CableGuard主纜纏包帶國(guó)產(chǎn)化研發(fā)

李嘉明，崔立川

(1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yuǎn)清新至云浮新興段西江特大橋?yàn)殡p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(wèn)題是一個(gè)世界性的問(wèn)題。傳統(tǒng)的防腐手段將主纜用膩?zhàn)印⒗p絲、涂層形成封閉密封，即Roebling體系，原理是形成一個(gè)密閉空間，防止主纜被外界空氣腐蝕，事實(shí)證明，效果很不理想[1]。開(kāi)纜檢測(cè)實(shí)例表明，傳統(tǒng)Roebling體系中的主纜鋼絲鍍鋅層10年左右就會(huì)出現(xiàn)較大面積的腐蝕狀況(圖2)，到30年主纜鋼絲將會(huì)受到嚴(yán)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(nèi)層

主纜的密封材料作為主纜防護(hù)體系最為重要的組成部分，其種類(lèi)以及特性幾乎決定了主纜防護(hù)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(jìn)行纏繞、疊合、熱熔接后形成主纜密封層[3]，其涉及的技術(shù)參數(shù)和工藝(如纏繞力、疊合寬度，熱熔時(shí)間、溫度、壓力，索夾接頭處的密封設(shè)計(jì)等)是確保密封效果的關(guān)鍵[4-5]。

圖4 纏包帶

圖5 纏包帶施工

纏包帶的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程需要通過(guò)整合國(guó)內(nèi)資源，從氯磺化聚乙烯原材料、產(chǎn)品工藝及施工裝備的完全國(guó)產(chǎn)化替代，并結(jié)合國(guó)內(nèi)需求對(duì)其彩色產(chǎn)品色牢度、表面耐臟污等不足進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。本文針對(duì)CSM基本配方進(jìn)行相應(yīng)的變量試驗(yàn)，從而獲得滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求的材料，并應(yīng)用于西江特大橋主纜防護(hù)體系。

2 CableGuard產(chǎn)品替代方案

CableGuard產(chǎn)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(jīng)氯化、氯磺化反應(yīng)而制得的具有高飽和化學(xué)結(jié)構(gòu)的含氯特殊彈性體材料，屬高性能品質(zhì)的特種橡膠品種[6-7]。

為了確保其材質(zhì)為氯磺化聚乙烯，對(duì)CableGuard樣品進(jìn)行了紅外分析。從紅外圖譜(圖6)中在波長(zhǎng)1 375cm-1附近發(fā)現(xiàn)了氯磺酰基的特征吸收峰，在波長(zhǎng)為760cm-1附近發(fā)現(xiàn)了C-Cl鍵的伸縮特征峰，支持其為氯磺化聚乙烯的特點(diǎn)。

圖6 CableGuard產(chǎn)品紅外圖譜分析

對(duì)CableGuard產(chǎn)品進(jìn)行熱失重分析(圖7)，測(cè)試結(jié)果顯示產(chǎn)品含膠量約為45%。

圖7 CableGuard產(chǎn)品熱失重分析結(jié)果

CableGuard產(chǎn)品總厚度約為1.10mm，中間采用了滌綸纖維作為增強(qiáng)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(wǎng)格布的形式，網(wǎng)格尺寸約為3mm。為了保證CableGuard產(chǎn)品經(jīng)向和緯向強(qiáng)度相當(dāng)，采用經(jīng)緯絲等纖度和密度的網(wǎng)格布，經(jīng)過(guò)分析確定為500D×500D滌綸經(jīng)編網(wǎng)格布。經(jīng)編網(wǎng)格布具有粗大的網(wǎng)格，上下層結(jié)構(gòu)在復(fù)合的過(guò)程中加熱受壓，膠料可以產(chǎn)生一定的流動(dòng)，透過(guò)中間的網(wǎng)格相互粘接在一起，形成足夠的結(jié)合力。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)了對(duì)傳統(tǒng)橡膠布制造過(guò)程中給中間纖維布上膠以提升膠與布粘接性能的傳統(tǒng)做法，這樣處理既環(huán)保，避免網(wǎng)格布上膠時(shí)大量VOC排放，又簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程，同時(shí)又可以很好地滿(mǎn)足纏包帶應(yīng)用場(chǎng)合的強(qiáng)度要求(圖8～圖9)。

圖8 纏包帶結(jié)構(gòu)

圖9 纏包帶增強(qiáng)網(wǎng)格布

經(jīng)深入剖析和借鑒了CableGuard產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的性能提升(表1)，初步制定國(guó)產(chǎn)化主纜纏包帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)目標(biāo)。為了進(jìn)一步提高纏包帶的密封性和抗拉強(qiáng)度，將產(chǎn)品總厚度增加到1.2mm，且對(duì)產(chǎn)品經(jīng)緯方向的纖維進(jìn)行加密，強(qiáng)度加大，以提高產(chǎn)品的總體性能。

表1 CableGuard纏包帶樣品實(shí)測(cè)值及研發(fā)目標(biāo)

3 設(shè)計(jì)原理

橡膠材料交聯(lián)后分子結(jié)構(gòu)由線(xiàn)狀轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]，賦予材料更穩(wěn)定的化學(xué)性能，可以為材料提供較好的抗老化性能，但同時(shí)也喪失了其高溫流動(dòng)性以及熱熔粘接性能。為了平衡兩者的關(guān)系，根據(jù)纏包帶的使用特點(diǎn)，將纏包帶分成內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)部完全反應(yīng)，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈段處于完全凍結(jié)的狀態(tài)，更好地抵御紫外線(xiàn)；內(nèi)層采用半硫化的氯磺化聚乙烯材料，聚合物內(nèi)部大部分的分子鏈在高溫條件下仍可以運(yùn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 產(chǎn)品配方設(shè)計(jì)及研發(fā)

4.1 外層材料配方

試驗(yàn)的材料以CSM為主要原材料，按照45%～50%的含膠量進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，輔助添加用于改善CSM材料性能的助劑用于調(diào)節(jié)材料的性能，使其達(dá)到一定的試驗(yàn)要求。選取最優(yōu)配方進(jìn)行后續(xù)試生產(chǎn)，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(lái)酰亞胺、氧化鎂、抗老劑等。

根據(jù)配方中材料種類(lèi)與配比的不同組合成6個(gè)不同的配方，分別測(cè)試樣品的硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)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(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn)，CSM-3號(hào)配方在硬度、拉伸強(qiáng)度以及熱空氣老化后的拉伸強(qiáng)度及斷裂生產(chǎn)率等方面總體優(yōu)于其他配方，因此，選擇CSM-3配方的材料的應(yīng)用配方，并對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步試驗(yàn)，確定材料的參數(shù)。

4.2 內(nèi)層材料配方

考慮纏包帶內(nèi)外層材料的相容性，減少產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中混煉膠生產(chǎn)時(shí)因配方種類(lèi)過(guò)多造成生產(chǎn)中不必要的錯(cuò)誤，纏包帶內(nèi)層材料在外層材料CSM-3配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，主要改動(dòng)之處為配方中的硫化體系，適當(dāng)增加配方中熱塑性材料的比例，目的是使內(nèi)層材料在后續(xù)施工過(guò)程中發(fā)揮熱熔粘接的功能。

表3 纏包帶內(nèi)層材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果看，CSM-3-3號(hào)配方樣品具有更好的粘接剝離強(qiáng)度，適合用于纏包帶內(nèi)層結(jié)構(gòu)，因此以此配方為基礎(chǔ)進(jìn)行纏包帶樣品試生產(chǎn)。

4.3 成品性能

按照上述配方進(jìn)行纏包帶樣品試制，中間層采用1 000D×1 000D，9×9滌綸經(jīng)編網(wǎng)格布制樣，對(duì)樣品進(jìn)行全面測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 主纜密封材料檢測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本次研發(fā)以氯磺化聚乙烯為原材料，產(chǎn)品工藝和研發(fā)工藝完全國(guó)產(chǎn)化替代，并結(jié)合國(guó)內(nèi)需求對(duì)其彩色產(chǎn)品色牢度差、表面耐臟污等不足進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，得到物理性能與CableGuard體系相比具有明顯提升的國(guó)產(chǎn)化纏包帶。深入剖析和借鑒了CableGuard產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，將產(chǎn)品總厚度增加到1.2mm，且對(duì)產(chǎn)品經(jīng)緯方向的纖維進(jìn)行加密，最終研發(fā)出的產(chǎn)品硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率等性能指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求。產(chǎn)品已應(yīng)用于西江特大橋主纜防護(hù)體系，高速公路通車(chē)試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，產(chǎn)品的耐候性和耐黃變性能良好。