應用聚脲技術提高橋梁拉索HDPE護套的耐久性

植磊 黃永玖 馮高郵 任顯誠

摘 要：橋梁拉索是橋梁的核心構件，按照設計要求壽命一般達到70年以上，實際拉索的使用壽命卻往往不到25年。這其中主要的原因是由于拉索HDPE外護套在制索過程中自身應力的存在，加上太陽紫外線照射的共同作用下，HDPE容易在迎光面產生裂紋，裂紋逐漸擴大導致護套橫向斷裂，雨水浸入拉索內部腐蝕鋼絲，影響拉索使用壽命。如果采用耐老化性、耐候性能優越的聚脲材料對拉索HDPE護套進行防護，隔離太陽紫外線的照射，將會成倍的延長HDPE護套老化壽命，同時也對橋梁的使用帶來巨大的經濟、社會效益。

關鍵詞：聚脲技術;橋梁拉索;HDPE護套;耐久性

1 方案背景

拉索是支承橋梁及建筑的核心構件，它的使用壽命直接影響橋梁的使用年限。橋梁及建筑的設計壽命一般達70年甚至100年以上，而實際拉索的使用壽命卻往往不到25年，有的拉索甚至僅僅數年就不能正常使用，造成拉索在使用過程中需要多次換索，造成巨大的經濟損失。引起拉索使用壽命較短的主要原因是：拉索在使用過程中，在太陽紫外線照射和拉索HDPE護套內部應力的綜合作用下，HDPE護套極容易在迎光面產生環向裂紋，隨著裂紋的擴大，外層護套斷裂引起拉索內部鋼絞線/鋼絲腐蝕生銹，如下圖1為拉索外層HDPE護套出現應力開裂造成的危害。

因此，研究具有超耐久性能防腐體系的拉索，對提高拉索以及在役橋梁的使用壽命具有重要意義，可減少橋梁在使用過程中財產的浪費和重大事故的發生。

2 技術手段

目前《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》GB/T 18365-2018要求拉索外層護套采用HDPE（高密度聚乙烯）材料制作，HDPE護套是通過熱擠方式包覆于高強鋼絲或鋼絞線上，形成拉索的外層防護。HDPE材料雖具有優異的力學性能及良好的耐熱性，但當HDPE材料處在應力狀態下同時受到太陽紫外線照射時，護套容易開裂，導致圖1所示的索體危害。由于HDPE護套是通過熱擠工藝，在加工過程中自身應力狀態難以消除，以及拉索在施工掛索工程中容易造成HDPE護套損傷與拉裂，加上拉索自身交替索力下又會導致HDPE護套應力增加及疲勞，所以在HDPE護套外層增加一層紫外線隔離防護層成為目前橋梁拉索界應對HDPE開裂的共同辦法，目的就是為了最大程度的延長拉索外層HDPE的老化壽命。

3 聚脲材料的性能介紹

聚脲材料為由異氰酸酯與氨基化合物經高溫高壓設備噴涂而成的彈性體。它有優異的抗沖擊性、抗疲勞性、耐老化性，同時兼具優良的耐候性。因此采用聚脲作為產品的最外層防護，抵擋太陽紫外線的照射、雨水的沖刷以及各種介質的腐蝕，已經被各類工程應用證明是一種十分可行的技術方案，并且在軍事防護、大型水壩、海洋與化工等工程上成功應用，廣受認可。

4 橋梁拉索HDPE護套表面涂覆聚脲涂層的老化壽命對比試驗

實驗材料：HDPE樣品和聚脲材料;

實驗設備：紫外線輻照老化試驗箱，四盞老化燈，總輻照量為14 W/m2;

實驗樣件尺寸：HDPE樣件為啞鈴狀，聚脲涂層厚度為1.5 mm。

4.1 試驗過程

一組未涂覆聚脲的HDPE樣品（1#）與三組涂覆聚脲的HDPE樣品同時懸掛，下面懸掛重物提供相同負荷（負荷量3.75 MPa），紫外燈在等距處輻照各組樣條。待未涂覆聚脲的HDPE樣品組裂紋生長達到貫穿樣條寬度時，將涂覆了聚脲的一組HDPE樣品（2#）剝去聚脲保護層，繼續老化。待2#樣品裂紋也發展到貫穿整根樣條寬度時，剝去另一組HDPE樣品（3#）的聚脲層，繼續老化;3#樣品裂紋貫穿樣條寬度，剝去4#樣品的聚脲層，觀察HDPE的裂紋發展過程和聚脲涂層的變化情況。

4.2 實驗現象

未涂覆聚脲的HDPE樣條（1#）在老化初期72 h內沒有裂紋產生，顏色逐漸變深，表面光澤度降低;老化96 h，表面產生肉眼可見孔洞與微小裂紋，寬度為9 μm左右，但未貫穿表面;HDPE樣條表面除了產生垂直于應力方向的一次裂紋，還產生了平行于應力方向的二次裂紋。老化360 h裂紋貫穿表面，寬度約為36 μm，達到設定的老化終點。

360 h時剝去2#HDPE樣條的聚脲層，此時觀察2#HDPE樣品在聚脲保護下的外表面完好，沒有發現裂紋出現，但剝去聚脲層后，HDPE樣條表面裂紋的生長情況開始同1#HDPE樣的裂紋生長情況類似，裂紋寬度隨老化時間增加而增加。在總老化時間696 h，剝去聚脲層后336 h時觀察到裂紋寬度達到36 μm。

3#HDPE樣品在總老化時間達到768 h時剝去聚脲層，此時觀察HDPE樣條表面并沒有出現裂紋，在剝去聚脲層之后繼續老化HDPE樣條表面也開始出現裂紋生長，在總老化時間達到1 104 h時，3#HDPE樣條裂紋貫穿樣品表面，寬度約38 μm。

4#HDPE樣條在總老化時間達到1 104 h時剝去聚脲層，此時樣品表面無裂紋;剝去聚脲保護層之后裂紋發展狀況與1～3#樣條類似;總老化時間為1 440 h，裂紋貫穿樣條表面，寬度約為40 μm。

其中依次輻照696 h、1 104 h后觀察到聚脲涂層表面沒有可見裂紋（可見裂紋設為36 μm），聚脲涂層表面光澤度有輕微降低。四組HDPE樣品表面裂紋寬度與老化時間的關系如圖2。

4.3 實驗結論

以裂紋生長對應裂紋寬度達到36 μm作為老化失效終點，則1#樣品在加速試驗條件下的使用壽命為360 h，因為有聚脲層的保護，并且該層在老化過程中不破壞（光照696 h的聚脲涂層沒有出現破壞），內部的HDPE在768 h時沒有出現裂紋。即使按照4#樣條在總老化時間為1 104 h后聚脲層完全損傷破壞了，內部HDPE裂紋發展到失效終點也需要約1 440 h，即達到未噴涂聚脲的HDPE樣品使用壽命的4倍（1 440/360）以上。根據相同條件下高強度老化因子加速試驗過程中不同組樣品的使用壽命相對比值等于在實際戶外長期低強度老化時樣品的實際使用壽命相對比值的原理，我們可以得出如下結論：經過聚脲噴涂HDPE護套實際使用壽命可以達到未噴涂聚脲的HDPE護套使用壽命的四倍以上。

5 結語

通過將拉索HDPE護套表面涂覆聚脲涂層后隔離太陽紫外線的原理，已經成功在四川、山西、浙江、兩廣、湖南等地拉索HDPE護套采用，通過持續數年觀測，外層的聚脲涂層除光澤稍有點變弱外，不僅沒有出現可見裂紋，而且顏色也保持良好。按照目前常規HDPE拉索HDPE老化壽命一般為25年期限而定，如果采用聚脲技術進行紫外線隔離防護，拉索索體防腐壽命就很容易提升到75年甚至100年以上，不僅使該橋獲得巨大的經濟效益，同時還能獲得深遠的社會效益。

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