桥梁缆索病害与破坏机理分析★

2015-11-09冯兆祥缪长青

山西建筑 2015年23期

冯兆祥缪长青

(1.江苏省交通工程建设局，江苏南京 210004;2.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096)

缆索(拉索以及吊索、吊杆)是索承式桥梁结构的主要承载构件，也是对环境作用最为敏感的构件。虽然桥梁设计文件要求缆索采取有效保护措施，但是桥梁长期处于江、海、河上，运营环境较为恶劣，特别是大气污染严重地区、水污染严重地区、海滨及海洋环境，缆索极易发生腐蚀疲劳破坏。国内外有多座桥梁因拉索失效破坏引起安全事故，造成巨大的经济损失。

桥梁索体钢丝在腐蚀环境下易发生腐蚀，且腐蚀机理复杂，常见的腐蚀介质和影响因素主要有酸、盐、温度、湿度和应力等。本文结合桥梁国内外索承式桥梁事故和换索维修工程，对桥梁缆索病害与破坏机理进行分析。

1 桥梁缆索病害原因

1.1 护套损坏

桥梁施工阶段，制作、搬运、安装过程中都有可能因保护措施不到位、操作不当造成索体护套的损伤。桥梁运营阶段，PE护套体系在阳光、温度、机械损伤和腐蚀介质以及意外撞击等因素作用下，PE护套体系老化出现大量微孔、裂纹、裂缝甚至破损开裂，如图1所示。由于PE护套的损伤，空气、雨水等腐蚀介质易进入索体内部，在钢丝表面形成水膜，引起钢丝腐蚀。

调查研究表明，索体内部钢丝的腐蚀程度与PE护套的破损程度相一致，腐蚀呈现的规律有:1)索体上端钢丝腐蚀程度较轻，索体下端钢丝腐蚀程度相对较重，分析原因为在重力作用下进入索体内部的雨水等腐蚀介质会沿着钢丝向索体下部流动并积累，加速下端钢丝的腐蚀;2)PE护套破损严重的部位及该部位以下一定范围钢丝腐蚀较为严重，分析原因为PE护套破损严重，雨水、空气和腐蚀介质更易从该部位进入索体，造成该部位腐蚀介质浓度高于索体其他部位，加速该部位钢丝的腐蚀。

1.2 锚具原因

拉索与锚具的锚固区需要将一段钢丝索的PE护套剥除以方便锚固，由于锚具构造特征，雨水等易进难出，易造成腐蚀介质在锚具及锚端部位积累引起端部钢丝的锈蚀。由于锚具防护措施不当，护套长期积水，易造成锚具严重锈蚀，引起内部索体钢丝腐蚀严重，如图2所示。

图1 护套损坏

图2 锚具腐蚀

2 缆索钢丝腐蚀病害机理

金属由于所处环境因素和材料性质等方面的不同，其腐蚀过程的形式差异很大。影响金属腐蚀的环境因素包括温度、湿度、腐蚀介质的构成、应力状况等。一般按腐蚀过程中是否有腐蚀电流产生将桥梁缆索腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。

2.1 化学腐蚀

化学腐蚀是介质中的氧化剂直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物的一种氧化还原的纯化学变化过程。桥梁缆索化学腐蚀的介质主要有以下四种:1)干燥气体:在该介质中腐蚀速率较慢，危害性较小;2)高温气体:在该介质中主要发生高温氧化腐蚀，危害性严重;3)硫、卤素等氧化剂:在该介质中腐蚀速率与危害性取决于缆索钢丝及氧化剂的性质;4)非电解质溶液:在该介质中的腐蚀主要是指缆索钢丝在有机溶剂中的腐蚀现象。

对于桥梁缆索而言，化学腐蚀虽然没有电化学腐蚀那么普遍和严重，但是钢丝由于氧化、脱碳、氢蚀、硫化等化学腐蚀作用将加剧钢丝延性和力学性能的退化。

2.2 电化学腐蚀

金属在腐蚀溶液中由于发生电化学反应而发生的腐蚀现象。与化学腐蚀不同，电化学反应过程中会产生腐蚀电流，且服从电化学动力学规律。电化学腐蚀包括析氢腐蚀和吸氧腐蚀，缆索钢丝腐蚀损伤主要表现为吸氧腐蚀。

吸氧腐蚀是指阴极过程为氧的还原反应的腐蚀。缆索钢丝在pH＞7的溶液、温度、海水、大气、含氧的弱酸中的腐蚀都属于吸氧腐蚀。

3 缆索钢丝腐蚀病害类型

按照腐蚀形态的不同一般将桥梁缆索腐蚀分为均匀腐蚀与局部腐蚀两类。

3.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀是较为常见的一种腐蚀形态，是指钢丝与介质接触的整个表面都发生腐蚀。均匀腐蚀的特征是腐蚀均匀地发生在缆索钢丝整个表面上，钢丝由于腐蚀直径而普遍地被削弱。一般而言，均匀腐蚀容易控制、危害性小，且可以依据腐蚀速率进行腐蚀控制设计和剩余寿命预测。

3.2 局部腐蚀

局部腐蚀是指表面腐蚀速率存在显著差异的一种常见腐蚀形态，表现为表面局部微小区域的腐蚀速率及腐蚀深度明显大于整个表面平均腐蚀速率和腐蚀深度。对于桥梁缆索而言，局部腐蚀具有更严重的危害性。局部腐蚀常见形式有:1)点蚀。点蚀是缆索钢丝最主要的一种局部腐蚀形式，它分诱发及扩展两个重要阶段。钢丝在腐蚀介质中经过一定时间作用后，其表面上的个别点和局部微小区域内出现腐蚀小孔，而其他区域未腐蚀或腐蚀轻微，且蚀孔随着时间的推移不断向纵深发展，最后形成小孔状蚀坑。由于闭塞电池作用，当腐蚀介质中存在氯离子，氯离子不断向孔内扩散，随着反应的进行，蚀孔内金属氯化物浓度上升，进一步加速金属活化溶解形成自催化作用。点蚀是一种破坏性极大的局部腐蚀形式，虽然点蚀造成的质量损失很小，但由于闭塞电池的形成，阳极的溶解加速且具有自动加速的特点，极大地削弱钢丝有效截面面积，甚至发生断丝。2)缝隙腐蚀。桥梁缆索由若干根钢丝制作组合而成，钢丝间不可避免存在缝隙，为缝隙腐蚀的发生提供了客观条件。腐蚀初期，在缝隙内外的钢丝表面发生氧化还原反应。随着反应的进行，缝隙内溶解氧不断被消耗，当缝隙内氧消耗完后，缝隙内外由氧浓度差异形成宏观腐蚀电池。与点蚀历程相似，缝隙腐蚀也形成了闭塞电池引起的酸化自催化作用，加速了缝隙内金属活化溶解。由于缝隙腐蚀可以发生在腐蚀性不强的介质中，具有一定的隐蔽性，且发生缝隙腐蚀后单根钢丝强度降低，导致索体整体力学性能退化，因此具有很大的危害性。3)应力腐蚀。桥梁缆索钢丝运营阶段在应力与腐蚀介质的共同作用下发生的腐蚀。应力腐蚀不同于没有应力作用的纯腐蚀，也不同于没有腐蚀介质的纯力学断裂，而是腐蚀介质与应力共同作用下相互作用、相互促进的过程。在应力腐蚀作用下，钢丝在低于屈服强度或抗拉强度时发生脆性断裂。裂纹起源于钢丝表面;裂纹的长宽相差几个数量级不成比例;裂纹扩展方向一般垂直于主拉应力方向。一般来说，发生应力腐蚀的钢丝基体表面未受到明显破坏，但少数细小裂纹已贯穿到基体的内部，在整体腐蚀极小的情况下，发生突然开裂，危害性极大。4)摩振腐蚀。在车辆荷载和风雨振动作用下，桥梁缆索钢丝与钢丝之间相互接触运动，导致钢丝表面发生磨损，在腐蚀环境下磨损部位发生腐蚀。摩振腐蚀不是单纯的振动磨损与腐蚀损伤相互叠加，而是两者耦合作用的结果。摩振腐蚀严重的部位易发生腐蚀疲劳，加速钢丝的破坏。