我国悬索桥主缆系统防护存在的质量问题与对策

我国悬索桥主缆系统防护存在的质量问题与对策
作者文远松
工作单位:贵州省桥梁工程总公司
摘要悬索桥主缆是悬索桥的主要承重结构，是桥梁的生命线。

笔者此次对我国悬索桥主缆系统防腐质量的调查发现，目前在我国对悬索桥主缆系统的防腐防护涂装一直沿用较落后的防腐体系和工艺方法。

这种悬索桥主缆系统的防腐防护体系本身就存在缺陷，满足不了悬索桥主缆系统长效防腐的要求，危及桥梁安全。

完善悬索桥主缆系统防腐体系，使用高性能材料是势在必行。

关键词悬索桥主缆系统防护质量与对策
笔者自2008年2月开始对国内十一座悬索桥的主缆防腐质量做了现场实地考察。

根据现场检查，以上十一座桥梁除广东虎门大桥外，有十座桥主缆系统的主要病害是：缆索表面密封防腐层开裂、龟裂，索夹对接缝密封防腐层开裂，缠丝工序前不干密封膏中的增塑剂向外迁移现象；锚室内部散索股钢丝表面的镀锌层有腐蚀现象。

以上现象将导致主缆系统防腐失效，直接影响桥梁营运安全。

如下图：
图1 主缆系统索夹对接缝开裂及增塑剂迁移图2 主缆系统防腐密封层剥落
图3 主缆系统密封防护层开裂图4主缆系统密封防护层开裂图5主缆系统密封层对接缝开裂及增塑剂迁移图6 主缆系统锚室内索股腐蚀现况
图7主缆系统锚室内索股腐蚀现况
一．造成早期防腐失效的原因分析
根据笔者对汕头海湾大桥、厦门海沧大桥、重庆鹅公岩大桥、万州长江二桥、宜昌长江公路大桥、三峡西陵长江大桥、贵州北盘江大桥、贵州阿志河大桥、贵州西溪大桥、贵州落脚河大桥的检查总结，归纳以上十座悬索桥主缆产生病害的原因主要有以下几点：
(一)主缆系统防腐施工前没有清除主缆内部的水分
对主缆除湿不够重视。

主缆架设完后，其内部钢丝股之间的间隙呈不规则状，夹杂在主缆内部的水分在自然状况下是清除不完全的，主缆内部始终就有水分的存在，导致主缆钢丝股表面镀锌层腐蚀加速，危及主缆安全。

以上十座悬索桥主缆防腐都忽视了悬索桥主缆索自架设之防腐之前的这段时间的腐蚀现象和这段时间内腐蚀介质及水分通过主缆索股间的缝隙进入主缆内部等现象。

架设后的悬索桥主缆，将很长时间暴露在自然环境之下，除自然雨水侵蚀外, 长期还受雾水、露水夹带着其它腐蚀粒子侵入主缆内部。

因为主缆内部有18%～20%之间不规则的空隙，进入主缆内部的水分不能全部顺索股间的缝隙流出或蒸发出。

在实施主缆防腐防护后, 包裹在主缆内部的水分就被密封在主缆内部，这些水分在密封后又难以溢出，使其在白天温度高时蒸发，夜晚温度低时冷凝，周而复始的影响,这部分水分在主缆内部就形成了腐蚀小环境, 致使主缆索股出现局部腐蚀现象。

其实主缆内部是最怕存有水分的，我们来看看镀锌层的腐蚀现象。

在暴露于大气的条件下, 镀锌层发生腐蚀产生氧化锌和氢氧化锌, 然后在空气中和二氧化碳发生反应, 生成碱性碳酸锌, 这样形成了碳酸盐保护层, 从而抑制腐蚀。

镀锌层在潮湿的环境下, 表面产生白锈, 白锈基本上是一层氧化锌和清氧化锌, 其体积非常大, 是产生它的锌的500倍。

白锈不但不能很好的附着于镀锌层上, 而且当存在潮气时, 其可提供氧使腐蚀过程继续进行。

在没有氧气供给的情况下, 即使水和密封剂中的阻蚀剂、缓蚀剂结合生成钝化膜, 但也不能修复已破损的镀锌层和钝化膜，使镀锌层的腐蚀行为与碳钢相似。

镀锌层表面的沉积和污物也会导致点蚀。

在缺乏氧的环境下, 金属锌的防护(钝化)膜是不能修复，从而使金属锌在缺氧的潮湿环境中和海水中的腐蚀行为与碳钢的腐蚀行为基本相似。

(二)主缆系统防腐密封材料选择不科学
1.在主缆防腐材料选用方面，以上十座悬索桥主缆防腐在缠丝前的密封防腐材料都选用不干腻子。

不干腻子是由无机的生胶加钙粉和增塑剂、防腐颜料组成，一段时间后不干密封剂中的胶料、增塑剂等会迁移渗入缆索股孔隙中和缠丝层外部的聚硫密封剂层，使聚硫密封剂层孔隙率增加、粘附率降低、弹性丧失，从及而导致外密封层密封性能失效。

由于非硫化型橡胶不干性密封膏的主体胶料不含或仅含有部分的网状交联结构, 因此不但它的内聚强度比硫化型密封剂的内聚强度要低得多, 最主要的还是非硫化密封膏要比网状交联的硫化型密封剂更容易透过水蒸气。

再者，不干腻子中的增塑剂和生胶在一定时间段后会向主缆钢丝之间的缝隙和缠丝外的硫化密封层迁移，将会导致如下隐患：
（1）. 在阳光暴晒和温度交变的作用下，将导致聚硫密封层的粘附率降低；
（2）. 由于聚硫密封剂的硫化剂是二氧化锰，在硫化过程中将会使聚硫密封层逐渐塑化，从而失去弹性；
（3）. 当增塑剂渗入到聚硫密封层内部后，会产生化学反应，是聚硫密封层的孔隙率增加，这样密封层就失去了密封性能。

2.在主缆防腐工序缠丝后的密封防腐层材料选用方面，以上四座悬索桥全部选用的是聚硫密封剂，因为这种材料耐疲劳性能差，加之一定时间后会出现塑化现象，出现开裂的现象很普篇。

目前我国采用此材料的悬索桥主缆，在防腐5-6年后基本上都出现索夹缝密封层开裂的现象。

由于硫化剂二氧化锰不断向聚硫密封剂弹性体提供氧化性很强的氧原子并在聚硫分子间架起密度很大的氧桥使交联密度极大提高导致聚硫密封层硬度不断上升, 使聚硫密封层由弹性体变为硬塑料。

在温度交变和荷载交变的影响下, 缠丝外密封层会失去密封性能, 导致主缆防腐失败。

硫化剂二氧化锰中含有少量的高锰酸盐, 在酸性介质中，+7价的锰元素极具氧化性，自身被聚硫链段中的硫元素还原为+2价, 此过程中形成数量很大的—S—O—S—桥将已经交联的聚硫网络进一步交联，使密封剂变为塑料状而失去弹性。

也可能在酸性介质中二氧化锰发生了逆向反应形成了高锰酸盐而导致弹性体塑料化的发生致使聚硫密封层失去弹性，导致防腐密封层开裂。

(三)防腐体系存在的问题
以上十座悬索桥主缆防腐的结构体系是：磷化底漆→不干性密封膏→缠丝→磷化底漆→环氧底漆→聚硫密封剂→聚氨酯面漆。

防腐体系中没有清除主缆内部水分的工序。

主缆架设完后，其内部钢丝股之间的间隙呈不规则状，夹杂在主缆内部的水分在自然状况下是清除不完全的，主缆内部始终就有水分的存在，导致主缆钢丝股表面镀锌层腐蚀加速，危及主缆安全。

所以主缆防腐体系中要有主缆除湿处理这道工序，强制性去除主缆系统内部的水分，保证主缆内部清洁干燥。

主缆系统锚室内部散索股部分只采用：涂覆磷化底漆+涂覆环氧底漆+涂覆聚氨酯面漆的体系是满足不了主缆系统防腐要求的。

主缆系统散索股一直存在着应力腐蚀的危害，应力腐蚀又可以在环境相对湿度很低的情况下发生。

锚室内的空气不流通，一定时间段后，主缆钢丝表面就会有锌盐的出现，将缩短镀锌的防腐蚀寿命。

按照上述体系，涂层对主缆系统的散索股起不到密封作用，只能保护涂料涂覆到的表面，而没有涂料涂覆到的表面将照样被腐蚀。

在主缆缠丝去缠丝工序施工后涂覆磷化底漆，在涂覆磷化底漆工序后再涂覆环氧云铁底漆，次道环氧云铁底漆失去意义。

主缆系统缠丝钢丝间存在一定的缝隙，特别受温度交变的影响，缠丝钢丝间的缝隙随温度交变而变化。

在其表面涂覆磷化底漆后再涂环氧云铁中间涂层是不合理的，在这一层涂覆环氧云铁涂层是失去防腐意义的。

只有将该环氧云铁层改到密封剂外周，并且采用弹性环氧云铁中间漆，用来屏蔽外界的腐蚀介质浸害密封层，延长密封层的使用寿命。

主缆防腐体系最后涂层应采用弹性聚氨酯面漆。

悬索桥主缆在桥梁营运中，受温度交变和荷载交变的影响，主缆一直处于微动状态，其防腐体系中的面漆层，要采用弹性面漆才能延长主缆密封层的使用年限。

二．对策
根据对以上十一座悬索桥主缆系统防腐调研，发现我国桥梁建设市场悬索桥主缆系统防腐配套结构体系有缺陷，不能满足悬索桥主缆防腐蚀。

首先在防腐体系中就没有对清除缆索内部水分的工序。

其实有色金属锌在潮湿的环境中的腐蚀速率高于碳钢，主缆钢丝镀锌层的保护又属于隐蔽项目，悬索桥在营运
中不能经常打开防腐密封层来检查主缆系统钢丝表面镀锌层的防腐情况。

主缆在密封防腐前不清除主缆内部的水分或在桥梁营运中有水透过防腐密封层进入主缆内部，将造成主缆钢丝严重腐蚀，危机桥梁营运安全。

从汕头海湾大桥和宜昌长江公路大桥等几座桥梁的主缆系中最低部的索夹流水孔和锚室内散索股区都能看到有锌盐伴水流出，这就说明主缆内部钢丝表面的镀锌层已经发生腐蚀。

悬索桥主缆系统属柔性结构，所以对防腐蚀材料的要求比较苛刻。

材料必须有较优异的力学性能，有一定的弹性和延伸性能；材料要有优异的耐候性，耐酸、碱、盐、化学等介质的腐蚀性。

材料即使在老化后要有具备一定的弹性和延伸性能，长期使用不开裂等。

根据以上十一座桥梁主缆防腐使用的材料分析和实际防腐蚀效果的勘察。

在悬索桥主缆系统缠丝段防腐中，在缠丝前采用弹性聚氨酯密封腻子优于不干腻子，在缠丝外层采用聚氨酯密封剂由于聚硫密封剂；在主缆系统非缠丝段防腐体系中，采用聚氨酯密封剂优于聚硫密封剂。

建议在悬索桥主缆防腐体系中使用力学性能优异、耐腐蚀性能突出的聚氨酯类密封剂。

在主缆系统的缠丝区域，缠绕钢丝间是存在缝隙的。

除广东虎门大桥以外，其余十座桥梁的主缆系统防腐体系中都有在缠丝钢丝的外周表面涂覆一层环氧底漆的工序。

其实这也是不科学的，在缠丝钢丝外周已经涂覆了一层磷化底漆用来提高钢丝镀锌层表面和聚硫密封剂层的附着力，这层环氧底漆是无效涂层。

建议将这层环氧底漆改为弹性环氧云铁中间漆，涂覆与密封剂层与面漆层中间。

对于主缆系统锚室内的散索股部分，虽然锚室内安装有除湿系统，但对于主缆系统防腐蚀也是不理想的。

根据对以上十一座悬索桥主缆系统防腐蚀效果的调研，只有广东虎门大桥主缆系统锚室内的散索股是密封处理的，防腐蚀效果很好。

其余的十座桥的主缆系统锚室内的散索股钢丝都出现不同情况的腐蚀现象。

建议在悬索桥主缆系统防腐体系中要对主缆系统前期除湿的工序，彻底清除主缆系统内部的水分，保持主缆内部干燥。