悬索桥主缆防腐涂装的研究现状及进展

    摘要:主缆是悬索桥最重要的受力构件之一，且是不可更换构件，被称为悬索桥的“生命线”;主缆长期暴露在大气环境中，经受着各种不利环境的侵蚀，导致主缆钢丝易产生锈蚀。为了解决悬索桥主缆的腐蚀问题，对主缆的防腐涂装体系进行了探讨，简述了悬索桥主缆腐蚀防护机理，以及国内外悬索桥主缆防腐涂装体系的研究现状及进展，分析了悬索桥主缆防腐涂装体系存在的问题。传统的主缆防护方法只能减缓主缆腐蚀，而主缆除湿防腐系统能较好地阻止主缆腐蚀。悬索桥主缆防腐应采用防腐涂装体系和主缆除湿系统相结合的方式。

    关键词:悬索桥;主缆;腐蚀;防腐涂装;除湿系统

    中图分类号:TQ635.2文献标识码:A文章编号:0253－4312(2011)05－0060－04

    悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥梁结构形式，设计寿命一般为100年，主要由主塔、锚碇、鞍座、主缆、吊索、桥面承载梁体及附件构成。主缆是通过塔顶鞍座悬挂在主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件，主缆本身又通过索夹和吊索承受活载和加劲梁(包括桥面)的恒载，除此之外，它分

    担一部分横向荷载并将它直接传递到塔顶［1］，主缆是悬索桥最重要的受力构件之一，且是不可更换的，因此，被称为悬索桥的“生命线”。主缆长期暴露在大气环境中，经受着各种不利环境的侵蚀，导致主缆钢丝易产生锈蚀［2］。主缆钢丝腐蚀会严重危及到悬索桥的安全性，因腐蚀会减少有效的索股面积和强度。美国纽约市运输局在最近出版的一份关于悬索桥缆索状况的报告中得出结论:“由于腐蚀，纽约市区的几乎所有大型悬索桥都存在强度损失的问题，主缆强度损失的范围从微乎其微到约35%(Williamsburg桥)”［3］。因此，主缆的寿命直接影响甚至决定着悬索桥的使用年限，如何保证主缆的耐久性至关重要，因此其防腐涂装倍受关注。

    1悬索桥主缆腐蚀防护机理

    悬索桥主缆防腐涂装体系普遍采用的技术是:钢丝出厂前进行镀锌处理，主缆成形后通过“防腐腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的方式来进行防腐(如图1所示)，这种主缆防护体系实际上是通过对主缆外层进行密封包裹来防止水分侵入其内部以达到防腐蚀目的。目前国内外主缆防腐主要采用3种方法:一是圆钢丝缠绕涂层法(19世纪40年代早期由JohnReobling开发);二是合成护套防护法(20世纪60年代早期由Bethlehem钢铁公司和DuPont化学公司开发);三是S形缠绕钢丝代替圆形钢丝。

 

 

    2国内外悬索桥主缆的涂装体系

    2.1国外悬索桥主缆的涂装体系

    美国是现代悬索桥技术的起源地，建有100多座悬索桥，自1883年美国建成布鲁克林大桥(主跨486m)至今，悬索桥的建造已经有100多年的历史。世界各国专家围绕“防腐腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的主缆防护结构进行了大量研究，开发出多种防护材料，主缆防腐涂装体系得到了快速的发展，并形成了多种多样的主缆防腐体系，如表1所示［4－6］。

 

 

    美国的悬索桥大部分是老桥，主要采用“腻子+缠丝+涂装”的防护体系。20世纪60年代早期Bethlehem钢铁公司和DuPont化学公司开发了合成护套防护法，因其施工难度大而未能得到推广。针对圆钢丝缠绕的密封间隙和传统防护体系不能完全防护腐蚀等问题，经过大量的检查、观测和试验研究，日本在20世纪90年代开发了主缆S形缠绕钢丝代替圆形钢丝，并对悬索桥主缆内送干燥空气除湿系统进行了研究。随着技术的不断进步，涂料体系的性能越来越优异，如缠丝前的防腐腻子，欧美国家早期采用铅丹油膏，后来采用锌腻子等;日本在20世纪60年代发展了铬酸锌腻子，在80年代发展了以铅酸钙高分子有机铅、铅酸钙类密封膏、磷酸铝密封膏为主的不干性高分子材料，20世纪90年代，发展了防腐性能优异的含锌、干性油和体质颜料的腻子，进而又发展了磷酸铝型密封膏。在此期间，主缆缠绕钢丝后的外防护涂料涂装也得到了不断的更新换代。目前主缆的涂料涂装一般采用环氧树脂涂料做底涂层和中间涂层、聚氨酯涂料做面涂层，也有直接采用橡胶包覆带缠绕而不用涂料的方法［4］。[page]

    2.2国内悬索桥主缆的涂装体系

    20世纪90年代以来，我国的悬索桥建设取得了突飞猛进的发展，先后建成了汕头海湾大桥、西陵长江大桥、虎门大桥、江阴长江大桥、厦门海沧大桥、宜昌长江大桥和润扬长江大桥等10余座大跨径悬索桥。国内悬索桥主缆腐蚀防护基本上采用“防腐腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的方法，不同之处在于腻子材料不同和外层涂料系统组成的差异。国内悬索桥主缆涂装体系主要采用5种防腐涂装体系:①江阴长江大桥主缆涂装体系采用的是欧美技术，缠丝前采用的油性锌粉密封膏对主缆钢丝有阴极保护作用，但缺点是其密度达7000～8000kg/m3，对主缆的增质量较大，而且粘接性也较差。另外，在经过缠丝后采用重防腐涂料进行外层防护，在理论上是可行的，但是圆形钢丝缠丝不可避免会出现不均匀缝隙，因此涂料不能达到完全有效防护。香港青马大桥也出现过类似问题，即主缆表面局部有涂膜开裂脱皮的现象，从而导致主缆个别部位进水，维修保养任务较重;②虎门大桥主缆防腐方案在世界上是比较独特的，在缠丝前后均采用了一种美国进口的聚氨酯腻子，防护总厚度达到5cm，形成了一个整体的橡胶防护层，具有较高的防护等级;③润扬大桥主缆涂装体系与日本的来岛大桥相同，同时采用了S型钢丝缠丝加装送干燥空气除湿系统，可有效地除去主缆空隙中的水分，维持主缆内部空气相对湿度在40%以下，从而达到防腐的目的;④北京航空材料研究院(BIAM)从1995年汕头海湾大桥开始，利用其独有的航空密封材料技术，开发了一套系统全面的主缆防护涂装体系，主要结构为“不干性密封膏+缠丝+聚硫橡胶包覆层+881系统重防腐涂装材料”，索夹等结构缝隙采用聚硫橡胶密封剂做防水密封。该体系在近10年的时间内已成功应用于国内新建造的20余座悬索桥，从材料和工艺来看，技术较成熟，能够满足主缆防护技术的要求;⑤丰都长江大桥采用涂刷沥青涂料+包裹玻璃丝布、隔热材料+包裹钢丝网水泥外防护层的主缆防护体系;桂林丽君桥主缆采用PE护套防护。国内悬索桥主缆的涂装体系见表2［5］。

 

 

    3主缆防腐涂装体系存在的问题

    国内悬索桥主缆腐蚀防护最常采用的是圆钢丝缠绕涂层防护法，但是涂层的干裂以及圆钢丝缠绕层的裂缝使得主缆的防腐效果达不到预期的目标，甚至导致主缆钢丝发生严重的腐蚀。要使圆钢丝缠绕涂层防护法成为一种行之有效的主缆防护方法，必须解决圆钢丝的间隙问题以及外防护涂层的固化问题。

    悬索桥主缆钢丝的腐蚀是由于施工中或竣工后渗入的水分引起的，水分在主缆内因外界气温上升而汽化、因外界气温下降而在主缆表面大范围凝结，这种易生锈状态反复进行便会导致主缆的腐蚀［7］。防护腻子容易出现开裂和氧化等现象，嵌缝材料直接暴露于大气中易产生老化开裂现象，外表面涂装材料在空气中也容易出现老化开裂，空气中的水分容易通过这些开裂位置及钢丝缠绕层的裂缝侵入主缆内，导致主缆钢丝腐蚀，而传统的腐蚀防护技术无法解决这个问题［8－10］。

    4悬索桥主缆除湿防腐系统

    传统的防腐方法无法从本质上阻止腐蚀的发生，只是减缓了腐蚀的速度;要阻止主缆钢丝腐蚀的发生，只有将主缆内的水分排出，才能确保主缆内的空气环境不会引起钢丝腐蚀。主缆除湿系统通过向主缆内输送干燥空气将主缆的水分排出，其原理是降低主缆内部的相对湿度，使主缆处于一个相对封闭、干燥的环境中，避免主缆内的钢丝锈蚀［11－14］。我国润扬长江公路大桥的主缆是由直径5.3mm的镀锌钢丝组合而成的，其间有20%左右的空隙，主缆外表设有密闭护套层［15］。主缆除湿系统通过送气管和送气罩将干空气注入主缆钢丝空隙，干空气在主缆空隙内流动，降低主缆空隙内的空气湿度，最后干空气变成湿空气从排气罩排出。主缆护套层将干燥的主缆内部环境与外界大气隔离，保持主缆内干燥状态。主缆除湿系统工作流程为:粗过滤空气→精过滤处理→除湿机除湿→高压风机送风→冷却→送气管输气→送气罩送气→主缆内除湿→排气罩排气。主缆除湿系统工作流程见图2。

 

 

    5结语

    悬索桥主缆腐蚀是个世界性的难题，国内外主缆防腐涂装体系主要采用“防腐腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的防护结构，由于防护腻子、嵌缝材料和外涂装材料容易出现老化开裂，致使后期的维护费用非常昂贵。美国和日本对多座悬索桥主缆进行检查，主缆均发生了严重腐蚀，说明主缆防腐涂装体系防腐效果不太理想，其原因是主缆防腐涂装体系无法除去主缆内部的水分。

    主缆防腐涂装体系虽然短期内有效，但是没有彻底解决防腐问题。日本从20世纪90年代开始进行主缆除湿防腐系统的研究，并在明石海峡大桥、来岛海峡大桥上安装了主缆除湿防腐系统，实践证明主缆除湿防腐系统能阻止主缆钢丝腐蚀。主缆除湿防腐系统是悬索桥主缆钢丝防腐新技术，我国是世界缆索桥梁发展最快的国家，目前国内主缆除湿防腐技术还只能靠全套引进设备和技术，因此有必要进行相关的研究。要阻止悬索桥主缆发生腐蚀现象，应采用主缆防腐涂装体系和主缆除湿防腐系统相结合的方法。

    彭关中，缪小平，范良凯，贾代勇，隋鲁彦，何明来

    (解放军理工大学工程兵工程学院，南京210007)[page]