金沙江金东大桥主缆涂装推荐方案.doc

金沙江金东大桥主缆防腐涂装推荐方案郑州中原应用技术研究开发有限公司2012年5月一 国内主要悬索桥梁主缆涂装体系1 悬索桥主缆涂装工程的立项研究背景悬索桥梁主缆是全桥的承力结构，是全桥的生命线，其设计寿命一般要求在100年以上，在桥梁寿命内是不可更换的。因此，确保其技术安全的防腐涂装工程是全桥建造过程中的重点项目。由于国内建造大型现代化悬索桥的时间较晚，以前没有对该项目进行过专门研究，如果仅依赖国外材料来建造中国的悬索桥梁，势必将在造价、配料供应、维修服务等方面被制约，这对我国悬索桥梁的建设是很不利的。为此，郑州中原应用技术研究开发有限公司多年来致力于桥梁耐老化技术性进步，进行立项研究，结合悬索桥主缆特点，参考国外最新技术水平，从材料选型、施工工艺研究、模拟试验、老化寿命评估等多方面进行系统研究，提出了一套完整的主缆防护涂装体系方案，通过多年的技术改进和工程实践，不断的发展完善，有了自己完整的防腐体系。2 国内涂装材料的主要技术特点我国虽然在上世纪后期修建了60多座现代悬索桥梁，但跨径小，桥面窄，载荷标准低，真正建造大型现代化悬索桥梁应该只是从上世纪90年代才开始的。随着我国第一座现代化大跨径悬索桥汕头海湾大桥（主跨452m）的建成, 我国现代悬索桥梁的建设进入了一个快速发展的时期。如已建成的润扬长江大桥（主跨1490m）和舟山西堠门大桥（主跨1650m）使我国悬索桥梁设计和施工水平已迈入国际先进水平行列。我国主要主缆涂装体系见下表: 国内主要悬索桥梁主缆涂装体系涂装部位江阴桥体系虎门桥体系润杨桥体系汕头海湾桥、西陵桥体系海沧桥、宜昌桥、西堠门桥等体系主缆缠丝前锌粉膏聚氨酯密封胶干躁空气通风系统聚异丁烯不干性密封膏磷化底漆聚异丁烯不干性密封膏缠丝圆形钢丝圆形钢丝S形钢丝圆形钢丝圆形钢丝主缆缠丝后磷酸锌环氧底漆云铁酚醛中间漆醇酸面漆聚氨酯密封胶聚氨酯涂料柔性环氧中间漆氟碳面漆环氧云铁底漆聚氨酯面漆磷化底漆环氧云铁底漆聚硫橡胶聚氨酯面漆施工时间1999年1997年2004年1996年1999年其中，汕头桥、江阴桥在投入运行几年后，由于主缆表面仅进行了涂料涂装，防护等级较低，已分别于2003年和2006年对主缆表面进行了大修，加涂了一层聚硫橡胶密封剂层。类似主缆涂装方案的西陵桥已运行十年，目前主缆涂装大修方案已经立项。另外，1996年建成的丰都桥采用了一种沥青+水泥粉的主缆涂装方案，是一种刚性体系。国内还有几座小型悬索桥梁主缆采用了从国外进口的氯丁橡胶包覆层进行主缆表面防护。3、各类体系防腐效果分析（1）江阴大桥体系 采用英国的技术，与同期建成的香港青马大桥的方案基本相同。 其缠丝前采用的油性锌粉密封膏对主缆钢丝有阴极保护作用，防腐蚀机理是有明显效果的，但其比重达78，对主缆的增重较大，而且粘接性也较差。 由于圆形钢丝缠丝不可避免会出现不均匀缝隙，因此缠丝后仅涂几道油漆不可能完全有效保护，香港青马大桥即出现主缆表面局部地方有油漆开裂脱皮的现象。 江阴桥已于2006年用聚硫橡胶密封剂、聚氨酯油漆进行了主缆防护大修，提高了主缆防护等级，取得了明显的效果。（2）虎门大桥体系 其主要特点是在缠丝前后均采用了一种美国进口的聚氨酯腻子，防护总厚度达到5cm，形成了一个整体的橡胶防护层，具有较高的防护等级。 材料的采购、运输、施工成本较高，在虎门桥之后，国内没有再使用过。 聚氨酯腻子寿命为40年，维修拆除缠丝，难度大。 聚氨酯腻子施工受温、湿度限制，对环境条件要求较高。（3）润扬大桥体系 采用S型钢丝缠丝加装通干燥空气系统，有效地去除主缆空隙中的水分，确保主缆内部保持相对较低的空气湿度，从而达到防锈的目的。 该体系中的防护材料如柔性环氧，含氟聚氨酯涂料，以及索夹密封用的有机硅密封胶都代表了世界新材料的发展方向。 但其缠丝前没有腻子密封，缠丝后只有200m的涂料保护，其防护厚度等级显得有些单薄，防腐效果有待于运行过程中验证。 造价相对较高，其性价比值得考虑。（4）汕头海湾桥、西陵桥体系 汕头桥在投入运行几年后，由于主缆表面仅进行了涂料涂装，防护等级较低，已于2003年对主缆表面进行了加强，加涂了一层聚硫橡胶密封剂层。西陵桥已运行十年，目前主缆涂装等级增强方案已经立项，于近期准备大修施工。 （5）国内悬索桥使用最为成熟的主缆防护体系 主要结构为“不干性密封膏+缠丝+聚硫橡胶包覆层+油漆系统重防腐涂装材料”，索夹等结构缝隙采用聚硫橡胶密封剂做防水密封。 该体系已成功应用于我国近年来新建造的几十座大型悬索桥梁主缆防护，从材料和工艺来看，技术已基本成熟，完全满足了主缆防护技术要求。 2007年该体系列入国家交通行业标准，JT/T 694-2007悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件。该标准也是世界上首个有关悬索桥主缆系统防腐涂装的行业标准，应该说对国内悬索桥主缆系统防腐涂装技术方案的选择具有较强的实际意义。二、金东大桥主缆防护涂装推荐方案1、工程概况: 金东大桥位于四川省会东县和云南东川区之间，意为将云南东川区、会泽县及四川会东县、会理县四地交接，建起了连接两地的金色大桥。地处东川金沙江水域的格勒片区是川、滇两省重要的物资集散地，目前的2个渡口是东川和会东之间交通运输的主要途径之一。金东大桥总投资3.8亿元人民币，桥型采用悬索桥，主跨730米，总长914.1米，桥面高程850米，双向4车道，设计速度每小时40公里。金东大桥的建成将活跃两省经济的发展，进一步加强东川与会东之间的交流，使两地的产业资源得到有效整合。2、金东大桥主缆防护工程技术方案我公司针对金东大桥主缆现设计防腐涂装体系，以及现有悬索桥运营中主缆所出现的问题，在JT/T694-2007体系的基础上，为解决主缆内部存在水汽问题产品增加吸湿转化性能，且对主缆其他结构薄弱部位做了全方位的密封防护方案，从根本上解决主缆腐蚀问题，确保整个桥梁主缆处于安全有效服务状态。2.1主缆缠丝段防护方案说明防护涂装部位 涂装用料 干膜厚度（m） 主缆缠丝区MF2000F非硫化不干性防腐密封胶、 （吸湿性） 3500(填满结构缝隙)缠丝钢丝 圆形钢丝环氧底漆 80MF860F聚硫防腐密封胶2500聚氨酯面漆80主缆缠丝段防护方案示意图镀锌高强钢丝MF2000F非硫化不干性防腐密封胶（吸湿性） 镀锌钢丝聚氨酯面漆环氧底漆MF860F聚硫防腐密封胶刮涂MF2000F非硫化不干性防腐密封胶（吸湿性）缠丝后刷涂环氧底漆刮涂MF860F聚硫防腐密封胶刷涂聚氨酯面漆2.2主缆非缠丝段防护方案说明防护涂装部位防护涂装部位干膜厚度（m）主缆非缠丝区环氧底漆均匀着色MF860F聚硫防腐密封胶5000高强玻璃布2道聚氨酯面漆80主缆非缠丝段防护方案示意图聚氨酯面漆MF860F聚硫防腐密封胶高强玻璃布环氧云铁底漆镀锌高强钢丝刷涂环氧底漆MF860F聚硫防腐密封胶高强玻璃布或橡胶涂胶布刷涂聚氨酯面漆2.3主缆其他部位防护技术方案说明防护涂装部位防护涂装部位干膜厚度（m）结构缝隙（索夹环缝、对接缝、骑跨式索夹槽缝、吊索夹具、减振器、索鞍顶口处等） MF2000G非硫化不干性防腐密封胶结构缝内密封MF860F聚硫防腐密封胶结构缝外密封索夹环缝密封索夹对接缝密封鞍座顶口密封施工操作图索股锚头防腐密封示意图 吊索密封示意图由于吊索锚头附近受力较为复杂、并且容易受到腐蚀，是结构薄弱环节。对吊索防护提出以下方案:施工要求“： 1、在下端锚头套筒与双层PE保护套 之间灌注MF2000G非硫化不干性防腐密封胶； 2、在下端锚头套筒与双层PE保护套接口处涂抹PE粘接剂。3、防护密封材料性能介绍3.1MF2000F非硫化不干性防腐密封胶： 单组份不干性密封胶，与各种金属、玻璃、陶瓷等材料有良好的粘附性。 有良好的密封防腐性能。 对普通碳钢和镀锌钢材等金属材料有阻蚀保护性能。 在-4090工作温度范围内可长期保持可塑性。 在密封空间内使用寿命可达80100年。 可有效吸收和转化主缆表面及空隙中的水汽。3.2MF860F聚硫防腐密封胶： 高拉伸强度和粘接强度，弹性好。 优异的耐水稳定性。 工作使用温度范围为-40120，常温固化 良好的绝缘性能，防止电腐蚀。 优异的耐腐蚀性能 综合老化性能寿命达80100年。3.3环氧云铁底漆： 抗渗屏蔽作用：降低涂层的透水性、透气性，抵抗水、氧、电解质腐蚀。 钝化缓蚀作用：钝化金属表面，具有长效的缓蚀作用和高度抗腐蚀性能。 具有优异的耐盐雾、耐湿热、耐碱、耐水和耐油性能。 施工简便易行，可用刷涂、辊涂或喷涂方法施工。 施工可在温度在5、相对湿度（RH）90%条件下进行。 涂层使用温度为-50120（空气中）、-3060（介质中）。3.4丙烯酸聚氨酯面漆： 优异的耐紫外线老化性能、耐黄变性能和保色性能。 优秀的耐湿热性能、耐盐雾性能和耐水性能。 优良的耐化学介质性能。 优秀的外观装饰性。 良好的柔韧性和抗拉伸性。 易于用涂刷、滚涂和喷涂方法施工。 可在040条件下施工。涂层可长期在-50-120（空气中）温度下使三、推荐方案优势采用MF2000F非硫化不干性防腐密封胶刮涂，阻隔水汽；腻子本身长期保持黏弹性状态，不会干裂，本身不挥发、不亲水；里面有阻蚀剂、起到阴极保护作用；有钝化剂，与钢丝表面残留水分反映形成钝化液，阻止进一步腐蚀；MF2000F非硫化不干性防腐密封胶是一种单组分非硫化、中性不干性、橡胶型密封胶，具有良好的柔软性和伸缩性，也具有很好的密封性、耐水和耐老化性，与金属、玻璃、陶瓷等材料都有良好的粘附性。该产品由聚异丁烯、吸水剂、阻蚀剂、填充剂和其它助剂组成。具有永久不干性特征，水汽透过率极低，保证了产品的密封性能，同时聚异丁烯不饱和度极低，且侧链均为甲基，且其分子构型呈螺旋状，分布在螺旋两边的每一对甲基彼此都错开一个角度，所以整个分子链相当柔顺、弹性较好、玻璃化温度较低，具有优良的耐老化性能；吸水剂对所填充空腔内残留的水分进行吸收，保证腔体处于干燥环境，阻蚀剂可与进入空腔内的微量水分形成钝化液，进一步阻止基材表面腐蚀。该防腐体系中使用的MF860F聚硫防腐密封胶是以液态聚硫橡胶为基料配制而成的双组分常温固化聚硫密封胶。常温下固化成弹性体，具有优异的耐油、耐水、耐老化、耐腐蚀性能，并且弹性好、粘结力强，对基材有良好的粘接性。MF860F聚硫防腐密封胶的骨架材料是液体聚硫橡胶，其分子式为HS(C2H4OCH2OC2H4SS)n-C2H4OCH2OC2H4SH，分子链为饱和的C-C键和S-S键，且支链末端含有活泼的端巯基（-SH），因此它具有良好的耐溶剂、耐老化、耐冲击性能，以及较低的透气率和优良的低温挠曲性。MF860F聚硫防腐密封胶的固化是由A组分中的液体聚硫橡胶(R-SH)和B组分中的固化剂(金属过氧化物等)发生化学反应成为网状结构的弹性体。其较低的透气率可以有效地抵制大气中水汽对金属的侵蚀，达到良好的防腐蚀功能。另外MF860F聚硫防腐密封胶中不含溶剂及小分子物质，属于环保无毒产品，对基材有良好的粘接性，密封材料所形成的包复层（实际上是一层橡胶膜），其分子网络结构是致密的。它可有效的阻止水、气等腐蚀介质分子通过，从而把腐蚀源挡在被密封材料之外起屏蔽作用。MF860F聚硫密封胶有良好的涂覆性能，于表面涂刷的漆有良好的相容性，粘接能力非常好。四、附录悬索桥主缆丁基防腐胶吸水能力计算已知参数：主缆直径：D=2R（cm）；主缆空隙率：18%；主缆空隙内相对湿度由100%下降至40%； 25下水的饱和蒸汽压为P=3169Pa；主缆长度L=1m=100cm。丁基防腐密封胶：吸水剂5%(质量份)；吸水剂的有效吸附能力：20%；密度=1.37 g/cm3；胶层厚度H=2.5mm=0.25cm。计算：1、丁基防腐密封胶的用量（g）： M=3.14DLH =3.142R1000.251.37 =215.09R -（1）2、丁基防腐密封胶的有效吸水量（g）: M1=M5%20% =215.09R5%20% =2.1509R -（2）3、主缆的体积为(cm3): V=3.14R2L =3.14R2100 =314 R2 -（3）4、主缆的空隙体积为(cm3)：V1=V18% =314 R218% =56.52 R2cm3=5.65210-5 R2m3-（4）5、理想气体状态方程pV =nRT=mRT/M a、相对湿度100%时，1m3空气中含有的水分（g）：m1=PVM/RT=3169118/(8.314298.15) =23.01b、相对湿度40%时，1m3空气中含有的水分（g）：绝对湿度气压=饱和蒸气压相对湿度 =316940% =1267.6Pam2=PVM/RT=1267.6118/(8.314298.15) =9.26、主缆空隙内相对湿度由100%下降至40%需要吸收掉的水分量（g）： M2=V1(m1-m2) =5.65210-5 R2（23.01-9.2） =7.810-4 R2 -（5）要求：丁基防腐密封胶的有效吸附量M1不小于主缆空隙内相对湿度由100%下降至40%需要吸收掉的水分量。 M1M2 2.1509R7.810-4 R2 R2757.6实例1：主缆直径D=500mm；主缆长度L=1m。 1、依据公式（2）丁基防腐密封胶的有效吸附量为（g）： M1=2.1509R =2.150925 =53.77 2、依据公式（5），主缆空隙内相对湿度由100%下降至40%需要吸收掉的水分量（g）：M2=7.810-4 R2 =7.810-4252=4.87 M1/M2=53.77/4.87=11.04所以丁基防腐密封胶的吸附能力远远高于主缆间隙内的水分（11倍左右）。进而保证主缆内的干燥。实例2：主缆直径D=1000mm；主缆长度L=1m。 1、依据公式（2）丁基防腐密封胶的有效吸附量为（g）： M1=2.1509R =2.150950 =107.55 2、依据公式（5），主缆空隙内相对湿度由100%下降至40%需要吸收掉的水分量（g）：M2=7.810-4 R2 =7.810-4502 =19.50 M1/M2=107.55/19.50=5.5以丁基防腐密封胶的吸附能力远远高于主缆间隙内的水分（5.5倍左右）。进而保证主缆内的干燥。MF860F聚硫防腐密封胶寿命研究现在悬索桥主缆防腐涂装用材以JT/T694-2007悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件为依据，该防腐体系在一定条件下对主缆防护起到有效防护。针对悬索桥所处的复杂环境和施工中所存在的问题以及标准中腐蚀指标和老化指标单一的问题，我公司对MF-860F聚硫防腐密封胶进行了性能指标完善和密封胶寿命进行研究，以求更好的产品应用到工程项目中保证桥梁寿命。一、针对主缆内部水汽存在对主缆造成腐蚀进行产品改进MF860F聚硫防腐密封胶中不含溶剂及小分子物质，属于环保无毒产品，对基材有良好的粘接性，密封材料所形成的包复层（实际上是一层橡胶膜），其分子网络结构是致密的。它可有效的阻止水、气等腐蚀介质分子通过，从而把腐蚀源挡在被密封材料之外起到屏蔽作用。现实主缆在进行防腐涂装施工时，如遇上阴雨天气且施工现场覆盖不完全，则会有雨水流进主缆内部，大部分的雨水会顺着预留的通道流出来，但是还是有部分水滴存在于主缆内部，防腐密封胶及油漆一旦涂装上，主缆形成一个密闭的空间，内部的水分排不出来，长时间便会对主缆造成腐蚀。针对此现象对我公司聚硫、丁基防腐产品进行改进，增加特殊助剂，可吸收主缆内的水汽，形成钝化液，从而有效保护主缆系统。二、介电性能的增加桥梁在使用过程中，由于表面电化学性的不均匀，从而产生了许多极小的阴极和阳极，构成了无数的微电池，会产生电化学腐蚀。据了解，电压超过4V即可对桥梁造成腐蚀。如果主缆使用的防腐密封胶没有绝缘性能，电流可通过密封胶对主缆系统造成腐蚀，长时间可形成局部腐蚀、点腐蚀等，从而对主缆造成不可修复的破坏。经检测，860F的体积电阻率为1.61010，表面电阻率为31011，一般认为体积电阻率1109即为绝缘体，即我公司的聚硫防腐密封胶为绝缘性能好。经检测，MF860F的导热系数为0.31，导热系数较低，即不导热。说明MF860F绝热绝缘，有利于阻止电热腐蚀，延长桥梁寿命。三、盐雾、酸雾腐蚀试验的增加桥梁所处环境复杂腐蚀因素较多且严峻，我公司在JT/T 694-2007浸泡盐水试验480h的基础上增加EN15434标准的盐雾实验延长试验时间至960h，增加酸雾试验时间为960h，以验证MF860F聚硫防腐密封胶的防腐性能。1、参照JT/T 694-2007标准，分别进行了在标准条件下放置7天，120放置7天，以及3% NaCl溶液中60浸泡20天的实验；试验结果如表1所示：实验方法实验结果标准要求257d拉伸强度（MPa）2.662.5JT/T 694扯断伸长率(%)325250JT/T 694剥离强度（kN/m）10.374JT/T 6941207d拉伸强度（MPa）2.532.0JT/T 694扯断伸长率(%)486150JT/T 694剥离强度（kN/m）11.763% NaCl溶液中6020天耐腐蚀性金属表面不腐蚀，密封剂不变质金属表面不腐蚀，密封剂不变质2、参照EN15434标准进行了盐雾实验(480h)，结果如表2所示：表2：实验方法实验结果标准要求3% NaCl盐雾（实做）960h拉伸强度（MPa）2.10EN15434扯断伸长率(%)324EN15434剥离强度（kN/m）3.37EN154343、参照EN15434标准进行了酸雾实验(480h)，结果如表3所示：表3：实验方法实验结果标准要求SO2气体酸雾（实做）960h拉伸强度（MPa）2.60EN15434扯断伸长率(%)345EN15434剥离强度（kN/m）15.47EN15434四、密封胶老化试验的增加JT/T694-2007标准中对老化试验性能指标较少，我公司对MF860F聚硫防腐密封胶进行了能体现密封胶寿命的紫外老化2500h和水紫外老化1500h试验,且把制好的MF860F试样放入盐雾试验箱，酸雾试验箱，力学性能无退化。并且参照美国、欧盟、以及国内标准对材料老化的实验方法，采用加速老化以及长期老化的对比方法对MF860F聚硫防腐密封胶的寿命进行了研究。 1、根据实际应用进行了室外暴晒实验，结果如表4所示：表4室外暴晒2500 h拉伸强度（MPa）2.01扯断伸长率(%)316剥离强度（kN/m）16.062、参照UL1703进行了高温高湿实验，结果如表5所示： 表5T:85 RH:85% 2100h拉伸强度（MPa）2.86UL1703扯断伸长率(%)547UL1703剥离强度（kN/m）6.50UL17033、参照EN 1279进行了低温实验,，结果如表6所示：表6