斜拉桥拉索防腐蚀技术研究进展综述

摘要：随着国民生活水平的提高以及交通运输行业的日益壮大，国内外早期修建的斜拉桥拉索腐蚀现象屡见不鲜，轻则拉索腐蚀、断裂，重则桥梁坍塌。为解决拉索腐蚀造成的安全不利因素而进行的换索工程不仅耗费人力，还耗费大量的财力，从而影响桥梁的经济性。本文主要研究拉索腐蚀机理和拉索防腐蚀手段，旨在提高拉索的耐久性，延长斜拉索的使用寿命，以供参考。

关键词：斜拉桥；防腐蚀；技术手段

DOI：10.12433/zgkjtz.20233445

项目名称：考虑腐蚀—疲劳耦合效应的斜拉桥拉索寿命预测研究

项目编号：202211276087Y

一、国内外破坏案例及腐蚀机理

（一）国内外斜拉索破坏案例

广州海印大桥自1988年通车以来，斜拉索使用35年。由于管内压浆不密实，致使钢丝锈蚀，两次发生拉索断裂事故，最初是使用7年时9号索断裂，而后15号索发生松断。为解决安全隐患，于1996年更换全部拉索，工程造价2000万，工期六个月。

浙江章镇斜拉桥位于浙江省上虞市，自1983年通车以来，斜拉桥已使用40年。由于玻璃钢产生裂缝发生破碎，外加玛蹄脂老化导致渗水，钢丝锈蚀严重，最终更换全部拉索。

委内瑞拉马拉开波桥是一座世界著名的预应力混凝土斜拉桥，由于当时建造水平的限制，拉索没有镀锌而是使用亚麻油作为钢丝防锈剂，在涂红丹底漆以及云母甲板漆前缠丝。涂层腐蚀破坏使得锚箱接口处的拉索发生严重锈蚀，最终导致大面积换索，增加拉索数量，花费5000万美元。

德国科尔布兰特桥建于1974年，桥梁斜拉索全部使用封闭索，用涂料做了4层防护，但索上端渗水导致拉索内部腐蚀严重，最终耗资6000万美元将所有拉索换新，是原桥梁总造价的4倍。

（二）斜拉索腐蚀机理

对现有拉索腐蚀案例总结后不难看出，拉索腐蚀的原因大致分两种：第一，拉索自身缺陷，主要体现在高强钢丝以及拉索防护体系上。例如，苏州绕城公路斜拉桥，由于吊装和运输工艺不合理，导致拉索使用过程中发生拉索或锚头腐蚀现象。第二，缆索系统的防护体系有缺陷。例如，委内瑞拉马拉开波桥和德国科尔布兰特桥，由于防锈蚀涂层破坏，导致拉索腐蚀严重。

二、现有技术手段

从目前仍在使用的斜拉桥日常监测来看，斜拉桥系统腐蚀的两个核心方面是索体本身以及索体与锚具的连接处。

（一）索体防开裂措施

从拉索防护角度看，索体防护可分为高强钢丝出厂后的临时防护和桥梁建成后索体的永久防护两种。

1.索体的临时防护

（1）在钢丝表面镀锌或镀铝

锌是优质的阴极性镀层金属，斜拉索原料高强钢丝或钢绞线，表面一般都使用热浸镀锌工艺进行防护处理。相关文献记载，锌铝合金镀层可以使得构件寿命比普通镀锌构件高24倍。锌铝合金镀层有着阴极保护材料和铝的氧化保护作用，是索体锌镀层的优良替代品。

（2）在拔丝和绞丝后进行发兰处理

发兰处理即在120～130℃范围内对钢丝进行低温热处理，发兰产生的发兰膜可作为索体的临时防护，此方法造价不高，且钢丝一出厂便有了一层防护。

（3）涂防腐油

将平行钢丝封闭在PE管内，后用泵将防腐油打入管内，待油与钢丝充分接触后，再用泵吸出油，使得钢丝表面有一层封闭的防腐蚀油膜，等斜拉索在卷筒上缠绕成型后再在管内通氮气，以便于后续长途运输。

此外，可将松香酚醛树脂防腐油均匀喷涂在钢丝表面。目前， 广泛使用的临时方法是热镀锌工艺，但在斜拉索防护中起重要作用的仍是永久防护。

2.索体的永久防护

斜拉索种类繁多，不同的防护措施对不同索体的保护程度亦有不同，所以对于不同拉索而言，永久保护方法各有不同，常见永久防护办法包括：

（1）全封闭索防护

此法适用于封闭式钢缆。封闭式钢缆由三种不同形状的钢丝箍成，从内到外分别是圆钢丝、梯形钢丝和Z形钢丝。三种钢丝彼此紧扣，内部有填充物。这种构造使得拉索截面孔隙率小且表面光滑，易于涂防护层，具有良好的防腐效果，但制作工艺复杂、造价高。

（2）套管压浆法

套管种类不同使得套管内压浆种类也不同。常见套管有钢套管、铝套管、PE管等。常见压浆种类有水泥浆、树脂、油脂等。综合来看，PE管具有良好的气密性、水密性、抗紫外线性能优良且价格低的特点，是此法中最经济实用的套管。根据常彬彬的调查及总结，在PE防护层完好的情况下，内部钢丝几乎不受腐蚀影响，但PE管老化开裂后，拉索腐蚀严重。因此来说，保证PE防护套耐久性，防范防护套老化开裂是延长钢丝寿命的重点。

（3）直接热挤聚乙烯防护

此法适用于目前国内外广泛使用的扭绞型拉索，是由电缆技术的聚乙烯热挤法演变而来的，号称可防腐三十年，工序简单，质量有保证，防护层均匀，没有薄弱环节和临时防锈问题，经济实用。

（4）定期更换索身

德国一些权威认为定期更换拉索，采用简单防护是一种有效的防护途径。马来西亚常年处于高温潮湿天气影响下，斜拉桥多采用特别的耐腐蚀涂料，并定期更换。现有大多数斜拉桥设计的要点是方便换索，但防护工作也不容有失。

（二）锚头区防腐

防水是锚头区拉索防腐蚀的重点，有效防水可以减少锈蚀现象。常见的锚头区渗水原因包括止水圈不完全封闭、索体周围桥面板破裂、索体开裂等。

（三）斜拉索微环境腐蚀控制

1.对斜拉索内部微环境进行除湿处理

由于桥梁的连通作用，斜拉索常年暴露在江河、海洋附近。在复杂多变的环境下，斜拉索会受温度、紫外线以及复杂应力的共同作用。影响拉索腐蚀的环境因素有水汽、温度、微量电解质、氧气等。温度变化时，拉索内部水汽含量随之变化，钢丝以及热镀锌的腐蚀速度会随之改变。温度、电解质均是客观存在的，无法控制，只有拉索内部水汽和氧气含量可以实现人为改变。

（1）干燥空气除湿法

干燥空气除湿法即在机械帮助下，利用气压差，用干燥空气将拉索内部湿空气排出，并保持一定量的干燥空气在拉索内部流通，从而将拉索内部空气湿度降低至66%以下。日本明石海峡大桥的主缆是斜拉索采用干燥空气除湿法的初尝试，常彬彬通过观察不同季节明石海峡大桥桥边跨传感器的湿度数据，指出干燥空气法可以将湿度控制在目标值以下，并去除主缆内部的大部分盐类物质。虽然干燥空气法历时较久，但能根治腐蚀现象，是较理想的防腐蚀方法。

（2）除湿材料干燥法

除湿材料除湿法因其利用材料本身吸附性除湿，对环境友好，方便快捷，在食品工业和天然气管道除湿中被普遍使用。

第一，固体干燥剂。常见的干燥剂包括氯化锂、分子筛、氧化铝、硅胶等。其中，氯化锂是腐蚀性物质，但吸水时会产生热量，影响制冷；分子筛具有有限的亲水能力；氧化铝除湿性能是硅胶的1/2；硅胶具有良好的吸湿性能，经济实用，但吸水量过大后容易破裂，再生成本很高，故使用受限。

第二，液体除湿材料。从环境友好、节约能源的角度看，液体除湿系统是一种很新颖的除湿方式。低焓能源可以作为再生能源，例如，太阳能、地下热和工业余热等，可以直接吸收水蒸气，节约能源，保护环境。

第三，复合干燥剂。虽然氯化钙、氯化锂等盐类除湿性能好，但容易潮解，而空隙多的硅胶、活性炭等物质除湿能力有限，多孔材料—卤素盐复合干燥剂的概念由此诞生，不仅除湿能力强，还具有易再生等特点。

第四，智能湿度控制材料。此材料可以脱离所有人工动力和机械装备的帮助，自动感应环境的湿度变化，凭借自身吸收和释放水蒸气能力，自主调节密闭环境内的湿度。

（3）利用通电加热除湿法

通电加热除湿法即将物体当作电路中的一部分，利用电路通电时物体内部电流产生的热达到除湿的目的。高电阻导电材料产生的热量不容小觑，斜拉索的原料高强钢丝就是其中一种，可以利用感应器监测拉索内部湿度，周期性地通过通电加热，控制拉索内部湿度，进而提高斜拉索防腐性能。在日常生活中，从未见过高压电缆发生锈蚀情况，由此可见，通电加热法效果显著。

2.将斜拉索钢丝内部微环境进行填充处理

斜拉索腐蚀的前提是钢丝间空隙，故而消除间隙成为消除腐蚀环境的前提。将防锈油脂均匀涂抹在钢丝表面可以起到填充作用，但当外界温度过高时，热度通过热导体钢丝传到防锈脂，油脂在高温下熔化而转化为液态，影响了拉索周围环境的稳定性。由此可见，探索具有高熔点，高防腐性能的优良填充物对拉索防腐蚀具有重要意义。

（1）在拉索内部填充微晶石蜡

微晶石蜡具有硬度小，柔韧性能好，受力时表现为塑性流动等多种特质，具有良好的填充作用。弗列西奈式斜拉桥是采用此种方法的典型，即将单根镀锌钢绞线打蜡，再将PE护套形成具有三层保护的单根钢绞线，接着将多根钢绞线与锚具和HDPE套管组合形成拉索，最后将石蜡或水泥浆倒入管道的空隙中。

（2）在拉索内部填充油性蜡

鉴于微晶石蜡在生态适应方面仍存在一些问题，有人提出在拉索内部填充油性蜡。将微晶蜡作为辅助稠化剂再经过一系列工艺即可制得油性蜡。除了抗老化能力强，填充油性蜡还具有良好的抗氧化性、防锈蚀、防腐蚀、耐水耐高温性能。在钢丝放丝阶段填充油性蜡，可以最大限度地缩小钢丝内部空隙。

三、拉索防腐蚀技术发展趋势

（一）环氧涂层材料

环氧涂层材料是一种环境友好、节能且经济实用的防腐复合材料，经过多年发展，逐渐被工业、矿业、电业等行业接受。天津市京山桥索体采用的便是环氧涂层钢绞线。陈志强、王志永等制成直径7.0mm 1860MPa级高强度环氧涂层钢丝，并通过试验得出生产钢丝抗拉强度不小于1860MPa，扭转不小于10次，轴向疲劳试验施加410MPa 周期荷载200万次不断裂，产品力学性能符合国家标准。由此可见，高强度环氧涂层钢丝具有良好的应用前景。

（二）聚脲

聚脲是一种在高温高压下由异氰酸酯和氨基化合物喷涂制成的弹性体物质，具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐老化性、防水性、抗冲击性以及快速固化等特点，适用于快速施工作业。聚脲涂层具有致密、连续性好、空气绝缘性好等特点，可以提高构件的防腐蚀能力，延长构件的使用寿命。彭春阳、李启富、植磊等基于统计资料及实验推测，把使用寿命为15～25年的挤塑型HDPE防护层换成聚脲，拉索护套使用寿命可提升2倍。众所周知，防护套的老化是斜拉索腐蚀的主要原因，将聚脲应用在斜拉桥主缆防腐工程中，有利于提高拉索防腐蚀性能，从而延长斜拉桥寿命，具有良好的应用前景。

（三）纳米复合涂料

水性涂料由于环境友好、施工简单快捷等特点在汽车领域、铁路行业、集装箱和重防腐等方面得到了广泛应用。水性涂料以水为载体，VOC释放低，对环境友好，然而，要想代替其他传统涂料，在力学、电学、防腐等方面性能仍有待提高。纳米材料中的CNT与有机物的相容性极好，具有优良的导电性、导热性、力学性能，且环境友好，是极佳的防腐填料。将纳米材料添加到水性材料中，可以在负荷较低的情况下，提高水性涂料的机械和防腐性能，从而推动水性涂料性能的高强发展。张金戈通过制备研究CNT/EPA70、CNT/EPA30、CNT/PANI三种纳米复合材料的防腐性能及原理，展现了纳米复合材料的应用前景。

四、结语

斜拉索是斜拉桥的“生命索”，本文根据现有斜拉桥案例探讨了斜拉索腐蚀机理及常见腐蚀类型，从斜拉索腐蚀机理入手，探讨了斜拉索防腐蚀技术，对于不同的斜拉索，对症防腐蚀是重中之重，希望未来斜拉索防腐技术有所发展。

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作者简介：许心茹（2002），女，河南省焦作市人，本科，主要研究方向为斜拉桥拉索防腐蚀。