胶粘剂在钢桥梁中的应用

刘军成

摘 要：钢结构本身重量轻、耐久性好，良好的韧性和可塑性。使其本身具备耐压性、拉伸和切割强度都比较高，抗震性能优。钢桥相对于传统的混凝土桥相比，具有加工简单，安装方便，施工周期短，安全系数高等优点。由于其众多的突出优点，使得钢桥梁自使用之日起便得到了快速地发展。文章阐述钢桥的发展和总结了钢结构桥梁所用的胶粘剂种类。

关键词：钢桥梁;发展;粘接胶;防护密封胶

中图分类号：TQ437 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0027-04

Application of Adhesive in Steel Bridge

Liu Juncheng

（China Railway Shanqiao Group Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066200， China）

Abstract：Steel structure itself is light weight， good durability， good toughness and plasticity. It has high pressure resistance， tensile strength and cutting strength， and excellent seismic performance. Compared with the traditional concrete bridge， steel bridge has the advantages of simple processing， convenient installation， short construction period and high safety factor. Because of its many outstanding advantages， the steel bridge has been developed rapidly since it was used. This paper describes the development of steel bridges and summarizes the types of adhesives used in steel bridges.

Key words：steel bridge; development; adhesive; protective sealant

0 引言

在跨越山川江河、不良地质和满足交通需求方面，桥梁发挥着极其重要的作用。桥梁的出现及发展为我国的经济、文化及国防等方面做出了巨大贡献。近年来，随着城市化进度不断地加快以及交通运输的压力增大，桥梁扮演的角色越来越重要，桥梁作为公路建设项目中的主要组成部分，其结构的耐久性及桥面的使用功能也越来越受到重视[1]。现代化的桥梁不能仅仅满足于交通，而且更应具有抵抗和传递汽车荷载的能力，良好的平整性、抗滑耐磨耗性，为汽车提供安全、舒适、快速的行驶道面。自钢筋混凝土桥梁问世以来就倍受人们的青睐，这是因为混凝土桥梁有着压缩强度高、刚度大、价格低廉，后期养护费用较低，行车噪声小等优点，混凝土桥梁逐渐完全替代了古老的木结构桥梁。钢筋混凝土桥梁在承受荷载时，由于其中混混凝土压缩能力强和钢筋拉申的作用，使得钢筋混凝土桥梁有着压缩强度高、刚度大等优点。所以混凝土桥梁到目前为止用的最多最广的一种桥梁。然而由于桥梁长期暴露于空中以及长期承受运输压力，各种各样的耐久性问题也会随之出现。比如大气中的二氧化碳随着时间的推移就会不断地浸入到桥梁里面，当二氧化碳浓度到达一定的程度时就会破坏钢筋表面的钝化膜导致钢筋锈蚀，从而产生顺筋裂縫、引起构件损伤、造成混凝土保护层开裂等一系列不良后果，如不及时处理就会造成不可挽回的损失[2-5]。除此之外，混凝土桥梁存在自重较大、工期长及施工工艺较复杂等缺点，研究者们将目光开始转向钢结构桥梁。相对混凝土桥梁，钢结构桥梁有着加工简单，安装方便，施工周期短;钢结构桥梁韧性及抗震性好。正是因为钢桥具备这些混凝土桥无法比拟的优点，才使得钢桥自使用之日起便得到了快速发展。

1 钢桥梁的发展

大跨度空间建桥以及跨建筑物建桥对于传统的钢筋混凝土桥梁来说是一件很艰难的事情，即使建造成功，也必将耗费大量的人力、财力、时间。自从钢结构的桥梁的问世，就轻而易举地解决了这些问题[6]。钢结构桥前身其实就是铁桥由英国建造的第一座，到了19世纪40年代才出现钢材，进而在1890年才真正意义上建造了第一座钢桥，从此才算进入钢桥时代[7-8]。后来人们发现钢结构建造的桥梁，后期的防腐保养更浪费财力及人力。于是，在1933年美国的Stell公司率先研制出耐候桥梁钢并推出“COR-TEN”型低合金耐候钢的工业化产品，到了1974年人们将70W和100W等高强度耐候桥梁纳入了标准;20世纪90年代以来在美国出现了HPS系列的高性能钢，使得钢结构桥梁发展更多元化和更加实用[9-11]。

2 用于钢结构桥梁的胶粘剂

目前用于钢桥梁的胶粘剂主要包含两种：一种是用于钢结构桥面防水粘接层的粘接胶;另一种是用于钢索以及钢桥局部密封的密封胶[12]。

2.1 钢结构桥面铺装粘接胶

桥梁为各种车辆行驶提供了承重和耐久的桥面，而桥面铺装直接关系到整座桥的安危和长期使用寿命，桥梁长期使用性和安全性的保障是与科学合理的桥面铺装体系息息相关的。钢桥面铺装是在钢桥面板上刷一层防水粘接层，确定铺装层和钢桥面板有良好的粘接及防水性，然后铺装单层或多层的其他材料，最后形成铺装层。桥面铺装的好坏主要取决于防水粘接层，形成整体桥面铺装装置的关键是防水粘接层的防水性和粘接性。若钢桥面板防水粘接层的防水处理不当，雨水就会通过铺装层渗透到钢桥面板，不仅会使粘接层胶的粘接失效，而且还会浸蚀桥面板和桥梁结构材料，从而造成钢桥梁的锈蚀。因此防水粘接性能的好坏对钢桥耐久性及安全性有着直接影响。目前防水粘接层所用到的材料可分为4类：甲基丙烯酸酯防水材料、环氧树脂材料、环氧沥青材料及溶剂型粘接剂材料[13-14]。上述防水材料中用的最多最广的胶粘剂是丙烯酸胶粘剂和环氧树脂胶粘剂。为了更直观地看到胶粘剂在钢桥的铺装，如图1、图2所示。

2.1.1 丙烯酸胶粘剂

丙烯酸防腐底漆、甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水膜和丙烯酸胶粘剂三种物质组成了甲基丙烯酸酯防水体系材料。施工时将丙烯酸胶粘剂直接喷涂在MMA防水膜上，固化后形成一个封闭的整体体系，从而达到防水效果。溶液型丙烯酸酯胶粘剂是甲基丙烯酸酯防水材料体系中常用的胶粘剂，其可分为两种：一种是将聚合物直接溶解稀释配成一定比例的胶粘剂溶液，可进行手工涂抹也可以进行喷涂的方式进行涂胶;另一种是以丙烯酸酯为原料进行溶液聚合反应制成的胶粘剂，然后直接使用。根据聚合物反应的单体组分不同，可将溶液型丙烯酸酯胶粘剂分为单组分、双组份和多组分胶粘剂3种类型。单组分胶粘剂常使用是氰基丙烯酸酯类的单体，根据官能团不同可有氰基丙烯酸甲酯、氰基丙烯酸乙酯、氰基丙烯酸丙酯、氰基丙烯酸丁酯、氰基丙烯酸环己酯和氰基丙烯酸异戊酯等。随着官能团分子量的增加，合成的胶的韧性、耐湿性就越好，但粘接强度发反而下降。

这类胶粘剂具有室温固化快、拉伸强度高、透明度好，被粘表面无需特殊处理等优点，广泛应用于各行各业。双组分（A/B组分）胶粘剂是以丙烯酸酯的自由基共聚为基础合成的。其中A组分以MMA、弹性体、引发剂、氯磺化聚乙烯配成溶液作为主剂，B组分以弹性体、MMA、促进剂、溶剂为底剂。多组分胶粘剂是在双组份胶粘剂基础上引入第三种或第三种以上组分形成的胶粘剂。

2.1.2 环氧树脂胶粘剂

由于环氧树脂具有耐水性、粘接力强、使用温度宽、固化收缩率小、良好的电绝缘性、耐腐蚀、自重轻使用方便等优点，使得环氧树脂受到了人们的重视[15-16]。环氧树脂防水材料中的环氧树脂是一种液态的树脂，其基本组成成分是环氧树脂和固化剂。根据不同的使用场合，可调节不同物质进行复配，从而达到理想效果。复配的物质包括稀释剂、固化促进剂、偶联剂、阻燃剂、增韧剂、着色剂和稳定剂等。施工时将环氧树脂和固化剂搅拌混合均匀，涂抹在钢桥面上，待其固化后就会形成一层具有防腐性、防水性和粘接性的有机致密分子膜。根据固化反应的特征可分为环氧树脂粘接剂Ⅰ型和环氧树脂粘接剂Ⅱ型。环氧树脂粘接剂Ⅰ型是在施工的过程中环氧树脂和固化剂一次性固化完成，固化后的涂层具有较高的强度，从而保护钢板。环氧树脂粘接剂Ⅱ型是在施工期间先预交联，再根据要求完全固化。预交联的优点是可以与后期的施工提供一定的操作条件，预固化后再摊铺沥青混合料，由于混合料温度的作用，为环氧树脂粘接剂提供了固化反应的动力，从而进行第二次反应达到完全固化效果，进而完成最后的铺装。

2.2 用于钢桥的防护密封胶

2.2.1 用于悬索桥主缆缠丝的密封胶

在悬索桥主缆结构中，一般采用圆形镀锌钢丝对其进行缠丝，由于工艺问题使得缠丝与主纜丝之间总是存在一些规则不一的空隙。为了防止雨水浸入从而造成悬索桥主缆腐蚀，早期人们采用油膏对其进行填充密封，以达到防锈蚀效果。但是由于油膏长期暴露大气环境中，易发生氧化裂解产生酸性小分子物质，从而形成腐蚀小环境，使高强钢结构材料更易产生氢脆作用，影响其疲劳性能。随着时间的积累，主缆缠丝的密封效果减弱，从而缩短桥梁的使用寿命。随着科技的发展，高分子非硫化阻蚀型密封膏逐渐出现在人们的视野[17]。非硫化阻蚀型密封膏一般都是以不饱和的橡胶聚合物为主粘料，再辅以防锈剂，从而达到很好的防腐、耐候及防水密封的效果，并且对普通的碳钢和镀锌钢都有良好的防护作用。非硫化阻蚀型密封膏能长期保持不干裂、不霉变、不硬化，并且对光、热和臭氧等具有极高的惰性，其使用寿命是油膏的10倍。

2.2.2 用于斜拉桥斜拉索的索体内部填充的密封胶

斜拉桥是由索塔、主梁及斜拉索组成，其中斜拉索是整个桥的关键部分。目前斜拉索都是由表面注塑聚乙烯套保护的平行镀锌钢丝集束组成。然而表面的聚乙烯材料的耐候性不是很客观，时间久了其表面就会产生裂纹，使得大气、水等不良物质浸入内层钢丝表面，造成钢丝腐蚀，影响其使用寿命。为了增加斜拉索的使用寿命，可以要提高聚乙烯材料耐候性及抗老化性，也可以采用非硫化阻蚀型密封膏填充在钢丝之间及钢丝与PE套之间的空隙中，从而达到优异的防护作用，进而增大整座桥的使用年限。

2.2.3 用于锚管式锚固结构中套管的密封防护胶

斜拉索锚管式锚固结构中的套管、悬索桥索股锚固区的套管空隙部位也会浸入雨水、空气等杂物质，从而影响其使用寿命。这些部位的防护一般都是采用润滑脂进行灌注进行密封，但其由于润滑脂耐候性很差导致使用年限低，目前已经被非硫化阻蚀型密封膏及室温固化有机硅密封胶代替[18]，从而达到长期密封防护目的。

2.2.4 用于各类吊索、斜拉索锚具的密封防护胶

连接锚具是斜拉桥斜拉索、悬索桥吊索结构中的一个重要的部件。在整座桥梁受力点中锚具是应力集中点。为了增加使用年限以及消除安全隐患，通常专门设有多种防水抗渗的装置[19-20]。像在斜拉索热铸锚杯的内部一般都是填充环氧树脂、水泥砂浆、硫化型橡胶密封胶等，以到达固定和密封防水的作用。填充密封效果以硫化型橡胶最为出色，目前用于桥梁密封防护的硫化型橡胶主要是聚硫密封胶，聚硫密封胶是以液体聚硫橡胶为基础聚合物，再与填料、增塑剂、黏附促进剂和固化剂等组分相互配合，进而制备出适应于各种用途的弹性密封胶。由于其极佳的密封性、粘接性和优良的耐老化性能，以及该密封胶具有较好的弹性，所以聚硫密封胶能满足钢桥由于荷载、温差引起的变位[21]，长久地为钢板及锚具提供防水密封保护。

3 总结

在钢结构桥面铺装粘接胶中，丙烯酸类的粘接防水胶具有粘接快、粘度低、透明度好及成本低等优点。但其附着力差，且施工时产生的强烈刺激性气味很难散去，对施工者和周边环境影响很大。而氧树脂防水粘接胶具有固化收缩率小、粘接力大、稳定性能好、耐腐蚀、使用温度宽、自重轻使用方便，固化气味小等优点，得到了广泛使用。但是其自身脆性大，在长期受到路面上运载车的荷载时，会产生裂纹，导致粘接力下降，达不到防水粘接的作用了。因此需要对环氧防水粘接胶进增韧，可以是物理共混改性增韧，比如白炭黑、炭黑及无机纳米粒子等;也可以对其进行化学结构改性增韧。在密封防护胶中，非硫化阻蚀型密封膏和聚硫密封胶耐候性虽然比较不错，但由于其化学结构的本质原因，远不如有机硅的密封胶耐候性强。所以可以根据具体要求选用有机硅密封胶，或者添加一些抗氧化剂、阻蚀剂等来提高耐候性。

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