CableGuard主纜纏包帶國產化研發

李嘉明，崔立川

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510623；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

1 工程概況

廣東省汕(頭)至湛(江)高速公路清遠清新至云浮新興段西江特大橋為雙塔雙跨吊鋼箱梁懸索橋(圖1)，跨徑布置為4×47m+202m+738m+204m，矢跨比為1:9，主纜橫橋向中心間距為31.2m。

圖1 西江特大橋橋型布置

懸索橋的主纜腐蝕問題是一個世界性的問題。傳統的防腐手段將主纜用膩子、纏絲、涂層形成封閉密封，即Roebling體系，原理是形成一個密閉空間，防止主纜被外界空氣腐蝕，事實證明，效果很不理想[1]。開纜檢測實例表明，傳統Roebling體系中的主纜鋼絲鍍鋅層10年左右就會出現較大面積的腐蝕狀況(圖2)，到30年主纜鋼絲將會受到嚴重腐蝕影響[2]，如圖3所示。

圖2 使用10年的主纜表面及纏絲內層

主纜的密封材料作為主纜防護體系最為重要的組成部分，其種類以及特性幾乎決定了主纜防護體系的使用壽命。纏包帶是一種合成橡膠材料(圖4)，呈帶狀，在主纜表面進行纏繞、疊合、熱熔接后形成主纜密封層[3]，其涉及的技術參數和工藝(如纏繞力、疊合寬度，熱熔時間、溫度、壓力，索夾接頭處的密封設計等)是確保密封效果的關鍵[4-5]。

圖4 纏包帶

圖5 纏包帶施工

纏包帶的國產化進程需要通過整合國內資源，從氯磺化聚乙烯原材料、產品工藝及施工裝備的完全國產化替代，并結合國內需求對其彩色產品色牢度、表面耐臟污等不足進行技術創新。本文針對CSM基本配方進行相應的變量試驗，從而獲得滿足性能指標要求的材料，并應用于西江特大橋主纜防護體系。

2 CableGuard產品替代方案

CableGuard產品是一種基于改性氯磺化聚乙烯橡膠材料制造而成的一種高性能橡膠帶。氯磺化聚乙烯是以聚乙烯主原料經氯化、氯磺化反應而制得的具有高飽和化學結構的含氯特殊彈性體材料，屬高性能品質的特種橡膠品種[6-7]。

為了確保其材質為氯磺化聚乙烯，對CableGuard樣品進行了紅外分析。從紅外圖譜(圖6)中在波長1 375cm-1附近發現了氯磺?；奶卣魑辗?，在波長為760cm-1附近發現了C-Cl鍵的伸縮特征峰，支持其為氯磺化聚乙烯的特點。

圖6 CableGuard產品紅外圖譜分析

對CableGuard產品進行熱失重分析(圖7)，測試結果顯示產品含膠量約為45%。

圖7 CableGuard產品熱失重分析結果

CableGuard產品總厚度約為1.10mm，中間采用了滌綸纖維作為增強材料。為了保證纏包帶有足夠的層間剝離力，纖維層采用的是網格布的形式，網格尺寸約為3mm。為了保證CableGuard產品經向和緯向強度相當，采用經緯絲等纖度和密度的網格布，經過分析確定為500D×500D滌綸經編網格布。經編網格布具有粗大的網格，上下層結構在復合的過程中加熱受壓，膠料可以產生一定的流動，透過中間的網格相互粘接在一起，形成足夠的結合力。這種結構設計改進了對傳統橡膠布制造過程中給中間纖維布上膠以提升膠與布粘接性能的傳統做法，這樣處理既環保，避免網格布上膠時大量VOC排放，又簡化了生產工藝流程，同時又可以很好地滿足纏包帶應用場合的強度要求(圖8～圖9)。

圖8 纏包帶結構

圖9 纏包帶增強網格布

經深入剖析和借鑒了CableGuard產品結構后，在其基礎上進行必要的性能提升(表1)，初步制定國產化主纜纏包帶的結構參數目標。為了進一步提高纏包帶的密封性和抗拉強度，將產品總厚度增加到1.2mm，且對產品經緯方向的纖維進行加密，強度加大，以提高產品的總體性能。

表1 CableGuard纏包帶樣品實測值及研發目標

3 設計原理

橡膠材料交聯后分子結構由線狀轉變成網狀結構[8]，賦予材料更穩定的化學性能，可以為材料提供較好的抗老化性能，但同時也喪失了其高溫流動性以及熱熔粘接性能。為了平衡兩者的關系，根據纏包帶的使用特點，將纏包帶分成內外層不同的材料，外層材料為正硫化氯磺化聚乙烯材料，保證其分子結構內部完全反應，形成致密的網狀結構，分子鏈段處于完全凍結的狀態，更好地抵御紫外線；內層采用半硫化的氯磺化聚乙烯材料，聚合物內部大部分的分子鏈在高溫條件下仍可以運動，保證其熱塑性，在高溫條件下可以與外層的橡膠材料形成有效粘接(圖10)。

圖10 纏包帶結構設計

4 產品配方設計及研發

4.1 外層材料配方

試驗的材料以CSM為主要原材料，按照45%～50%的含膠量進行配方設計，輔助添加用于改善CSM材料性能的助劑用于調節材料的性能，使其達到一定的試驗要求。選取最優配方進行后續試生產，配方主要組成有：氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、 煅燒高嶺土、三氧化二銻、鈦白粉、氫氧化鋁、硼酸鋅、磷酸三甲苯酯、季戊四醇、四硫化雙五亞甲基秋蘭姆、N,N′-間苯撐雙馬來酰亞胺、氧化鎂、抗老劑等。

根據配方中材料種類與配比的不同組合成6個不同的配方，分別測試樣品的硬度、拉伸強度、斷裂伸長率以及耐熱空氣老化等性能(表2)。

表2 纏包帶外層材料試驗數據

由表2可見，CSM-3號配方在硬度、拉伸強度以及熱空氣老化后的拉伸強度及斷裂生產率等方面總體優于其他配方，因此，選擇CSM-3配方的材料的應用配方，并對其展開進一步試驗，確定材料的參數。

4.2 內層材料配方

考慮纏包帶內外層材料的相容性，減少產品生產過程中混煉膠生產時因配方種類過多造成生產中不必要的錯誤，纏包帶內層材料在外層材料CSM-3配方的基礎上進行調整，主要改動之處為配方中的硫化體系，適當增加配方中熱塑性材料的比例，目的是使內層材料在后續施工過程中發揮熱熔粘接的功能。

表3 纏包帶內層材料試驗數據

從試驗結果看，CSM-3-3號配方樣品具有更好的粘接剝離強度，適合用于纏包帶內層結構，因此以此配方為基礎進行纏包帶樣品試生產。

4.3 成品性能

按照上述配方進行纏包帶樣品試制，中間層采用1 000D×1 000D，9×9滌綸經編網格布制樣，對樣品進行全面測試，測試結果見表4。

表4 主纜密封材料檢測數據

5 結論

本次研發以氯磺化聚乙烯為原材料，產品工藝和研發工藝完全國產化替代，并結合國內需求對其彩色產品色牢度差、表面耐臟污等不足進行技術創新，得到物理性能與CableGuard體系相比具有明顯提升的國產化纏包帶。深入剖析和借鑒了CableGuard產品結構后，將產品總厚度增加到1.2mm，且對產品經緯方向的纖維進行加密，最終研發出的產品硬度、拉伸強度、扯斷伸長率等性能指標達到技術要求。產品已應用于西江特大橋主纜防護體系，高速公路通車試運營以來，產品的耐候性和耐黃變性能良好。