摘要：隨著國(guó)民生活水平的提高以及交通運(yùn)輸行業(yè)的日益壯大，國(guó)內(nèi)外早期修建的斜拉橋拉索腐蝕現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，輕則拉索腐蝕、斷裂，重則橋梁坍塌。為解決拉索腐蝕造成的安全不利因素而進(jìn)行的換索工程不僅耗費(fèi)人力，還耗費(fèi)大量的財(cái)力，從而影響橋梁的經(jīng)濟(jì)性。本文主要研究拉索腐蝕機(jī)理和拉索防腐蝕手段，旨在提高拉索的耐久性，延長(zhǎng)斜拉索的使用壽命，以供參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；防腐蝕；技術(shù)手段

DOI：10.12433/zgkjtz.20233445

項(xiàng)目名稱：考慮腐蝕—疲勞耦合效應(yīng)的斜拉橋拉索壽命預(yù)測(cè)研究

項(xiàng)目編號(hào)：202211276087Y

一、國(guó)內(nèi)外破壞案例及腐蝕機(jī)理

（一）國(guó)內(nèi)外斜拉索破壞案例

廣州海印大橋自1988年通車以來(lái)，斜拉索使用35年。由于管內(nèi)壓漿不密實(shí)，致使鋼絲銹蝕，兩次發(fā)生拉索斷裂事故，最初是使用7年時(shí)9號(hào)索斷裂，而后15號(hào)索發(fā)生松斷。為解決安全隱患，于1996年更換全部拉索，工程造價(jià)2000萬(wàn)，工期六個(gè)月。

浙江章鎮(zhèn)斜拉橋位于浙江省上虞市，自1983年通車以來(lái)，斜拉橋已使用40年。由于玻璃鋼產(chǎn)生裂縫發(fā)生破碎，外加瑪蹄脂老化導(dǎo)致滲水，鋼絲銹蝕嚴(yán)重，最終更換全部拉索。

委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波橋是一座世界著名的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，由于當(dāng)時(shí)建造水平的限制，拉索沒(méi)有鍍鋅而是使用亞麻油作為鋼絲防銹劑，在涂紅丹底漆以及云母甲板漆前纏絲。涂層腐蝕破壞使得錨箱接口處的拉索發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，最終導(dǎo)致大面積換索，增加拉索數(shù)量，花費(fèi)5000萬(wàn)美元。

德國(guó)科爾布蘭特橋建于1974年，橋梁斜拉索全部使用封閉索，用涂料做了4層防護(hù)，但索上端滲水導(dǎo)致拉索內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，最終耗資6000萬(wàn)美元將所有拉索換新，是原橋梁總造價(jià)的4倍。

（二）斜拉索腐蝕機(jī)理

對(duì)現(xiàn)有拉索腐蝕案例總結(jié)后不難看出，拉索腐蝕的原因大致分兩種：第一，拉索自身缺陷，主要體現(xiàn)在高強(qiáng)鋼絲以及拉索防護(hù)體系上。例如，蘇州繞城公路斜拉橋，由于吊裝和運(yùn)輸工藝不合理，導(dǎo)致拉索使用過(guò)程中發(fā)生拉索或錨頭腐蝕現(xiàn)象。第二，纜索系統(tǒng)的防護(hù)體系有缺陷。例如，委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波橋和德國(guó)科爾布蘭特橋，由于防銹蝕涂層破壞，導(dǎo)致拉索腐蝕嚴(yán)重。

二、現(xiàn)有技術(shù)手段

從目前仍在使用的斜拉橋日常監(jiān)測(cè)來(lái)看，斜拉橋系統(tǒng)腐蝕的兩個(gè)核心方面是索體本身以及索體與錨具的連接處。

（一）索體防開(kāi)裂措施

從拉索防護(hù)角度看，索體防護(hù)可分為高強(qiáng)鋼絲出廠后的臨時(shí)防護(hù)和橋梁建成后索體的永久防護(hù)兩種。

1.索體的臨時(shí)防護(hù)

（1）在鋼絲表面鍍鋅或鍍鋁

鋅是優(yōu)質(zhì)的陰極性鍍層金屬，斜拉索原料高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線，表面一般都使用熱浸鍍鋅工藝進(jìn)行防護(hù)處理。相關(guān)文獻(xiàn)記載，鋅鋁合金鍍層可以使得構(gòu)件壽命比普通鍍鋅構(gòu)件高24倍。鋅鋁合金鍍層有著陰極保護(hù)材料和鋁的氧化保護(hù)作用，是索體鋅鍍層的優(yōu)良替代品。

（2）在拔絲和絞絲后進(jìn)行發(fā)蘭處理

發(fā)蘭處理即在120～130℃范圍內(nèi)對(duì)鋼絲進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，發(fā)蘭產(chǎn)生的發(fā)蘭膜可作為索體的臨時(shí)防護(hù)，此方法造價(jià)不高，且鋼絲一出廠便有了一層防護(hù)。

（3）涂防腐油

將平行鋼絲封閉在PE管內(nèi)，后用泵將防腐油打入管內(nèi)，待油與鋼絲充分接觸后，再用泵吸出油，使得鋼絲表面有一層封閉的防腐蝕油膜，等斜拉索在卷筒上纏繞成型后再在管內(nèi)通氮?dú)?，以便于后續(xù)長(zhǎng)途運(yùn)輸。

此外，可將松香酚醛樹(shù)脂防腐油均勻噴涂在鋼絲表面。目前， 廣泛使用的臨時(shí)方法是熱鍍鋅工藝，但在斜拉索防護(hù)中起重要作用的仍是永久防護(hù)。

2.索體的永久防護(hù)

斜拉索種類繁多，不同的防護(hù)措施對(duì)不同索體的保護(hù)程度亦有不同，所以對(duì)于不同拉索而言，永久保護(hù)方法各有不同，常見(jiàn)永久防護(hù)辦法包括：

（1）全封閉索防護(hù)

此法適用于封閉式鋼纜。封閉式鋼纜由三種不同形狀的鋼絲箍成，從內(nèi)到外分別是圓鋼絲、梯形鋼絲和Z形鋼絲。三種鋼絲彼此緊扣，內(nèi)部有填充物。這種構(gòu)造使得拉索截面孔隙率小且表面光滑，易于涂防護(hù)層，具有良好的防腐效果，但制作工藝復(fù)雜、造價(jià)高。

（2）套管壓漿法

套管種類不同使得套管內(nèi)壓漿種類也不同。常見(jiàn)套管有鋼套管、鋁套管、PE管等。常見(jiàn)壓漿種類有水泥漿、樹(shù)脂、油脂等。綜合來(lái)看，PE管具有良好的氣密性、水密性、抗紫外線性能優(yōu)良且價(jià)格低的特點(diǎn)，是此法中最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的套管。根據(jù)常彬彬的調(diào)查及總結(jié)，在PE防護(hù)層完好的情況下，內(nèi)部鋼絲幾乎不受腐蝕影響，但PE管老化開(kāi)裂后，拉索腐蝕嚴(yán)重。因此來(lái)說(shuō)，保證PE防護(hù)套耐久性，防范防護(hù)套老化開(kāi)裂是延長(zhǎng)鋼絲壽命的重點(diǎn)。

（3）直接熱擠聚乙烯防護(hù)

此法適用于目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的扭絞型拉索，是由電纜技術(shù)的聚乙烯熱擠法演變而來(lái)的，號(hào)稱可防腐三十年，工序簡(jiǎn)單，質(zhì)量有保證，防護(hù)層均勻，沒(méi)有薄弱環(huán)節(jié)和臨時(shí)防銹問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（4）定期更換索身

德國(guó)一些權(quán)威認(rèn)為定期更換拉索，采用簡(jiǎn)單防護(hù)是一種有效的防護(hù)途徑。馬來(lái)西亞常年處于高溫潮濕天氣影響下，斜拉橋多采用特別的耐腐蝕涂料，并定期更換?，F(xiàn)有大多數(shù)斜拉橋設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是方便換索，但防護(hù)工作也不容有失。

（二）錨頭區(qū)防腐

防水是錨頭區(qū)拉索防腐蝕的重點(diǎn)，有效防水可以減少銹蝕現(xiàn)象。常見(jiàn)的錨頭區(qū)滲水原因包括止水圈不完全封閉、索體周圍橋面板破裂、索體開(kāi)裂等。

（三）斜拉索微環(huán)境腐蝕控制

1.對(duì)斜拉索內(nèi)部微環(huán)境進(jìn)行除濕處理

由于橋梁的連通作用，斜拉索常年暴露在江河、海洋附近。在復(fù)雜多變的環(huán)境下，斜拉索會(huì)受溫度、紫外線以及復(fù)雜應(yīng)力的共同作用。影響拉索腐蝕的環(huán)境因素有水汽、溫度、微量電解質(zhì)、氧氣等。溫度變化時(shí)，拉索內(nèi)部水汽含量隨之變化，鋼絲以及熱鍍鋅的腐蝕速度會(huì)隨之改變。溫度、電解質(zhì)均是客觀存在的，無(wú)法控制，只有拉索內(nèi)部水汽和氧氣含量可以實(shí)現(xiàn)人為改變。

（1）干燥空氣除濕法

干燥空氣除濕法即在機(jī)械幫助下，利用氣壓差，用干燥空氣將拉索內(nèi)部濕空氣排出，并保持一定量的干燥空氣在拉索內(nèi)部流通，從而將拉索內(nèi)部空氣濕度降低至66%以下。日本明石海峽大橋的主纜是斜拉索采用干燥空氣除濕法的初嘗試，常彬彬通過(guò)觀察不同季節(jié)明石海峽大橋橋邊跨傳感器的濕度數(shù)據(jù)，指出干燥空氣法可以將濕度控制在目標(biāo)值以下，并去除主纜內(nèi)部的大部分鹽類物質(zhì)。雖然干燥空氣法歷時(shí)較久，但能根治腐蝕現(xiàn)象，是較理想的防腐蝕方法。

（2）除濕材料干燥法

除濕材料除濕法因其利用材料本身吸附性除濕，對(duì)環(huán)境友好，方便快捷，在食品工業(yè)和天然氣管道除濕中被普遍使用。

第一，固體干燥劑。常見(jiàn)的干燥劑包括氯化鋰、分子篩、氧化鋁、硅膠等。其中，氯化鋰是腐蝕性物質(zhì)，但吸水時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，影響制冷；分子篩具有有限的親水能力；氧化鋁除濕性能是硅膠的1/2；硅膠具有良好的吸濕性能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但吸水量過(guò)大后容易破裂，再生成本很高，故使用受限。

第二，液體除濕材料。從環(huán)境友好、節(jié)約能源的角度看，液體除濕系統(tǒng)是一種很新穎的除濕方式。低焓能源可以作為再生能源，例如，太陽(yáng)能、地下熱和工業(yè)余熱等，可以直接吸收水蒸氣，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。

第三，復(fù)合干燥劑。雖然氯化鈣、氯化鋰等鹽類除濕性能好，但容易潮解，而空隙多的硅膠、活性炭等物質(zhì)除濕能力有限，多孔材料—鹵素鹽復(fù)合干燥劑的概念由此誕生，不僅除濕能力強(qiáng)，還具有易再生等特點(diǎn)。

第四，智能濕度控制材料。此材料可以脫離所有人工動(dòng)力和機(jī)械裝備的幫助，自動(dòng)感應(yīng)環(huán)境的濕度變化，憑借自身吸收和釋放水蒸氣能力，自主調(diào)節(jié)密閉環(huán)境內(nèi)的濕度。

（3）利用通電加熱除濕法

通電加熱除濕法即將物體當(dāng)作電路中的一部分，利用電路通電時(shí)物體內(nèi)部電流產(chǎn)生的熱達(dá)到除濕的目的。高電阻導(dǎo)電材料產(chǎn)生的熱量不容小覷，斜拉索的原料高強(qiáng)鋼絲就是其中一種，可以利用感應(yīng)器監(jiān)測(cè)拉索內(nèi)部濕度，周期性地通過(guò)通電加熱，控制拉索內(nèi)部濕度，進(jìn)而提高斜拉索防腐性能。在日常生活中，從未見(jiàn)過(guò)高壓電纜發(fā)生銹蝕情況，由此可見(jiàn)，通電加熱法效果顯著。

2.將斜拉索鋼絲內(nèi)部微環(huán)境進(jìn)行填充處理

斜拉索腐蝕的前提是鋼絲間空隙，故而消除間隙成為消除腐蝕環(huán)境的前提。將防銹油脂均勻涂抹在鋼絲表面可以起到填充作用，但當(dāng)外界溫度過(guò)高時(shí)，熱度通過(guò)熱導(dǎo)體鋼絲傳到防銹脂，油脂在高溫下熔化而轉(zhuǎn)化為液態(tài)，影響了拉索周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，探索具有高熔點(diǎn)，高防腐性能的優(yōu)良填充物對(duì)拉索防腐蝕具有重要意義。

（1）在拉索內(nèi)部填充微晶石蠟

微晶石蠟具有硬度小，柔韌性能好，受力時(shí)表現(xiàn)為塑性流動(dòng)等多種特質(zhì)，具有良好的填充作用。弗列西奈式斜拉橋是采用此種方法的典型，即將單根鍍鋅鋼絞線打蠟，再將PE護(hù)套形成具有三層保護(hù)的單根鋼絞線，接著將多根鋼絞線與錨具和HDPE套管組合形成拉索，最后將石蠟或水泥漿倒入管道的空隙中。

（2）在拉索內(nèi)部填充油性蠟

鑒于微晶石蠟在生態(tài)適應(yīng)方面仍存在一些問(wèn)題，有人提出在拉索內(nèi)部填充油性蠟。將微晶蠟作為輔助稠化劑再經(jīng)過(guò)一系列工藝即可制得油性蠟。除了抗老化能力強(qiáng)，填充油性蠟還具有良好的抗氧化性、防銹蝕、防腐蝕、耐水耐高溫性能。在鋼絲放絲階段填充油性蠟，可以最大限度地縮小鋼絲內(nèi)部空隙。

三、拉索防腐蝕技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（一）環(huán)氧涂層材料

環(huán)氧涂層材料是一種環(huán)境友好、節(jié)能且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防腐復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，逐漸被工業(yè)、礦業(yè)、電業(yè)等行業(yè)接受。天津市京山橋索體采用的便是環(huán)氧涂層鋼絞線。陳志強(qiáng)、王志永等制成直徑7.0mm 1860MPa級(jí)高強(qiáng)度環(huán)氧涂層鋼絲，并通過(guò)試驗(yàn)得出生產(chǎn)鋼絲抗拉強(qiáng)度不小于1860MPa，扭轉(zhuǎn)不小于10次，軸向疲勞試驗(yàn)施加410MPa 周期荷載200萬(wàn)次不斷裂，產(chǎn)品力學(xué)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，高強(qiáng)度環(huán)氧涂層鋼絲具有良好的應(yīng)用前景。

（二）聚脲

聚脲是一種在高溫高壓下由異氰酸酯和氨基化合物噴涂制成的彈性體物質(zhì)，具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐老化性、防水性、抗沖擊性以及快速固化等特點(diǎn)，適用于快速施工作業(yè)。聚脲涂層具有致密、連續(xù)性好、空氣絕緣性好等特點(diǎn)，可以提高構(gòu)件的防腐蝕能力，延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。彭春陽(yáng)、李啟富、植磊等基于統(tǒng)計(jì)資料及實(shí)驗(yàn)推測(cè)，把使用壽命為15～25年的擠塑型HDPE防護(hù)層換成聚脲，拉索護(hù)套使用壽命可提升2倍。眾所周知，防護(hù)套的老化是斜拉索腐蝕的主要原因，將聚脲應(yīng)用在斜拉橋主纜防腐工程中，有利于提高拉索防腐蝕性能，從而延長(zhǎng)斜拉橋壽命，具有良好的應(yīng)用前景。

（三）納米復(fù)合涂料

水性涂料由于環(huán)境友好、施工簡(jiǎn)單快捷等特點(diǎn)在汽車領(lǐng)域、鐵路行業(yè)、集裝箱和重防腐等方面得到了廣泛應(yīng)用。水性涂料以水為載體，VOC釋放低，對(duì)環(huán)境友好，然而，要想代替其他傳統(tǒng)涂料，在力學(xué)、電學(xué)、防腐等方面性能仍有待提高。納米材料中的CNT與有機(jī)物的相容性極好，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)性能，且環(huán)境友好，是極佳的防腐填料。將納米材料添加到水性材料中，可以在負(fù)荷較低的情況下，提高水性涂料的機(jī)械和防腐性能，從而推動(dòng)水性涂料性能的高強(qiáng)發(fā)展。張金戈通過(guò)制備研究CNT/EPA70、CNT/EPA30、CNT/PANI三種納米復(fù)合材料的防腐性能及原理，展現(xiàn)了納米復(fù)合材料的應(yīng)用前景。

四、結(jié)語(yǔ)

斜拉索是斜拉橋的“生命索”，本文根據(jù)現(xiàn)有斜拉橋案例探討了斜拉索腐蝕機(jī)理及常見(jiàn)腐蝕類型，從斜拉索腐蝕機(jī)理入手，探討了斜拉索防腐蝕技術(shù)，對(duì)于不同的斜拉索，對(duì)癥防腐蝕是重中之重，希望未來(lái)斜拉索防腐技術(shù)有所發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：許心茹（2002），女，河南省焦作市人，本科，主要研究方向?yàn)樾崩瓨蚶鞣栏g。