李嘉明，崔立川

(1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510623；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

1 工程概况

广东省汕(头)至湛(江)高速公路清远清新至云浮新兴段西江特大桥为双塔双跨吊钢箱梁悬索桥(图1)，跨径布置为4×47m+202m+738m+204m，矢跨比为1:9，主缆横桥向中心间距为31.2m。

图1 西江特大桥桥型布置

悬索桥的主缆腐蚀问题是一个世界性的问题。传统的防腐手段将主缆用腻子、缠丝、涂层形成封闭密封，即Roebling体系，原理是形成一个密闭空间，防止主缆被外界空气腐蚀，事实证明，效果很不理想[1]。开缆检测实例表明，传统Roebling体系中的主缆钢丝镀锌层10年左右就会出现较大面积的腐蚀状况(图2)，到30年主缆钢丝将会受到严重腐蚀影响[2]，如图3所示。

图2 使用10年的主缆表面及缠丝内层

主缆的密封材料作为主缆防护体系最为重要的组成部分，其种类以及特性几乎决定了主缆防护体系的使用寿命。缠包带是一种合成橡胶材料(图4)，呈带状，在主缆表面进行缠绕、叠合、热熔接后形成主缆密封层[3]，其涉及的技术参数和工艺(如缠绕力、叠合宽度，热熔时间、温度、压力，索夹接头处的密封设计等)是确保密封效果的关键[4-5]。

图4 缠包带

图5 缠包带施工

缠包带的国产化进程需要通过整合国内资源，从氯磺化聚乙烯原材料、产品工艺及施工装备的完全国产化替代，并结合国内需求对其彩色产品色牢度、表面耐脏污等不足进行技术创新。本文针对CSM基本配方进行相应的变量试验，从而获得满足性能指标要求的材料，并应用于西江特大桥主缆防护体系。

2 CableGuard产品替代方案

CableGuard产品是一种基于改性氯磺化聚乙烯橡胶材料制造而成的一种高性能橡胶带。氯磺化聚乙烯是以聚乙烯主原料经氯化、氯磺化反应而制得的具有高饱和化学结构的含氯特殊弹性体材料，属高性能品质的特种橡胶品种[6-7]。

为了确保其材质为氯磺化聚乙烯，对CableGuard样品进行了红外分析。从红外图谱(图6)中在波长1 375cm-1附近发现了氯磺酰基的特征吸收峰，在波长为760cm-1附近发现了C-Cl键的伸缩特征峰，支持其为氯磺化聚乙烯的特点。

图6 CableGuard产品红外图谱分析

对CableGuard产品进行热失重分析(图7)，测试结果显示产品含胶量约为45%。

图7 CableGuard产品热失重分析结果

CableGuard产品总厚度约为1.10mm，中间采用了涤纶纤维作为增强材料。为了保证缠包带有足够的层间剥离力，纤维层采用的是网格布的形式，网格尺寸约为3mm。为了保证CableGuard产品经向和纬向强度相当，采用经纬丝等纤度和密度的网格布，经过分析确定为500D×500D涤纶经编网格布。经编网格布具有粗大的网格，上下层结构在复合的过程中加热受压，胶料可以产生一定的流动，透过中间的网格相互粘接在一起，形成足够的结合力。这种结构设计改进了对传统橡胶布制造过程中给中间纤维布上胶以提升胶与布粘接性能的传统做法，这样处理既环保，避免网格布上胶时大量VOC排放，又简化了生产工艺流程，同时又可以很好地满足缠包带应用场合的强度要求(图8～图9)。

图8 缠包带结构

图9 缠包带增强网格布

经深入剖析和借鉴了CableGuard产品结构后，在其基础上进行必要的性能提升(表1)，初步制定国产化主缆缠包带的结构参数目标。为了进一步提高缠包带的密封性和抗拉强度，将产品总厚度增加到1.2mm，且对产品经纬方向的纤维进行加密，强度加大，以提高产品的总体性能。

表1 CableGuard缠包带样品实测值及研发目标

3 设计原理

橡胶材料交联后分子结构由线状转变成网状结构[8]，赋予材料更稳定的化学性能，可以为材料提供较好的抗老化性能，但同时也丧失了其高温流动性以及热熔粘接性能。为了平衡两者的关系，根据缠包带的使用特点，将缠包带分成内外层不同的材料，外层材料为正硫化氯磺化聚乙烯材料，保证其分子结构内部完全反应，形成致密的网状结构，分子链段处于完全冻结的状态，更好地抵御紫外线；内层采用半硫化的氯磺化聚乙烯材料，聚合物内部大部分的分子链在高温条件下仍可以运动，保证其热塑性，在高温条件下可以与外层的橡胶材料形成有效粘接(图10)。

图10 缠包带结构设计

4 产品配方设计及研发

4.1 外层材料配方

试验的材料以CSM为主要原材料，按照45%～50%的含胶量进行配方设计，辅助添加用于改善CSM材料性能的助剂用于调节材料的性能，使其达到一定的试验要求。选取最优配方进行后续试生产，配方主要组成有：氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、 煅烧高岭土、三氧化二锑、钛白粉、氢氧化铝、硼酸锌、磷酸三甲苯酯、季戊四醇、四硫化双五亚甲基秋兰姆、N,N′-间苯撑双马来酰亚胺、氧化镁、抗老剂等。

根据配方中材料种类与配比的不同组合成6个不同的配方，分别测试样品的硬度、拉伸强度、断裂伸长率以及耐热空气老化等性能(表2)。

表2 缠包带外层材料试验数据

由表2可见，CSM-3号配方在硬度、拉伸强度以及热空气老化后的拉伸强度及断裂生产率等方面总体优于其他配方，因此，选择CSM-3配方的材料的应用配方，并对其展开进一步试验，确定材料的参数。

4.2 内层材料配方

考虑缠包带内外层材料的相容性，减少产品生产过程中混炼胶生产时因配方种类过多造成生产中不必要的错误，缠包带内层材料在外层材料CSM-3配方的基础上进行调整，主要改动之处为配方中的硫化体系，适当增加配方中热塑性材料的比例，目的是使内层材料在后续施工过程中发挥热熔粘接的功能。

表3 缠包带内层材料试验数据

从试验结果看，CSM-3-3号配方样品具有更好的粘接剥离强度，适合用于缠包带内层结构，因此以此配方为基础进行缠包带样品试生产。

4.3 成品性能

按照上述配方进行缠包带样品试制，中间层采用1 000D×1 000D，9×9涤纶经编网格布制样，对样品进行全面测试，测试结果见表4。

表4 主缆密封材料检测数据

5 结论

本次研发以氯磺化聚乙烯为原材料，产品工艺和研发工艺完全国产化替代，并结合国内需求对其彩色产品色牢度差、表面耐脏污等不足进行技术创新，得到物理性能与CableGuard体系相比具有明显提升的国产化缠包带。深入剖析和借鉴了CableGuard产品结构后，将产品总厚度增加到1.2mm，且对产品经纬方向的纤维进行加密，最终研发出的产品硬度、拉伸强度、扯断伸长率等性能指标达到技术要求。产品已应用于西江特大桥主缆防护体系，高速公路通车试运营以来，产品的耐候性和耐黄变性能良好。