条宽度时，剥去另一组HDPE样品（3#）的聚脲层，继续老化;3#样品裂纹贯穿样条宽度，剥去4#样品的聚脲层，观察HDPE的裂纹发展过程和聚脲涂层的变化情况。

4.2 实验现象

未涂覆聚脲的HDPE样条（1#）在老化初期72 h内没有裂纹产生，颜色逐渐变深，表面光泽度降低;老化96 h，表面产生肉眼可见孔洞与微小裂纹，宽度为9 μm左右，但未贯穿表面;HDPE样条表面除了产生垂直于应力方向的一次裂纹，还产生了平行于应力方向的二次裂纹。老化360 h裂纹贯穿表面，宽度约为36 μm，达到设定的老化终点。

360 h时剥去2#HDPE样条的聚脲层，此时观察2#HDPE样品在聚脲保护下的外表面完好，没有发现裂纹出现，但剥去聚脲层后，HDPE样条表面裂纹的生长情况开始同1#HDPE样的裂纹生长情况类似，裂纹宽度随老化时间增加而增加。在总老化时间696 h，剥去聚脲层后336 h时观察到裂纹宽度达到36 μm。

3#HDPE样品在总老化时间达到768 h时剥去聚脲层，此时观察HDPE样条表面并没有出现裂纹，在剥去聚脲层之后继续老化HDPE样条表面也开始出现裂纹生长，在总老化时间达到1 104 h时，3#HDPE样条裂纹贯穿样品表面，宽度约38 μm。

4#HDPE样条在总老化时间达到1 104 h时剥去聚脲层，此时样品表面无裂纹;剥去聚脲保护层之后裂纹发展状况与1～3#样条类似;总老化时间为1 440 h，裂纹贯穿样条表面，宽度约为40 μm。

其中依次辐照696 h、1 104 h后观察到聚脲涂层表面没有可见裂纹（可见裂纹设为36 μm），聚脲涂层表面光泽度有轻微降低。四组HDPE样品表面裂纹宽度与老化时间的关系如图2。

4.3 实验结论

以裂纹生长对应裂纹宽度达到36 μm作为老化失效终点，则1#样品在加速试验条件下的使用寿命为360 h，因为有聚脲层的保护，并且该层在老化过程中不破坏（光照696 h的聚脲涂层没有出现破坏），内部的HDPE在768 h时没有出现裂纹。即使按照4#样条在总老化时间为1 104 h后聚脲层完全损伤破坏了，内部HDPE裂纹发展到失效终点也需要约1 440 h，即达到未喷涂聚脲的HDPE样品使用寿命的4倍（1 440/360）以上。根据相同条件下高强度老化因子加速试验过程中不同组样品的使用寿命相对比值等于在实际户外长期低强度老化时样品的实际使用寿命相对比值的原理，我们可以得出如下结论：经过聚脲喷涂HDPE护套实际使用寿命可以达到未喷涂聚脲的HDPE护套使用寿命的四倍以上。

5 结语

通过将拉索HDPE护套表面涂覆聚脲涂层后隔离太阳紫外线的原理，已经成功在四川、山西、浙江、两广、湖南等地拉索HDPE护套采用，通过持续数年观测，外层的聚脲涂层除光泽稍有点变弱外，不仅没有出现可见裂纹，而且颜色也保持良好。按照目前常规HDPE拉索HDPE老化寿命一般为25年期限而定，如果采用聚脲技术进行紫外线隔离防护，拉索索体防腐寿命就很容易提升到75年甚至100年以上，不仅使该桥获得巨大的经济效益，同时还能获得深远的社会效益。

参考文献：

[1]叶觉明.热挤HDPE护套在桥梁缆索防护中的应用[J].工程塑料应用，2005（3）：42-45.

[2]龙跃，郑皆连，吴振.桥梁拉索典型病害事故的调查与研究[J].预应力技术，2010（6）：28-31.

[3]彭春阳，李启富，植磊，等.聚脲在悬索桥主缆防腐中的应用[J].施工技术，2021，50（3）：76-78.

[4]李居泽，周庠天，彭渝舒.桥梁拉索PE护套裂纹成因及治理研究[J].建筑工程技术与设计，2015（17）：653.

[5]王宝珠，黄微波，等.喷涂聚脲弹性体技术的应用[J].聚氨酯工业，2000，15（1）：39-43.

[6]黄微波，王宝柱，陈酒姜，等.喷涂聚脲弹性体技术的发展历程[J].现代涂料与涂装，2004，42（1）：10-15.

[7]王宝柱，刘培礼，胡松霞.喷涂聚脲弹性体在防水工程中的应用[J].新型建筑材料，2009（12）：59-63.