應(yīng)用聚脲技術(shù)提高橋梁拉索HDPE護(hù)套的耐久性

植磊 黃永玖 馮高郵 任顯誠(chéng)

摘 要：橋梁拉索是橋梁的核心構(gòu)件，按照設(shè)計(jì)要求壽命一般達(dá)到70年以上，實(shí)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(hù)套在制索過程中自身應(yīng)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(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)大導(dǎo)致護(hù)套橫向斷裂，雨水浸入拉索內(nèi)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(yōu)越的聚脲材料對(duì)拉索HDPE護(hù)套進(jìn)行防護(hù)，隔離太陽紫外線的照射，將會(huì)成倍的延長(zhǎng)HDPE護(hù)套老化壽命，同時(shí)也對(duì)橋梁的使用帶來巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：聚脲技術(shù);橋梁拉索;HDPE護(hù)套;耐久性

1 方案背景

拉索是支承橋梁及建筑的核心構(gòu)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(shè)計(jì)壽命一般達(dá)70年甚至100年以上，而實(shí)際拉索的使用壽命卻往往不到25年，有的拉索甚至僅僅數(shù)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(jīng)濟(jì)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(hù)套內(nèi)部應(yīng)力的綜合作用下，HDPE護(hù)套極容易在迎光面產(chǎn)生環(huán)向裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)大，外層護(hù)套斷裂引起拉索內(nèi)部鋼絞線/鋼絲腐蝕生銹，如下圖1為拉索外層HDPE護(hù)套出現(xiàn)應(yīng)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(duì)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(cái)產(chǎn)的浪費(fèi)和重大事故的發(fā)生。

2 技術(shù)手段

目前《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》GB/T 18365-2018要求拉索外層護(hù)套采用HDPE（高密度聚乙烯）材料制作，HDPE護(hù)套是通過熱擠方式包覆于高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線上，形成拉索的外層防護(hù)。HDPE材料雖具有優(yōu)異的力學(xué)性能及良好的耐熱性，但當(dāng)HDPE材料處在應(yīng)力狀態(tài)下同時(shí)受到太陽紫外線照射時(shí)，護(hù)套容易開裂，導(dǎo)致圖1所示的索體危害。由于HDPE護(hù)套是通過熱擠工藝，在加工過程中自身應(yīng)力狀態(tài)難以消除，以及拉索在施工掛索工程中容易造成HDPE護(hù)套損傷與拉裂，加上拉索自身交替索力下又會(huì)導(dǎo)致HDPE護(hù)套應(yīng)力增加及疲勞，所以在HDPE護(hù)套外層增加一層紫外線隔離防護(hù)層成為目前橋梁拉索界應(yīng)對(duì)HDPE開裂的共同辦法，目的就是為了最大程度的延長(zhǎng)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(jīng)高溫高壓設(shè)備噴涂而成的彈性體。它有優(yōu)異的抗沖擊性、抗疲勞性、耐老化性，同時(shí)兼具優(yōu)良的耐候性。因此采用聚脲作為產(chǎn)品的最外層防護(hù)，抵擋太陽紫外線的照射、雨水的沖刷以及各種介質(zhì)的腐蝕，已經(jīng)被各類工程應(yīng)用證明是一種十分可行的技術(shù)方案，并且在軍事防護(hù)、大型水壩、海洋與化工等工程上成功應(yīng)用，廣受認(rèn)可。

4 橋梁拉索HDPE護(hù)套表面涂覆聚脲涂層的老化壽命對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：HDPE樣品和聚脲材料;

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：紫外線輻照老化試驗(yàn)箱，四盞老化燈，總輻照量為14 W/m2;

實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)懸掛，下面懸掛重物提供相同負(fù)荷（負(fù)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(zhǎng)達(dá)到貫穿樣條寬度時(shí)，將涂覆了聚脲的一組HDPE樣品（2#）剝?nèi)ゾ垭灞Ｗo(hù)層，繼續(xù)老化。待2#樣品裂紋也發(fā)展到貫穿整根樣條寬度時(shí)，剝?nèi)チ硪唤MHDPE樣品（3#）的聚脲層，繼續(xù)老化;3#樣品裂紋貫穿樣條寬度，剝?nèi)?#樣品的聚脲層，觀察HDPE的裂紋發(fā)展過程和聚脲涂層的變化情況。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

未涂覆聚脲的HDPE樣條（1#）在老化初期72 h內(nèi)沒有裂紋產(chǎn)生，顏色逐漸變深，表面光澤度降低;老化96 h，表面產(chǎn)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(chǎn)生垂直于應(yīng)力方向的一次裂紋，還產(chǎn)生了平行于應(yīng)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(dá)到設(shè)定的老化終點(diǎn)。

360 h時(shí)剝?nèi)?#HDPE樣條的聚脲層，此時(shí)觀察2#HDPE樣品在聚脲保護(hù)下的外表面完好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)，但剝?nèi)ゾ垭鍖雍?，HDPE樣條表面裂紋的生長(zhǎng)情況開始同1#HDPE樣的裂紋生長(zhǎng)情況類似，裂紋寬度隨老化時(shí)間增加而增加。在總老化時(shí)間696 h，剝?nèi)ゾ垭鍖雍?36 h時(shí)觀察到裂紋寬度達(dá)到36 μm。

3#HDPE樣品在總老化時(shí)間達(dá)到768 h時(shí)剝?nèi)ゾ垭鍖?，此時(shí)觀察HDPE樣條表面并沒有出現(xiàn)裂紋，在剝?nèi)ゾ垭鍖又罄^續(xù)老化HDPE樣條表面也開始出現(xiàn)裂紋生長(zhǎng)，在總老化時(shí)間達(dá)到1 104 h時(shí)，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(shí)間達(dá)到1 104 h時(shí)剝?nèi)ゾ垭鍖?，此時(shí)樣品表面無裂紋;剝?nèi)ゾ垭灞Ｗo(hù)層之后裂紋發(fā)展?fàn)顩r與1～3#樣條類似;總老化時(shí)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(shè)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(shí)間的關(guān)系如圖2。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

以裂紋生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)裂紋寬度達(dá)到36 μm作為老化失效終點(diǎn)，則1#樣品在加速試驗(yàn)條件下的使用壽命為360 h，因?yàn)橛芯垭鍖拥谋Ｗo(hù)，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(xiàn)破壞），內(nèi)部的HDPE在768 h時(shí)沒有出現(xiàn)裂紋。即使按照4#樣條在總老化時(shí)間為1 104 h后聚脲層完全損傷破壞了，內(nèi)部HDPE裂紋發(fā)展到失效終點(diǎn)也需要約1 440 h，即達(dá)到未噴涂聚脲的HDPE樣品使用壽命的4倍（1 440/360）以上。根據(jù)相同條件下高強(qiáng)度老化因子加速試驗(yàn)過程中不同組樣品的使用壽命相對(duì)比值等于在實(shí)際戶外長(zhǎng)期低強(qiáng)度老化時(shí)樣品的實(shí)際使用壽命相對(duì)比值的原理，我們可以得出如下結(jié)論：經(jīng)過聚脲噴涂HDPE護(hù)套實(shí)際使用壽命可以達(dá)到未噴涂聚脲的HDPE護(hù)套使用壽命的四倍以上。

5 結(jié)語

通過將拉索HDPE護(hù)套表面涂覆聚脲涂層后隔離太陽紫外線的原理，已經(jīng)成功在四川、山西、浙江、兩廣、湖南等地拉索HDPE護(hù)套采用，通過持續(xù)數(shù)年觀測(cè)，外層的聚脲涂層除光澤稍有點(diǎn)變?nèi)跬?，不僅沒有出現(xiàn)可見裂紋，而且顏色也保持良好。按照目前常規(guī)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(shù)進(jìn)行紫外線隔離防護(hù)，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(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還能獲得深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

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