:{H罄 Ij# 涂料技术与文摘 Vf)1.38 N0.4 0l 川 ————————————————————————一 COAITINGS TECHNOLOGY&—ABSTRA—CTS I IApr・20 7 i———————————————————————一悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应 用研究 杨振波 ,周军辉 ,冯雍 ,李炜’,刘伟’,房志安 f1.1Il航 慕新材料技术_【:程股份有限公二j,J匕j 100083:2一E京航空材料研究院,北京100095) 摘要:/i"f,q_r悬索桥主缆钢丝的腐蚀闲素、I:t41人J外t流主缆防护涂层体系以及新 缠包带技术,对缠 包带的优缺 _进j 分忻并试验验证采用外』J【】柔 氟碳涂料捉舟 耐蚀、耐候及装饰性。 关键词:息索桥;:}=缆;腐蚀;缠包带;防护涂 中图分类号:TQ639.2 文献标识码:A 文章编号:1672—2418(2017)04一()()()1_08 Research on Main Cableguard Technique and Flexible Fluorocarbon Coatings Applied thereon Yang Zhenbo ,Zhou Junhui!,FengYong’,LiWei ,Liu Wei ,Fang Zhian (f.1JIAM Ncu r M tterials Technology En 】ccI Co.Ltd.,Be@lg 1 00095,China 2.A WC 11eijmg h ̄stitute ofAeronautical Materials lJeiji ̄】 Beiji,lg1 00095,China) Abstract:Tt1is artic1e describes the corl-osion factors,typical prote(:tive coating systems and ( aI)1P la r(t ted1n()1ogy of the main cable of SUspension t)l’idge,meanwhile,analyzes the advantages an(t(tisadvalitages of cableguard technology'.Furlhermo,’e,the flexible fluo ̄‘oearbon coatings have 11t n testiif (t t‘)st1()w an improvement of antieorrosi('n,weatherability all(|decorativeness aS applied 0|1 the ca])]egual’【t. Keywords:suspension bridge;main(:able;cor!’osion;cableguar(1:protective(:oating 0引言 怂索桥造, 优炎、跨艘大,是大跨径和特大跨径 选中,} 的绡 彤J= J 义名吊桥,足通过索塔悬挂并锚 长fI 大桥、主跨l 385 m的江阴大桥、主跨l 377 m的 荐港青马大桥等。 悬索桥的没计寿命一般为lO0 a,而主缆是其t 要受力构件, 于不可更换,被称为悬索桥的“生命 r 的缆索作为f:部结构主要承重构件的桥梁I 线”. 如何对主缆进行防护涂层保护,是确保悬索桥耐 久性的重中之重,也是国内外研究的热点。 11t-抖I : 的大跨度桥梁均采片j悬索桥结构,如美同JJ 悠久的Ifl Il1金¨大桥、世界第一大跨度桥梁——II 小fU¨ 海峡大卡f}(1 990 m)、土耳 博斯普鲁斯海峡大 1悬索桥缆索系统的腐蚀行为 腐蚀因素 恳索桥的大跨度特性,使其广泛应坩丁跨大江、 桥(义 瞅 大桥)、我罔已建成的大跨径悬索桥数艟 丛 , tIl包括主跨达1 650 m的世界第二大 桥——浙汀J!t・li 可堠门跨海大桥、主跨1 490 m的润扬 涂装与应用COA TING AND APPL|CAT/ON 杨振波,等:悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应用研究 图1悬累桥结构造型 峡谷、海洋等地 化置,这些环境通常处 高湿度共 至高盐度的环境下, 加之离通行量汽车所带米的尾 气污染,腐蚀环境l卡}I、I,恶劣,通常比当地的人气腐蚀 ,图3美国旧金山大桥在缆索检修过程中的腐蚀形貌图 l1 ', 环境(卡}!据ISO】2944—2)要提岛 个瞄蚀等级 典腐蚀 素主要有: 悬索桥主缆除了承受桥梁的静念荷城外,还会受 到风乐、震动等交变茼裁,尤其是处于沿海台风领域 的悬索桥,交变应力彤成的腐蚀疲劳 仪是主缆钢丝 需要考虑的凶素.包括采片j的高分j 涂料涂 ,也需 受予以关注 (1)环境『fl的氧气与水:SUZUMURA等I I经研究发 现. _J‘期围外丰缆仪依靠镀锌钢丝进行防腐处理时, =i三缆1人J部除 上部结构,其它部位儿 都处于卡1]对湿 度接近l00%的潮湿环境 {I,充足的氧气、水与金属会 发牛严 的电化学腐蚀。这也是H本近年的主缆防护 技术 },除r对主缆外部施加防护涂层体系外,还 内 部对主缆采』…涂湿系统的缘ill: (2)温度l,I:随着温度的l:丌,分 运动速率加快, (1)电化学腐蚀:主缆钢丝 溶解有Cl、so 、氮氧 化物等腐蚀介质的电化学溶液『11发 的腐蚀,这是造 成钢丝腐蚀最主要的腐蚀机 : (2)懂力腐蚀: 腐蚀电化学溶液一{1,}}I丁主缆钢 丝受到载荷导致的静态拉应力 产生的腐蚀.一般¨1『 ^‘,受到的拉应力越大, 蚀溶液介质浓度越高,破坏 会提高电化学反应的速率,加速腐蚀产物的迁移; (3)C1、SO,、氮氧化物等腐蚀介质:这些腐蚀性介 质会溶解 水rll形成膳蚀溶液,极大的提高钢丝的腐 蚀速率 特别是跨海大桥环境中,Cl会造成钢丝表而的 越严重。通过这点腐蚀机理, 『J ×I『主缆一些受裁荷 大、湿度高、腐蚀介质浓度高部位的橱蚀状况进仃预 判断: 点蚀,点蚀坑形成阳极腐蚀溶解,这种局部腐蚀危害性 卫大于通常的令 腐蚀腐蚀形貌分如 2、l}殳1 3所示 (3)腐蚀疲劳: 蚀疲 指的足材料 交变心力 与腐蚀介质 同作川下产生的脯蚀源于材料表面的点蚀坑以及徽裂纹惦蚀疲劳通常起 上缆钢丝通常把 受力传递刽锚同部位,所以锚碇处容 产尘腐蚀疲劳 破坏I I。 2悬索桥主缆系统的防腐蚀技术 悬索桥主缆的 小单元大多为A径5~5.5 I11nl的 高强钢丝,其1-岂方法为采Hj AS法或PPWS法,先牵 弓I彤成主缆平行钢丝( 形{1)4丝),然后阿』H 形镀锌 钢丝(日本近年川 型镀锌钢丝)将平行钢丝进行缠 图2 1998年建成的瑞典Hogkusten桥在检修中发现的主缆 钢丝腐蚀形貌 绕,其结构图如图4所示。由于主缆表 凸『ul小平,缠 2 涂装与立黾COATING ANDAPPLICAT/ON 杨振波。等:悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应用研究 丝与平行钢丝之间义存在着不规则的缝隙结构,这些 结构表 极易吸收聚集水分.所以必须对主缆整个结 因此材料的用量增大,也相应增加了主缆的载重; (3)最著名案例为:美国『H金山大桥主缆检修中, 打开密封层后,发现平行镀锌钢丝发生了腐蚀断裂的 现象。 构进行涂装密封防护处理。 欧洲及美同的悬索桥如美国旧金山金门大桥,美 同乔治・华盛顿桥.土耳其博斯普鲁斯一、二桥,丹麦 大贝尔特东桥等,在主缆缠绕钢丝前,先采用铅丹油 日本早期防护体系.如 岛大桥、北备赞濑户大 桥等先采用磷酸盐不十性密封膏、吸水性高分子材料 (丙烯酸类)进行圆形钢丝缠丝密封,然后用环氧底 漆、聚氨酯面漆等进行涂装保护,其不足同欧美体系 类似。在这些桥梁后续检修中,也发现了主缆的腐蚀 问题。 膏、锌粉膏、聚氨酯密封胶等进行密封:然后再进行缠 绕圆形钢丝;最后冉用醇酸、环氧、丙烯酸酯聚氨酯等 涂料进行涂装保护。 但其有着以下几点不足: (1)欧美常用体系中缠丝前后用的聚氨酯密封胶 的使用寿命一般不超过40 a,有可能在40 a后需要打 近年日本主推的体系为“S形钢丝缠丝+干燥空气 送气除湿系统+柔性涂料涂层”的主缆防护方案,包括 开缠丝进行大修,相应增加了维修难度: (2)欧美常用体系中缠丝前用的锌粉膏比重大, 日本的来岛海峡大桥等采用了该技术。该技术引进到 国内后,润扬大桥、南京四桥等也采用了该体系进行 AS刑钢丝实际结构 b防护结构 图4日本S型钢丝+除湿+柔性涂层主缆防护结构图 防护 该技术的优点是:日本S形钢丝缠绕的互锁防止 了主缆防护涂料的开裂,缠绕后钢丝相互咬合,有效 防止了雨水及其他水分的渗入;干燥空气送风系统保 证了主缆内部的干燥状态,从而有效的防止了主缆内 部的锈蚀 但也存在着一些缺点:从日本来岛海峡大桥和润 扬大桥的涂装体系可以看 ,日本最新体系的外表面 涂装保护等级不够,总涂装厚度195 m低于 ISOl2944设汁;而且总体造价昂贵;国产化应用后,由 于国内S形钢丝质量、国内施TT艺不足以及索夹等 一目前国内主流防护技术为北京航空材料研究院 与中航百慕新材公司研发的防护技术.陔技术主要结 构为“不干性密封膏+缠丝+聚硫橡胶包覆层+聚氨酯 或氟碳防护涂层体系”.索夹等结构缝隙采用聚硫橡 胶密封剂做防水密封。 该技术曾获得过中国优秀发明奖。成功应用于我 国近年来建造的近50座大型悬索桥梁主缆防护。从 材料和工艺来看.技术成熟,完全满足了主缆防护技 术要求。并列入国家交通行业标准JT/T 694—2oo7((悬 些细部构造的密封问题造成国内一些桥梁的防护 索桥主缆系统防腐涂装技术条件》。 特别是2015年,在重庆鹅公岩大桥建成15 a后, 效果没有达到I-I本的水平。 涂装s应用COATING AND APPLICATION 3 杨振波,等:悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应用研究 图5我国的悬索桥主缆防护涂层体系结构图 由设计方、业主组织对该桥主缆进行开仓检修,并按 照国外主缆开缆经验,选取大桥主缆中跨最低点的节 以I二,防护带缠绕操作时的重叠宽度为带宽的50%或 30%,叠和部位采用热熔结合。丁厂所生产的成品防护 带还未完全硫化,经缠包安装后,加热硫化作用会使 段,也就是主缆中跨底部全桥主缆腐蚀最严重、最容 易积水的部位进行丁f:仓检查。 检查结果如下:主缆内部无积水:主缆内部未发 现断丝;聚硫密封剂表)【9ll密致、均匀,对主缆包裹完 重叠的防护带熔合在一起。为达到最佳的熔合效果, 采用特制的加热套管及温控器对防护带进行加热、加 压处理.热熔后结合处的强度大于防护带材料的强 度,保汪防护带叠合部位不松脱、无空隙,有效地防止 好,与钢丝、涂层、外包玻璃钢纤维(FRP)粘结性能优 异;舴硫化型密封外观呈黄色,质地柔软;全缆有一根 钢丝上发现有局部生锈现象:在第2分区钢丝局部表 面发现有少量泛白,怀疑是锌氧化物:开缆部位的防 潮气的侵人。 该技术在丹麦小贝尔特悬索桥等国外一些桥梁 维修一T 程中使用。此外由于国内主缆防护领域近十年 未有新型防护技术的m现,所以国内的一些新建桥梁 护情况总体良好。 上述检查结果证明该防护体系的防护质量非常 良好。但陔技术也存在着施T周期长、施工方法特别 是密封胶仍采用人f 刮涂法,施] 效率低、自动化程 度不足等缺陷。 如云南龙江特大桥,也应用了该技术并加以推广.是 目前国内悬索桥建设领域的关注热点。 该技术具有以下优点: (1)施T快捷。缠包带的自动斜绕装置可对缠绕 角度进行精确调整以达到理想的重叠包覆效果.一般 3新型主缆缠包带防护系统 近年国内外许多悬索桥都进人了维修期,由于传 统的涂装方式高空作业施工难度大.美国D.S.Brown 不需要对主缆钢丝或吊索钢丝表面进行表面准备或 处理,也不需要使用溶剂: (2)屏蔽性能良好。缠包带安装后对其加热以热 熔叠层部位,缠包带可收缩紧贴在钢丝表面。热熔后 公司开发了一种缠包带系统,主要材料为氯磺化聚乙 烯聚合物.主要由三层结构构成,两侧为聚合物.中间 是聚酯纤维加固网。该系统可以通过其专用的自动斜 收缩形成一层隔绝层.阻止腐蚀性介质的渗透: (3)维修便利。缠包带热熔与收缩后紧贴钢丝表 面但不粘在钢丝表面,未来进行维修时。检查与维护 方便: (4)缠包橡胶带颜色可调整。 绕装置将橡胶带缠绕于旧有涂装的悬索桥主缆钢索甚 至斜拉桥拉索表面。通过对其加热来热熔叠层部分,并 使防腐橡胶带收缩紧贴在钢索的表面.形成一层不可 渗透的屏障,阻止外界腐蚀性介质对钢索的浸入。 缠绕后的防腐带叠合为双层,总厚度可达到2.2 nlm 4缠包带表面外覆柔性氟碳涂料研究 4 涂装与直胃COATINGANDAPPLICAT/ON 杨振波.等:悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应用研究 a缠绕过程 b加热过程及最终外观 图6主缆缠包带防护技术 可以大幅度提高缠包带的装饰性,这样缠包带不需要 调色.只需采用色漆即可,降低缠包带的造价,还可以 缠包带技术在 外主要应用于维修T程.其有着 施~r快捷的技术优势..但其仍然存在着一些不足: (1)对I 艺的要求性较高。虽然国内有一些厂家 研制…了缠包带,但在施一 过程t}l’使厢的缠绕没备 与加热设备必须从围外采购:并且[艺控制环节一旦 l叶I现问题,其搭接部位容易}fJ现褶皱或热熔部位剥离 等问题: 对缠包带的缝隙部位进行密封。防止缠包带搭接部位 可能熔融不良产生的缝隙。 在下列试验中.采用了Brown公司Cableguard缠 包带.柔性氟碳涂料(涂覆在缠包带表面).国内其他 厂家研制的缠包带,中航新材正研制的缠包带。 (1)光老化试验(GB/T l4522--2008) 对4种材料的光老化试验条件见表1。图7、图8 (2)耐光老化性与装饰性弱。氯磺化聚乙烯聚合 物本身的分子结构决定了其抗变色、失光、粉化的能 力弱于目前主缆表面的聚氨酯、氟碳面漆: 分别为保光率变化、色差变化的试验结果。 表1 UVB老化试验条件 灯管型号 UV光强 UVB一313 0.71 W/m (3)材料成本高。Brown公司Cableguard缠包带在 国内市场仍居垄断地位,国内产品距其还有一段距 离,详 下文实验数据: (4)调色种类有限。虽然Cableguard缠包带能调 色,但其必须在 厂进行橡胶带的预制.橡胶调色不 测试条件 60℃光照4 h 50℃冷凝4 h 从上述试验结果可以总结出:柔性氟碳涂料的耐 候性高于Brown公司Cableguard缠包带.更远优于国 内厂家研制生产的缠包带。单一缠包带技术用于国内 外大桥实际丁程.主缆会过旱地变色与失光,在装饰 如涂料调整那么便利,调色种类有限,调色成本高,调 色后橡胶带利用受限: (5)外观整体装饰性一般。如图6所示,施T完的 结构有明显的缝隙及突起,整体感不如传统的涂料涂 层的浑然一体性. .性上不如国内现有的主缆涂料涂层体系。 (2)耐溶剂(丁酮)溶胀试验 单滴法和浸泡法MEK溶胀试验如图9、图10所 示,浸泡法MEK增重试验结果见表2。 从单滴MEK溶涨试验滴痕大小及增重试验结果 上可以总结:国内厂家研制的缠包带技术同Brown公 柔性氟碳涂料本身具有良好的弹性与断裂伸长 率,优秀的耐光老化能力。若将其涂覆在缠包带表面, 司Cableguard缠包带相比,耐介质等性能上还有一定 差距 涂装s应用COAT/NGANDAPPLICATION 5 杨振波。等:悬索桥主缆缠包带技术分析及其柔性氟碳涂料应用研究 120.oo 100.00 、- 80册 - ・ ・ 褂 米60.O0 40.00 \ 一 f \/{I I—、、____一 j — _.-布朗缠包带 +一柔性氟碳 其他厂家缝包带 一.—在研缠包带 20.o0 0.00 0 S0o 1000 1 000 2 000 25o0 紫外老化时间,h 图7保光率变化图 9 8 7 \▲ ・布朗缠包带 -'I'm柔性氟碳 ~6 5 4 3 2 i / f/ \ f/ \ ◆ J/ \ _一一—一 f/ ——’/\ 0,/ 一 一奇一其他厂家缠包带 .-_一在研缝包带 一 — 0 0 500 1OO0 1 500 2000 2 500 紫外老化时间/h 图8色差变化图 图9单滴MEK溶胀试验 图10浸泡法MEK溶胀试验 表2浸泡法MEK增重试验数据 (3)缠包带拉伸试验(GB/T528--2009.200 mm/min) 实验结果如阿I1、图12所示。 4种材料的拉伸试验数据曲线如图ll所示,其中 包带由于是内衬纤维的橡胶材料,具有非均质性,所 以其拉伸曲线较为复杂,其拉伸过程为,先是聚酯纤 维与外覆橡胶层同时受力,随着长度拉伸纤维先行断 裂:然后才是橡胶层的拉伸过程。 柔性氟碳涂料为不涂覆在缠包带上的单独测试,其拉 伸强度达到l7 MPa。断裂伸长率达到180%以上。缠 根据实际情况,应该是根据聚酯纤维的拉伸强度 6 涂装s应融COATINGANDAPPLICATION 丁纪恒,等:水性环氧涂料的制备及其在带锈涂装领域的应用 :l9—224 Concretemixtures incorporadl1{r synthesized 。sL1I 1]ated )J LI Y F,ZHU J J,GAO X H,et al Preparation and pl’opel‘ties of phosphate——luorocarbon acrylate anticorrosion acetophenone formaldehyde resin Cement&( ol1creceCoInp0sites,superplasticizer…. 20l(}, 32(5):392—397. 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