锌铝合金镀层环氧涂层钢丝在悬索桥中的应用分析

摘要：本文对大岳高速洞庭湖大桥主缆索股及锌铝合金镀层环氧涂层钢丝的应用过程进行了分析，采用了锌铝合金镀层环氧涂层钢丝的力学性能检测、盐雾试验、镀层试验以及索股的锚固试验、抗滑移试验的研究方法，最终结果表明锌铝合金镀层环氧涂层钢丝耐盐雾腐蚀性能、抗腐蚀性能优于常规钢丝。

关键词：锌铝合金镀层环氧涂层钢丝；悬索桥；应用

中图分类号：TB"""""""文献标识码：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.04.083

1"锌铝合金镀层+环氧涂层钢丝概述

1.1"锌铝合金镀层钢丝

锌铝合金镀层保护的目的是钢基不受腐蚀，是金属保护镀层的一种，镀层的好坏抗腐蚀性能高低是衡量的标准。目前我国的洞庭湖大桥、虎门二桥、杨泗港大桥等已率先使用锌铝合金钢丝，Zn-5%Al合金镀层替代热镀锌层已成为国际上的趋势，由此出现的钢丝标准、钢绞线标准在欧美等先进国家快速发展推广起来。

Zn-5%Al合金镀层是Zn-Al合金的共晶体，具有比较低的熔点。Zn-5%Al合金熔点为382℃，Zn的熔点为419.5℃。该镀层生成锌铝金属化合物兼具有Zn、Al双方抗腐蚀优点，其金属化合物在显微镜的观察下为富铝、富锌片层，并呈无规则排列的取向群体结构，从而起到了阻挡大气的物理坚固屏障和低电极电位的电化学保护，使其具有双重保护作用[1]。

首先，锌铝合金镀层钢丝具有优良的抗腐蚀性能，可防止它单独影响到悬索桥的使用稳定性和耐久度。其次，它具有良好的韧性，可防止悬索桥钢丝在紧张过程中发生断裂的现象，从而提高悬索桥的使用安全性。此外，锌铝合金镀层钢丝上覆盖的锌铝可以提供一定的保护隔离作用，防止钢丝的生锈现象的发生。最后，由于锌铝合金镀层钢丝的质量较重，可以提高悬索桥的质量和稳定性，根据不同的悬索桥结构参数，一些重要钢丝部件可以使用锌铝合金镀层钢丝减少其自身质量，从而提高悬索桥的可靠性和安全性。

1.2"环氧涂层钢丝

随着近些年有机涂料作用钢基材料防腐技术的快速发展，环氧涂层钢丝有着各种优势：（1）耐腐蚀：钢丝的环氧涂层具有良好的耐腐蚀性，能够防止由于外界腐蚀因素对钢结构的破坏，进而延长钢丝寿命。（2）延长使用寿命：环氧涂层的施工厚度可以增加数倍，增加钢丝的预应力，从而减少钢丝因自然而变形而造成的损坏，提高钢丝的使用寿命。（3）降低维护成本：环氧涂层采用后裂缝和耐痕效果，使得钢丝不易老化变形，从而大大降低维护成本。（4）提高钢丝的刚性：环氧涂层有一定的填料，可以改善钢丝的刚性，改善悬索桥钢结构的强度和稳定性。但缺点是其工艺的特殊性，若钢基材料表面清理不到位，其附着力便得不到保证，从而导致环氧涂层剥离，使得基材裸露。

1.3"锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝

首先，钢丝绳悬索桥跨度较大，预加载作用较强，施工和维护难度较大，故采用镀锌铝合金加环氧涂层钢丝而不是普通钢丝可以极大地改善悬索桥的抗腐蚀性。其次，由于镀锌铝合金具有良好的耐腐蚀性和良好的弯曲性能，使其悬索桥更加耐用，可以延长使用寿命。另外，环氧涂层的钢丝具有良好的防腐蚀性能和耐磨性能，可以很好地保护悬索桥的整体结构。

2"锌铝合金镀层环氧涂层钢丝制造和试验

2.1"锌铝合金镀层环氧涂层钢丝技术

金属镀层钢丝起步较早在许多领域，如电力、冶金、化工、机械、社会及家庭方面被广泛使用。以其加工质量高、价格低、应用领域广等特点，在工程材料、汽车行业及普通用途中均有广泛应用。

非金属涂层钢丝属于跨学科研究领域，起步晚、难点多，尤其在防腐涂层材料、涂覆方法以及涂层与金属基体的结合力等关键技术方面，还存在诸多问题，因此非金属涂层钢丝的研究和应用落后于金属镀层钢丝。但随着化学工业的进步，一些具有优良防腐性能的有机非金属材料，如高密度聚乙烯、防腐涂料以及环氧树脂等，有机非金属材料主要应用于医药、食品、农业、化工、环保、电子电气、能源、航空航天、汽车、建筑等行业。

环氧树脂是一种化学稳定性好的高分子材料，具有优异的耐候性、防腐性和耐水解性。环氧树脂有利于形成致密的耐腐蚀膜，以改善腐蚀环境的原因。在涂料的结构中，环氧树脂具有高亮度、高硬度、抗冲击强度和耐高温等特性，可增强涂覆层的附着力，使防腐层具有更强的耐腐蚀能力和耐久性，具有其他非金属防腐材料更优异的性能。试验研究表明，针孔数量越少，环氧涂层越厚，但涂层不宜过厚，过厚涂层又会伴随着一些新的问题出现，最后得出最经济合理厚度的为0.20～0.22"mm。

将这两种防腐原理进行结合，先在钢丝表面覆盖一层金属，热镀锌铝合金，然后再进行环氧树脂的静电喷涂，使防腐效果最优化，组成物理防腐加电化学抗腐蚀的有效结合。

锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝主要制造工艺流程：盘条进场检测→表面准备→拉丝→热镀锌→热镀锌铝→稳定化处理→静电喷涂→在线检测→收盘。

2.2"锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝性能检测

因为国内现在并无锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝相关的技术性能规范，但金属镀层（锌铝合金镀层）得满足GB/T"204922006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》和GBT"171012008《桥梁缆索热镀锌钢丝》的技术标准要求；而其中的有机涂层（环氧涂层）须达到GB/T"258352010《缆索用环氧涂层钢丝》技术标准的要求。常规性能检测主要是检验镀涂层与钢丝的附着性和镀涂层抗损伤能力。洞庭湖大桥复合镀涂层钢丝首先由钢丝厂加工制作成锌铝合金镀层钢丝，然后锌铝钢丝进行环氧树脂静电喷涂，最后编索成功。对完成后的复合镀涂层钢丝进行性能检测，结果如表1。

根据表1与前期试验数据分析，锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝强度、韧性指标良好，扭转指标略有提升，复合镀涂层附着性能满足要求。

2.3"盐雾试验

盐雾试验是用来测量和评价涂层耐腐蚀性能的常用方法之一。将锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝与镀锌钢丝同时放在盐雾箱中进行盐雾对比试验，结果见表2。由表2看出：

（1）镀锌钢丝在96小时后表面便开始有白锈出现，而锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝在2352小时后表面才有颜色暗淡的变化；

（2）镀锌钢丝和锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝分别在336小时和2760小时后失去表面光泽；

（3）锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝在4908小时后表面出现微量黄斑；镀锌钢丝和锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝分别经过720小时和6144小时表面出现少量黄斑；

（4）镀锌钢丝在1608小时后出现锈蚀点，2760小时后表面90%被红锈占据，而锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝在经过8832小时后才出现锈点；

结果表明锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝的耐盐雾腐蚀能力远远优于镀锌钢丝。

经检查试验，锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝常规力学性能、涂镀层检测等全部符合标准要求，涂镀层技术指标远远超过准，甚至优于标准。

3"锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝索股制造、试验及架设

3.1"主缆索股制造工艺试验

根据规范JTT395-1999《悬索桥预制主缆丝股技术条件》进行了常规工艺试验研究，并在此基础上进行补充试验。

3.1.1"抗滑移试验

分别对锌铝合金镀层钢丝和锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝进行了索夹与主缆的抗滑移模拟试验，结果如下。

（1）锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝：索夹与主缆的平均抗滑移摩阻系数为μ=0.297，大于规范中的抗滑移系数0.15，满足设计及规范的要求。

（2）锌铝合金镀层钢丝：索夹与主缆的平均抗滑移摩阻系数为μ=0.356，大于规范中的抗滑移系数0.15，满足设计及规范的要求。

3.1.2"静载锚固试验

为验证锌铝合金镀层加环氧涂层钢丝对于索股强度与锚固性能的影响，制作了3根静载试验索，去除试验索锚固段的环氧，避免与锌铜合金结合，将过渡段里灌注密封材料。制作完成后进行静载试验，试验结果见表3。

3.2"索股制造

索股的工艺试验合格后邀请专家对试验成果进行了鉴定确认；并在此基础上编写了经过专家评审修订的制索工艺，作为后续索股制造的正式指导文件。

准备工作就绪后，原材料按项目要求进行验收，制索开始。制作标准丝时，设置橡胶垫板在复合镀涂层钢丝基台上进行保护，两端夹子用塑料胶带配备垫护，行走轮在制作过程中通行顺畅。

标记丝制作时，因环氧涂层烘干温度不得大于100℃对涂色生产进度有一定影响，实际烘干速度约每小时220米。为保证标记丝的使用功能建议使用白色进行区分，现行的标记丝红色与深蓝色环氧涂层不易区分。避免出现油漆脱落现象，标记用油漆需考虑选择与环氧涂层结合力好的类型。

钢丝转运上盘时，为避免环氧涂层破损，应采用卡车短驳，严禁使用叉车。索股成型过程中因钢丝之间滑移系数小成型效果略差于普通钢丝。

成型完成后首先对锚固区钢丝、过渡区钢丝进行表面处理，清除表面环氧涂层，然后开始两端灌锚工序。钢丝排布采用分丝板进行；然后浇铸锌铜合金待温度完全冷却后进入反顶工序，反顶位移量必须满足要求；最后灌入固化剂对灌锚热影响区进行密封。清除环氧涂层部位的尺寸及外观检查。

锌铝合金镀层加环氧涂层索股生产工序过程与常规主缆索股基本一致，由于环氧涂层较薄，在运输、上盘、成型、下料、制锚、储存等工序中，容易破损或磨薄，从而导致针孔数量增加，因此施工、运输、包装等过程中应加以保护和防范[2]。

3.3"索股架设

为确保在索股架设施工过程中钢丝表面环氧涂层不被损坏，需提前做好行走设施的保护措施和放索架防护措施，放索保护措施如图1所示。

放索过程顺利，无扭转、散丝等现象，主索鞍、散索鞍部位成型及入鞍情况都比较好，索股标记点位置基本都处于相对应位置。放索效果如图2所示。

4"结论

应用锌铝合金钢丝的桥梁较多，环氧钢绞线主要应用在斜拉桥和预应力箱梁，此次是首次锌铝合金加环氧钢丝桥梁缆索应用探索。洞庭湖大桥顺利进行了环氧加锌铝合金钢丝和主缆索股的科研试验和钢丝、索股制作，钢丝、索股制作和索股架设结果良好。

（1）环氧加锌铝合金钢丝能够满足现行设计规范的技术指标要求，增加一层环氧涂层能够改善钢丝性能，尤其是扭转指标；复合涂层显著降低了阴极腐蚀电流密度，一定程度降低了阳极腐蚀电流密度，复合涂层极化电阻和总阻抗较基材明显增加。因此，环氧加锌铝合金钢丝抗腐蚀性能远远超过常规钢丝。

（2）索股制作运输过程中要注意环氧涂层的保护；改善钢丝缠绕及夹具，以保证成型尺寸及形状；标记丝的制作会影响整个索股的生产进度，需注意批量生产工序安排。另外灌锚工序必须清除锚固区及过渡区的环氧涂层，并注意过渡区的密封保护。

（3）索股架设过程中同样需注意环氧涂层保护，洞庭湖大桥只采用了一根复合涂镀层索股，因此对索鞍索夹的尺寸影响不大，如果大量采用复合镀涂层索股还需考虑环氧老化造成索夹夹紧力松弛等问题。洞庭湖大桥复合镀涂层主缆索股架设效果很好，没有出现鼔丝、散丝等异常情况。

参考文献

[1]张勇，顾逸平.锌铝合金+环氧涂层钢丝在桥梁主缆的应用[J].金属制品，2017，43"（03）：16.

[2]金平.钢丝环氧涂层厚度与针孔数量关系的试验研究[J].世界桥梁，2010，（03）：5053.