橋梁纜索病害與破壞機(jī)理分析★

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(huì)沿著鋼絲向索體下部流動(dòng)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(huì)產(chǎn)生腐蝕電流，且服從電化學(xué)動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)重要階段。鋼絲在腐蝕介質(zhì)中經(jīng)過一定時(shí)間作用后，其表面上的個(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)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(dòng)作用下，橋梁纜索鋼絲與鋼絲之間相互接觸運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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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