橋梁纜索病害與破壞機理分析★

馮兆祥 繆長青

(1.江蘇省交通工程建設局，江蘇南京 210004;2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096)

纜索(拉索以及吊索、吊桿)是索承式橋梁結構的主要承載構件，也是對環境作用最為敏感的構件。雖然橋梁設計文件要求纜索采取有效保護措施，但是橋梁長期處于江、海、河上，運營環境較為惡劣，特別是大氣污染嚴重地區、水污染嚴重地區、海濱及海洋環境，纜索極易發生腐蝕疲勞破壞。國內外有多座橋梁因拉索失效破壞引起安全事故，造成巨大的經濟損失。

橋梁索體鋼絲在腐蝕環境下易發生腐蝕，且腐蝕機理復雜，常見的腐蝕介質和影響因素主要有酸、鹽、溫度、濕度和應力等。本文結合橋梁國內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理進行分析。

1 橋梁纜索病害原因

1.1 護套損壞

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

調查研究表明，索體內部鋼絲的腐蝕程度與PE護套的破損程度相一致，腐蝕呈現的規律有: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，分析原因為在重力作用下進入索體內部的雨水等腐蝕介質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護套破損嚴重的部位及該部位以下一定范圍鋼絲腐蝕較為嚴重，分析原因為PE護套破損嚴重，雨水、空氣和腐蝕介質更易從該部位進入索體，造成該部位腐蝕介質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需要將一段鋼絲索的PE護套剝除以方便錨固，由于錨具構造特征，雨水等易進難出，易造成腐蝕介質在錨具及錨端部位積累引起端部鋼絲的銹蝕。由于錨具防護措施不當，護套長期積水，易造成錨具嚴重銹蝕，引起內部索體鋼絲腐蝕嚴重，如圖2所示。

圖1 護套損壞

圖2 錨具腐蝕

2 纜索鋼絲腐蝕病害機理

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

2.1 化學腐蝕

化學腐蝕是介質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物的一種氧化還原的純化學變化過程。橋梁纜索化學腐蝕的介質主要有以下四種:1)干燥氣體:在該介質中腐蝕速率較慢，危害性較小;2)高溫氣體:在該介質中主要發生高溫氧化腐蝕，危害性嚴重;3)硫、鹵素等氧化劑:在該介質中腐蝕速率與危害性取決于纜索鋼絲及氧化劑的性質;4)非電解質溶液:在該介質中的腐蝕主要是指纜索鋼絲在有機溶劑中的腐蝕現象。

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

2.2 電化學腐蝕

金屬在腐蝕溶液中由于發生電化學反應而發生的腐蝕現象。與化學腐蝕不同，電化學反應過程中會產生腐蝕電流，且服從電化學動力學規律。電化學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為吸氧腐蝕。

吸氧腐蝕是指陰極過程為氧的還原反應的腐蝕。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，是指鋼絲與介質接觸的整個表面都發生腐蝕。均勻腐蝕的特征是腐蝕均勻地發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，且可以依據腐蝕速率進行腐蝕控制設計和剩余壽命預測。

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，表現為表面局部微小區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，局部腐蝕具有更嚴重的危害性。局部腐蝕常見形式有:1)點蝕。點蝕是纜索鋼絲最主要的一種局部腐蝕形式，它分誘發及擴展兩個重要階段。鋼絲在腐蝕介質中經過一定時間作用后，其表面上的個別點和局部微小區域內出現腐蝕小孔，而其他區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展，最后形成小孔狀蝕坑。由于閉塞電池作用，當腐蝕介質中存在氯離子，氯離子不斷向孔內擴散，隨著反應的進行，蝕孔內金屬氯化物濃度上升，進一步加速金屬活化溶解形成自催化作用。點蝕是一種破壞性極大的局部腐蝕形式，雖然點蝕造成的質量損失很小，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，極大地削弱鋼絲有效截面面積，甚至發生斷絲。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，為縫隙腐蝕的發生提供了客觀條件。腐蝕初期，在縫隙內外的鋼絲表面發生氧化還原反應。隨著反應的進行，縫隙內溶解氧不斷被消耗，當縫隙內氧消耗完后，縫隙內外由氧濃度差異形成宏觀腐蝕電池。與點蝕歷程相似，縫隙腐蝕也形成了閉塞電池引起的酸化自催化作用，加速了縫隙內金屬活化溶解。由于縫隙腐蝕可以發生在腐蝕性不強的介質中，具有一定的隱蔽性，且發生縫隙腐蝕后單根鋼絲強度降低，導致索體整體力學性能退化，因此具有很大的危害性。3)應力腐蝕。橋梁纜索鋼絲運營階段在應力與腐蝕介質的共同作用下發生的腐蝕。應力腐蝕不同于沒有應力作用的純腐蝕，也不同于沒有腐蝕介質的純力學斷裂，而是腐蝕介質與應力共同作用下相互作用、相互促進的過程。在應力腐蝕作用下，鋼絲在低于屈服強度或抗拉強度時發生脆性斷裂。裂紋起源于鋼絲表面;裂紋的長寬相差幾個數量級不成比例;裂紋擴展方向一般垂直于主拉應力方向。一般來說，發生應力腐蝕的鋼絲基體表面未受到明顯破壞，但少數細小裂紋已貫穿到基體的內部，在整體腐蝕極小的情況下，發生突然開裂，危害性極大。4)摩振腐蝕。在車輛荷載和風雨振動作用下，橋梁纜索鋼絲與鋼絲之間相互接觸運動，導致鋼絲表面發生磨損，在腐蝕環境下磨損部位發生腐蝕。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果。摩振腐蝕嚴重的部位易發生腐蝕疲勞，加速鋼絲的破壞。

4 結語

結合橋梁國內外事故和換索維修工程，分析了索承式橋梁纜索病害產生的原因，討論了橋梁纜索腐蝕破壞機理。根據纜索腐蝕形態，對于橋梁纜索鋼絲腐蝕病害進行了歸類分析。

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