懸索橋主纜防腐系統(tǒng)用硫化型橡膠密封膠的研究

陳 丹，張 敏，王玉美，胡生祥

（鄭州中原思藍德高科股份有限公司，河南 鄭州 450000）

關鍵字：懸索橋；主纜防腐；聚硫密封膠；硅改性聚醚密封膠（MS密封膠）；耐久性

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，橋梁建設也得到了快速發(fā)展。其中懸索橋的發(fā)展日趨成熟，跨度越來越大，結構越來越好，并且輕型美觀，已成為特大跨度橋梁的首選橋型[1]。懸索橋主要是由主纜、主塔、錨碇和加勁梁四大主體結構以及塔頂主鞍座、錨口散索鞍座和懸吊系等重要附屬系統(tǒng)組成。其中主纜是懸索橋最重要的受力構件之一，且是不可更換構件，被稱為懸索橋的“生命線”[2，3]。主纜長期暴露在大氣環(huán)境中，經(jīng)受著各種不利環(huán)境的侵蝕，主纜鋼絲逐漸產(chǎn)生銹蝕，而銹蝕會減少有效的索股面積和強度，嚴重危及到懸索橋的安全性和使用年限。因此，主纜的壽命直接影響甚至決定著懸索橋的使用壽命。

為了應對主纜耐久性不斷提出的更高要求，在借鑒國外先進技術、總結我國懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝經(jīng)驗基礎上，國家交通部發(fā)布了JT/T 694—2007《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術條件》[4]，規(guī)范了主纜防腐涂裝體系和質(zhì)量控制[5]。按照該標準，懸索橋主纜防腐涂裝體系采用的技術是：鋼絲出廠前進行鍍鋅處理，主纜成形后通過“不干性密封膏+纏繞鋼絲+聚硫橡膠包覆層+881系統(tǒng)重防腐涂裝材料”的方式來進行防腐，如圖1所示。

這種主纜防護體系實際是通過對主纜外層的硫化型橡膠密封劑進行密封包裹來防止水分和其他腐蝕因子侵入其內(nèi)部以達到防腐蝕目的，所以硫化型橡膠密封劑的防腐效果對該防腐體系至關重要。在過去幾十年里，主纜防護體系中采用高性能的聚硫防腐密封膠作為外層防護密封膠，但近年來，發(fā)現(xiàn)有橋梁主纜用硅改性聚醚密封膠（簡稱MS密封膠）作為外層防腐密封膠[6]，所以本文依據(jù)JT/T 694—2007附錄A.3硫化型橡膠密封劑技術指標，對聚硫密封膠和MS密封膠進行全面性能對比分析，以供橋梁業(yè)內(nèi)人士選擇密封膠時參考。

圖1　主纜纏絲段涂層配套體系示意圖Fig.1　Schematic diagram of supporting system of main cable wrapping

1　 實驗部分

1.1　主要材料

聚硫密封膠、MS密封膠，均取自某橋梁主纜施工現(xiàn)場。

1.2　儀器與設備

萬能拉力試驗機，CMT 4304，深圳三思縱橫科技股份有限公司；鼓風干燥箱，GZY-9030 MBE，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；水蒸氣透過率測試儀，W3/060，濟南蘭光機電技術有限公司。

1.3　性能測試

密度：采用GB/T 533測試；不揮發(fā)分含量：采用HB 6743測試；流淌性：采用HB 5243測試；邵A硬度：采用GB/T 531測試；水蒸氣透過率：采用GB/T 17146測試；拉伸性能：采用HB 5246、GB/T 528測試；熱空氣老化性能：采用HB 5246、HB 5247測試；剝離性能：采用HB 5248測試；耐腐蝕性：采用HB5273測試。

2　 結果與討論

2.1　密封膠的物理性能對比分析

表1出示了JT/T 694—2007標準所要求的物理性能檢驗項目，分析試驗結果可知：①聚硫密封膠是雙組分密封膠，固化快，在較短時間內(nèi)就能達到硬度的80%，施工效率高；MS密封膠是單組分密封膠，屬于濕氣固化，固化速度慢，施工周期長。在實際施工時，MS密封膠一天刮涂2遍的厚度在0.5 mm左右，而要達到2.5 mm厚度就需要5 d左右；聚硫密封膠固化速度快，一天可刮涂3遍就達到要求厚度，與之相比大大縮短涂裝工期。②聚硫密封膠的不揮發(fā)分含量滿足JT/T 694—2007技術指標；MS密封膠的不揮發(fā)分含量不符合標準技術要求，這是因為MS密封膠固化是縮合反應，后期還會持續(xù)反應，釋放小分子，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。③聚硫密封膠的硬度比MS密封膠大，使得聚硫密封膠抵抗外來物破壞的能力比MS密封膠要好。

表1　聚硫密封膠和MS密封膠的物理性能對比Tab.1　Comparison of physical performance of polysulfide sealant and MS sealant

2.2　密封膠的水蒸氣透過率和力學性能對比分析

涂覆密封膠的主要目的是阻止環(huán)境中的水氣進入主纜內(nèi)部，所以密封材料的水蒸氣透過率也是一項很重要的指標。測試了2種密封膠的水蒸氣透過率，密封膠試樣厚度為2 mm，測試結果見表2。

表2　聚硫密封膠和MS密封膠的水蒸氣透過率性能比較Tab.2　Comparison of water vapor transmission of polysulfide sealant and MS sealant

從表2可以看出，聚硫密封膠具有極低的水蒸氣透過率，MS密封膠的水蒸氣透過率約是聚硫密封膠的5倍，這是因為MS密封膠主鏈為聚醚鏈段，吸水率高，而聚硫密封膠為脂肪鏈，疏水性大。所以同種施工工藝流程欲達到同樣的水蒸氣透過率效果，MS密封膠的厚度和用量會比聚硫密封膠高出若干倍。聚硫密封膠的水蒸氣透過率為固化型密封膠中最小的[7]，如果橋梁處于海洋大氣環(huán)境中，尤其是處于亞熱帶海洋性季風氣候環(huán)境中，終年溫暖濕潤、雨量充沛，建議選用聚硫密封膠作為主纜防護體系的外層防腐密封膠。

在標準環(huán)境下[溫度（23±2）℃，濕度（50±5）%）]，聚硫密封膠的試樣養(yǎng)護14 d，MS密封膠的試樣養(yǎng)護21 d，再測試力學性能，結果見表3。

由表3可知，聚硫密封膠和MS密封膠的拉伸性能、粘接性能和耐腐蝕性皆符合JT/T 694—2007標準要求，但在熱空氣老化性能上，表現(xiàn)出很大的不同。聚硫密封膠經(jīng)120℃老化7 d后，拉伸強度和扯斷伸長率稍有些增大，密封膠的力學性能基本保持不變，表現(xiàn)出優(yōu)越的耐熱老化性能。MS密封膠在120℃熱空氣老化5 d后，試樣發(fā)黏、斷裂，老化7 d后，試樣完全粉化。聚硫密封膠和MS密封膠經(jīng)120 ℃熱空氣老化7 d后試樣如圖2所示。

表3　聚硫密封膠和MS密封膠的力學性能對比Tab.3　Comparison of mechanical properties of polysulfide sealant and MS sealant

圖2　聚硫密封膠（a）和MS密封膠（b）經(jīng)120 ℃熱空氣老化后試樣圖對比Fig.2　Specimen comparison of polysulfide sealant（a） and MS sealant（b） after hot air aging at 120 ℃

2.3　密封膠的老化性能對比分析

在JT/T 694—2007標準中，熱空氣老化性能直接考查的是密封膠的使用壽命。據(jù)研究報道，已有用熱氧老化法估算密封膠的理論壽命，雖與實際使用壽命不同，但可通過測試耐熱氧性來進行不同密封膠品種間的相對耐久性比較[8]。本文以JT/T 694—2007標準所規(guī)定的120 ℃為條件，比較聚硫密封膠和MS密封膠的耐久性，見圖3。

圖3　聚硫密封膠和MS密封膠經(jīng)120 ℃熱空氣老化后力學強度變化示意圖Fig.3　Mechanical strength changes of polysulfide sealant and MS sealant after hot air aging at 120 ℃

圖3中（a）是2種密封膠經(jīng)120 ℃熱空氣老化后的拉伸強度的變化值，（b）是2種密封膠經(jīng)120 ℃熱空氣老化后粘接性能的變化值。聚硫密封膠經(jīng)120 ℃熱空氣老化30 d后，拉伸強度和粘接性能扔遠遠大于JT/T 694—2007的標準要求，耐熱空氣老化性能卓越。而MS密封膠的拉伸強度在熱空氣老化第4 d已經(jīng)不能滿足標準要求，第5 d后試樣就完全被破壞，已無力學性能可言；粘接性能是在熱空氣老化第5 d后不能滿足標準要求，第6 d已無粘接性能和力學性能。由此可知，MS密封膠可耐120 ℃熱空氣老化3 d，聚硫密封膠在120 ℃熱空氣老化30 d后，性能依然滿足標準要求，耐老化優(yōu)越，由此可推測聚硫密封膠的耐久性是MS密封膠的耐久性的至少10倍以上。

4　 結論

1）MS密封膠的不揮發(fā)分含量和熱空氣老化性能不符合JT/T 694—2007標準要求，聚硫密封膠滿足該標準的全部技術指標。

2）聚硫密封膠的水蒸氣透過率為固化型密封膠中最小的，具有良好的密封性能，遠優(yōu)于MS密封膠的水蒸氣透過率。

3）聚硫密封膠具有卓越的耐老化性能，使用壽命長；MS密封膠耐老化性能差，在較短時間內(nèi)的高溫老化就會粉化，使用壽命短。

本文依據(jù)JT/T 694—2007，對聚硫密封膠和硅改性聚醚密封膠性能進行了對比分析研究，以供橋梁建設選用密封膠時參考。