馮兆祥 繆長青

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇南京 210004;2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

纜索(拉索以及吊索、吊桿)是索承式橋梁結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件，也是對環(huán)境作用最為敏感的構(gòu)件。雖然橋梁設(shè)計(jì)文件要求纜索采取有效保護(hù)措施，但是橋梁長期處于江、海、河上，運(yùn)營環(huán)境較為惡劣，特別是大氣污染嚴(yán)重地區(qū)、水污染嚴(yán)重地區(qū)、海濱及海洋環(huán)境，纜索極易發(fā)生腐蝕疲勞破壞。國內(nèi)外有多座橋梁因拉索失效破壞引起安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

橋梁索體鋼絲在腐蝕環(huán)境下易發(fā)生腐蝕，且腐蝕機(jī)理復(fù)雜，常見的腐蝕介質(zhì)和影響因素主要有酸、鹽、溫度、濕度和應(yīng)力等。本文結(jié)合橋梁國內(nèi)外索承式橋梁事故和換索維修工程，對橋梁纜索病害與破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

1 橋梁纜索病害原因

1.1 護(hù)套損壞

橋梁施工階段，制作、搬運(yùn)、安裝過程中都有可能因保護(hù)措施不到位、操作不當(dāng)造成索體護(hù)套的損傷。橋梁運(yùn)營階段，PE護(hù)套體系在陽光、溫度、機(jī)械損傷和腐蝕介質(zhì)以及意外撞擊等因素作用下，PE護(hù)套體系老化出現(xiàn)大量微孔、裂紋、裂縫甚至破損開裂，如圖1所示。由于PE護(hù)套的損傷，空氣、雨水等腐蝕介質(zhì)易進(jìn)入索體內(nèi)部，在鋼絲表面形成水膜，引起鋼絲腐蝕。

調(diào)查研究表明，索體內(nèi)部鋼絲的腐蝕程度與PE護(hù)套的破損程度相一致，腐蝕呈現(xiàn)的規(guī)律有:1)索體上端鋼絲腐蝕程度較輕，索體下端鋼絲腐蝕程度相對較重，分析原因?yàn)樵谥亓ψ饔孟逻M(jìn)入索體內(nèi)部的雨水等腐蝕介質(zhì)會沿著鋼絲向索體下部流動并積累，加速下端鋼絲的腐蝕;2)PE護(hù)套破損嚴(yán)重的部位及該部位以下一定范圍鋼絲腐蝕較為嚴(yán)重，分析原因?yàn)镻E護(hù)套破損嚴(yán)重，雨水、空氣和腐蝕介質(zhì)更易從該部位進(jìn)入索體，造成該部位腐蝕介質(zhì)濃度高于索體其他部位，加速該部位鋼絲的腐蝕。

1.2 錨具原因

拉索與錨具的錨固區(qū)需要將一段鋼絲索的PE護(hù)套剝除以方便錨固，由于錨具構(gòu)造特征，雨水等易進(jìn)難出，易造成腐蝕介質(zhì)在錨具及錨端部位積累引起端部鋼絲的銹蝕。由于錨具防護(hù)措施不當(dāng)，護(hù)套長期積水，易造成錨具嚴(yán)重銹蝕，引起內(nèi)部索體鋼絲腐蝕嚴(yán)重，如圖2所示。

圖1 護(hù)套損壞

圖2 錨具腐蝕

2 纜索鋼絲腐蝕病害機(jī)理

金屬由于所處環(huán)境因素和材料性質(zhì)等方面的不同，其腐蝕過程的形式差異很大。影響金屬腐蝕的環(huán)境因素包括溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)的構(gòu)成、應(yīng)力狀況等。一般按腐蝕過程中是否有腐蝕電流產(chǎn)生將橋梁纜索腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類。

2.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是介質(zhì)中的氧化劑直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產(chǎn)物的一種氧化還原的純化學(xué)變化過程。橋梁纜索化學(xué)腐蝕的介質(zhì)主要有以下四種:1)干燥氣體:在該介質(zhì)中腐蝕速率較慢，危害性較小;2)高溫氣體:在該介質(zhì)中主要發(fā)生高溫氧化腐蝕，危害性嚴(yán)重;3)硫、鹵素等氧化劑:在該介質(zhì)中腐蝕速率與危害性取決于纜索鋼絲及氧化劑的性質(zhì);4)非電解質(zhì)溶液:在該介質(zhì)中的腐蝕主要是指纜索鋼絲在有機(jī)溶劑中的腐蝕現(xiàn)象。

對于橋梁纜索而言，化學(xué)腐蝕雖然沒有電化學(xué)腐蝕那么普遍和嚴(yán)重，但是鋼絲由于氧化、脫碳、氫蝕、硫化等化學(xué)腐蝕作用將加劇鋼絲延性和力學(xué)性能的退化。

2.2 電化學(xué)腐蝕

金屬在腐蝕溶液中由于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。與化學(xué)腐蝕不同，電化學(xué)反應(yīng)過程中會產(chǎn)生腐蝕電流，且服從電化學(xué)動力學(xué)規(guī)律。電化學(xué)腐蝕包括析氫腐蝕和吸氧腐蝕，纜索鋼絲腐蝕損傷主要表現(xiàn)為吸氧腐蝕。

吸氧腐蝕是指陰極過程為氧的還原反應(yīng)的腐蝕。纜索鋼絲在pH＞7的溶液、溫度、海水、大氣、含氧的弱酸中的腐蝕都屬于吸氧腐蝕。

3 纜索鋼絲腐蝕病害類型

按照腐蝕形態(tài)的不同一般將橋梁纜索腐蝕分為均勻腐蝕與局部腐蝕兩類。

3.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕是較為常見的一種腐蝕形態(tài)，是指鋼絲與介質(zhì)接觸的整個表面都發(fā)生腐蝕。均勻腐蝕的特征是腐蝕均勻地發(fā)生在纜索鋼絲整個表面上，鋼絲由于腐蝕直徑而普遍地被削弱。一般而言，均勻腐蝕容易控制、危害性小，且可以依據(jù)腐蝕速率進(jìn)行腐蝕控制設(shè)計(jì)和剩余壽命預(yù)測。

3.2 局部腐蝕

局部腐蝕是指表面腐蝕速率存在顯著差異的一種常見腐蝕形態(tài)，表現(xiàn)為表面局部微小區(qū)域的腐蝕速率及腐蝕深度明顯大于整個表面平均腐蝕速率和腐蝕深度。對于橋梁纜索而言，局部腐蝕具有更嚴(yán)重的危害性。局部腐蝕常見形式有:1)點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕是纜索鋼絲最主要的一種局部腐蝕形式，它分誘發(fā)及擴(kuò)展兩個重要階段。鋼絲在腐蝕介質(zhì)中經(jīng)過一定時間作用后，其表面上的個別點(diǎn)和局部微小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)腐蝕小孔，而其他區(qū)域未腐蝕或腐蝕輕微，且蝕孔隨著時間的推移不斷向縱深發(fā)展，最后形成小孔狀蝕坑。由于閉塞電池作用，當(dāng)腐蝕介質(zhì)中存在氯離子，氯離子不斷向孔內(nèi)擴(kuò)散，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，蝕孔內(nèi)金屬氯化物濃度上升，進(jìn)一步加速金屬活化溶解形成自催化作用。點(diǎn)蝕是一種破壞性極大的局部腐蝕形式，雖然點(diǎn)蝕造成的質(zhì)量損失很小，但由于閉塞電池的形成，陽極的溶解加速且具有自動加速的特點(diǎn)，極大地削弱鋼絲有效截面面積，甚至發(fā)生斷絲。2)縫隙腐蝕。橋梁纜索由若干根鋼絲制作組合而成，鋼絲間不可避免存在縫隙，為縫隙腐蝕的發(fā)生提供了客觀條件。腐蝕初期，在縫隙內(nèi)外的鋼絲表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，縫隙內(nèi)溶解氧不斷被消耗，當(dāng)縫隙內(nèi)氧消耗完后，縫隙內(nèi)外由氧濃度差異形成宏觀腐蝕電池。與點(diǎn)蝕歷程相似，縫隙腐蝕也形成了閉塞電池引起的酸化自催化作用，加速了縫隙內(nèi)金屬活化溶解。由于縫隙腐蝕可以發(fā)生在腐蝕性不強(qiáng)的介質(zhì)中，具有一定的隱蔽性，且發(fā)生縫隙腐蝕后單根鋼絲強(qiáng)度降低，導(dǎo)致索體整體力學(xué)性能退化，因此具有很大的危害性。3)應(yīng)力腐蝕。橋梁纜索鋼絲運(yùn)營階段在應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的腐蝕。應(yīng)力腐蝕不同于沒有應(yīng)力作用的純腐蝕，也不同于沒有腐蝕介質(zhì)的純力學(xué)斷裂，而是腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力共同作用下相互作用、相互促進(jìn)的過程。在應(yīng)力腐蝕作用下，鋼絲在低于屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度時發(fā)生脆性斷裂。裂紋起源于鋼絲表面;裂紋的長寬相差幾個數(shù)量級不成比例;裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉應(yīng)力方向。一般來說，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的鋼絲基體表面未受到明顯破壞，但少數(shù)細(xì)小裂紋已貫穿到基體的內(nèi)部，在整體腐蝕極小的情況下，發(fā)生突然開裂，危害性極大。4)摩振腐蝕。在車輛荷載和風(fēng)雨振動作用下，橋梁纜索鋼絲與鋼絲之間相互接觸運(yùn)動，導(dǎo)致鋼絲表面發(fā)生磨損，在腐蝕環(huán)境下磨損部位發(fā)生腐蝕。摩振腐蝕不是單純的振動磨損與腐蝕損傷相互疊加，而是兩者耦合作用的結(jié)果。摩振腐蝕嚴(yán)重的部位易發(fā)生腐蝕疲勞，加速鋼絲的破壞。

4 結(jié)語

結(jié)合橋梁國內(nèi)外事故和換索維修工程，分析了索承式橋梁纜索病害產(chǎn)生的原因，討論了橋梁纜索腐蝕破壞機(jī)理。根據(jù)纜索腐蝕形態(tài)，對于橋梁纜索鋼絲腐蝕病害進(jìn)行了歸類分析。

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