泗阳县交通工程质量监督检查站冯万里
宿迁市苏信交通工程质量检测中心苗苏萍
【关键词】: 斜拉桥 耐久性 新工艺 热镀锌
【摘 要】: 从材料选择及结构设计入手，选用热镀锌和耐腐蚀性优良的环氧涂层分别作为钢丝的防腐保护层，并从材料、制索工艺、使用效果进行对比研究分析，在保证本工程斜拉索耐久性要求的同时，对新型耐久型斜拉索材料进行研究和试应用，为其他同类即将建设的桥梁工程提供示范和借鉴，有利于推进节能型和环境保护型的斜拉索新材料、新工艺的应用
斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，而且不需在桥梁两端设置巨大昂贵的锚墩结构的自锚结构体系，可以充分利用材料，是大跨度桥梁的主要桥型之一。斜拉桥拉索作为桥梁的主要受力构件，其抗腐蚀能力直接关系整个桥梁的安全及使用寿命，因此是广大桥梁工作者在桥梁设计及使用过程中需重点考虑的问题之一。同时桥梁拉索作为斜拉桥的核心构件，其工作状态是桥梁是否处于安全的重要标志之一。由于构造设计、环境腐蚀、疲劳积累等原因，拉索在服役期间难免出现不同程度的损伤，由此而导致的安全事故和经济损失非常惨重。
随着我国经济建设高速发展，交通行业，尤其是桥梁领域，掀起了前所未有的建设高潮。随着世界第一跨——苏通大桥的建成通车，我国的建桥技术无疑跻身于世界先进水平的行列。然而，常见的桥梁缆索金属腐蚀仍然是人们面临的一个十分严重的问题。以斜拉索为例，由于斜拉索布置于梁体外部，并长期处于高应力状态下，其截面尺寸又小，故对腐蚀作用非常敏感，即使发生轻微的腐蚀其强度也会有较大的损失。国内外许多已经建成的斜拉桥在桥梁通车后较短的时间内就出现了拉索的锈蚀，并且桥梁缆索因金属腐蚀而造成构件破坏的价值和影响，远比金属材料本身价值大得多。就拿斜拉桥换索来说，其所造成的代价就远远超过斜拉桥的造价。比如，德国汉堡的Kohlbrand Estuary 桥，由于斜拉索腐蚀严重，在建成后的第三年，就更换了所有的斜拉索，耗资6000万美元，为原造价的四倍。因此桥梁缆索腐蚀问题引起了桥梁界的关注，国内外纷纷对拉索的腐蚀展开了研究工作。为提高桥梁拉索的耐久性，最为直接的技术措施是将钢丝表面预先实施一层不腐蚀或耐腐蚀的涂（镀）层来阻挡或隔离腐蚀介质的侵蚀。
为了解决以上问题，以京杭运河泗阳大桥工程为依托，在传统的斜拉索结构的基础上，从材料选择及结构设计入手，选用热镀锌和耐腐蚀性优良的环氧涂层分别作为钢丝的防腐保护层，并从材料、制索工艺、使用效果进行对比研究分析，在保证本工程斜拉索耐久性要求的同时，对新型耐久型斜拉索材料进行研究和试应用，为其他同类即将建设的桥梁工程提供示范和借鉴，有利于推进节能型和环境保护型的斜拉索新材料、新工艺的应用。钢丝是组成斜拉索的基础构件，其防腐技术直接影响斜拉索索体和使用寿命。本项目将选取目前国内比较成熟的热镀锌涂层和环氧涂层作为泗阳大桥斜拉索的基础保护层，并就以下三个方面展开研究：
（1）泗阳大桥斜拉索用热镀锌钢丝与环氧涂层钢丝的耐蚀性对比研究
钢丝热镀锌是最为常用的大桥缆索用钢丝防腐镀层技术措施。热镀锌钢丝的抗腐蚀机理包括机械保护和电化学保护两种方式：①机械保护，在大气腐蚀条件下锌层表面有ZnO、Zn(OH)2及碱式碳酸锌保护膜，一定程度上可减缓锌的腐蚀，这层保护膜(也称白锈)受到破坏又会形成新的膜层；②电化学保护，当锌层破坏严重，危及到铁基体时，锌对基体产生电化学保护，锌与铁形成微电池时锌作为阳极被溶解，铁作为阴极受到保护。
环氧树脂是分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高分子化合物。环氧涂层钢丝防腐蚀技术是通过涂层对腐蚀性物质的屏蔽，防止其与钢丝表面接触（屏蔽机理），或对钢丝表面发生的腐蚀反应进行干扰破坏（电化学保护机理）来达到防止钢丝发生腐蚀反应的目的。钢丝环氧涂层的防腐机理包括以下两个方面：①屏蔽保护，即环氧涂层阻止腐蚀性物质与钢丝表面接触。②电化学保护，即利用环氧涂层中的活性颜料能够有效地破坏电化学腐蚀反应，对金属进行阴极保护作用，从而达到保护钢丝的目的。
斜拉索是以钢丝为主要构件的桥梁拉索，且斜拉索是斜拉桥主要受力构件，其耐久性直接影响斜拉桥的安全使用寿命，为了提高斜拉索的使用寿命及抗拉强度，将环氧树脂涂层钢丝直接取代目前热镀锌钢丝不失为最有效的措施。本研究在以上理论分析的基础上，通过涂层附着力试验、盐雾试验、耐化学腐蚀试验等手段对泗阳大桥斜拉用镀锌钢丝和环氧涂层钢丝的防腐性能进行试验研究，并根据试验结果对耐蚀性进行对比分析。
（2）泗阳大桥斜拉索用镀锌钢丝拉索与环氧涂层钢丝拉索的制作工艺对比研究
热挤聚乙烯拉索是将多根钢丝扭绞后缠绕缠包带，然后热挤双层高密度聚乙烯，并在两端安装斜拉索锚具。环氧涂层钢丝拉索与镀锌钢丝拉索的主要不同是钢丝表面的防腐层不同。热镀锌也叫热浸镀锌，是将除锈后的钢件浸入500℃左右融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，从而起到防腐的目的。热镀锌工艺流程：成品酸洗-水洗-加助镀液-烘干-挂镀-冷却-后处理-热镀锌完工。环氧涂层是由有机环氧树脂与固化剂、填料、颜料及流量控制剂构成，当环氧粉末受热熔解后，组成成分相互反应形成复杂的交联聚合物。凝固后，涂层在更高的温度下都不会软化。涂层一般采用环氧树脂粉末以静电喷涂方法制作：将待涂钢丝表面进行除锈、打毛等处理后加热到230度左右高温，再将带电的环氧树脂粉末喷射到钢丝表面，由于粉末颗粒带有电荷，便吸附在钢丝表面，并与其熔融结合，经过一定养护固化后便形成一层完整、连续、包裹整个钢丝表面的环氧树脂薄膜保护层。环氧树脂涂层不与酸、碱等反应，具有极高的化学稳定性和延性大、干缩小，与金属表面具有极佳的粘着性的特点，在金属表面形成了阻隔其与水分、氧、氯化物或侵蚀性介质接触的物理屏障。
但热镀锌涂层钢丝和环氧涂层钢丝具有以下区别：1）热镀锌的镀锌层与钢材间是冶金结合，成为钢表面的一部份，而环氧涂层则没有此效果，2）热镀锌层形成一种特别的冶金结构，这种结构能承受在运送及使用时受到机械损伤，与环氧涂层有差异。因此在环氧涂层钢丝拉索的制作过程中需对以下两个方面展开研究：一是环氧涂层钢丝拉索的扭绞技术研究，传统镀锌钢丝的锌层是通过热镀过程形成的，锌层牢固可靠。而环氧涂层为有机高分子材料，涂层相对较软，因此，需要针对此特点对拉索扭绞技术进行研究。另一方面是拉索在进行灌锚工序中，需剥掉两端的护套，然后分丝锚固，并将冷铸填料浇铸到锚具中，形成锚固体。相对于传统钢丝的金属镀层，环氧钢丝的表面为高分子材料-环氧涂层。涂层的不同将直接影响与钢丝表面直接触的斜拉索锚固材料的适用性，如何保证环氧涂层钢丝拉索的锚固技术的工艺可行性和可靠性，这也是本项目需解决的关键问题之一。
（3）热挤聚乙烯环氧钢丝拉索在泗阳大桥上的应用研究
斜拉桥拉索是大跨径桥梁的核心组成部分，由于斜拉索布置于梁体外部，其截面尺寸又小，长期处于应力负荷下，且随着交通流量的不同，会产生大小不一的动荷载，与静态的建筑结构有本质的区别。本项目研究的重点就是通过热挤聚乙烯环氧钢丝拉索在泗阳大桥上的应用情况的跟踪研究，掌握热挤聚乙烯环氧钢丝拉索在架设施工和运营阶段是否会有与镀锌钢丝不一样的异常情况，对其耐久性的理论进行实际工程的对比验证，为其他工程提供借鉴及参考意义。
泗阳大桥用新型环氧涂层钢丝拉索已经通过了江苏省金属制品检测中心的静载性能试验，同时其疲劳性能通过了抗疲劳性能试验，其静载性能和抗疲劳性能均符合GB18365/2001的要求。
对于泗阳大桥,斜拉索采用热挤聚乙烯拉索,其设计技术要求如下: 钢丝采用公称直径为7mm、抗拉强度为1670MPa的钢丝；斜拉索设计寿命为50年，并具有更换性。在大桥运营期间不可维护的锚固部件，应保证设计寿命期间不经维护仍然有效使用，在大桥运营期间可维护的锚固部件，其防腐系统的使用寿命应大于25年；斜拉索热挤双层聚乙烯（PE）护套，内层为黑色PE护套，外层PE防护套的颜色为白色；斜拉索两端配冷铸镦头锚。塔端为张拉端、梁端为固定端，但均采用张拉端锚具。本研究中采取4根环氧钢丝拉索与其它镀锌钢丝拉索进行对比研究，其环氧钢丝和镀锌钢丝的性能对比见表1：
根据表1可知，除了钢丝表面涂层以外，环氧钢丝与镀锌钢丝具有一样机械性能，均满足工程结构技术要求。对于两环氧涂层钢丝拉索的静载性能、动载性能，已经在工厂内通过了相关的试验。其防腐性能也已经通过了盐雾试验和抗化学腐蚀试验的。总体上认为环氧涂层钢丝的性能优于镀锌钢丝拉索。
通过对比发现，环氧钢丝技术指标、防腐性能均优于镀锌钢丝，其成索的动、静载试验结果均符合规范要求，斜拉索用钢丝的性能指标直接关系到拉索的使用寿命。研究表明，热挤聚乙烯环氧钢丝拉索在泗阳大桥上的试制、应用，必将延长其换索周期，降低桥梁的养护成本，为其他同类桥梁提供借鉴。
【参考文献】: 赵霞、李盛、刘礼华等. 缆索内置光纤光栅应变传感器研究，传感器与微系统
表1 环氧涂层钢丝与镀锌钢丝的机械性能
环氧涂层钢丝拉索与镀锌钢丝拉索性能对比
环氧涂层钢丝和镀锌钢丝的盐雾对比试验