超高强桥梁缆索用多元合金锚固材料研究

2024-02-04费汉兵王彦策

现代交通与冶金材料 2024年1期

费汉兵，王彦策，吴琼

（法尔胜泓昇集团有限公司，江苏江阴 214445）

引言

国家的“交通强国”战略驱动桥梁向超大跨径、高耐久和长寿命方向发展，缆索作为索承桥梁的生命线，其强度、锚固可靠性和耐久性要求也需要同步提升。

大跨径索承桥梁大多采用平行钢丝缆索，通过冷铸锚或热铸锚进行锚固。冷铸锚是在常温下向锚具内灌注由环氧树脂、钢丸、固化剂、增韧剂、稀释剂和填充料组成的环氧铁砂料，在一定温度下养护后，与高强钢丝粘结固化形成铸体而对其进行锚固。热铸锚是向锚具内浇铸熔融的低熔点合金，合金凝固后与高强钢丝粘结形成合金铸体而实现对高强钢丝的锚固。

冷铸锚和热铸锚这两种锚固方式各有特点：冷铸锚用环氧铁砂锚固料的固化收缩率小、抗疲劳性能高，但由于其中含有高分子材料，其长期耐久性相对较差；热铸锚用合金锚固材料的强度高、防腐性能好，但其抗疲劳性能稍差。

在对锚具结构优化以提高锚具抗疲劳性能的基础上，利用强度高、耐久性好的合金锚固材料，采用热铸锚方式锚固，是实现超高强缆索百年服役要求的材料和技术保障。

1 缆索热铸锚锚固技术概述

1.1 热铸锚结构与锚固机理

缆索热铸锚锚固技术由钢丝绳绳端合金熔铸套接技术发展而来。根据用途不同，钢丝绳的连接方式有编接、绳卡固结和合金熔铸套接三种，直径较大的钢丝绳一般采用低熔点合金熔铸套接的方式［1-2］，如图1 所示。

图1 钢丝绳合金熔铸套接结构Fig.1 Molten metal socketing structure for terminations of steel wire rope

20 世纪50～60 年代起，借鉴钢丝绳绳端合金熔铸套接原理，在缆索制造时，先将索体穿过带有锥形内腔的锚杯，再将锚杯内钢丝束的各根钢丝散开，然后向锚杯内灌注低熔点合金液，待合金凝固后与钢丝粘结成楔形铸体，形成热铸锚结构，如图2 所示。其锚固机理为：当缆索受拉时，载荷先由钢丝束传递至合金铸体，依靠钢丝与合金锚固材料间的粘结力使合金铸体与锚杯楔紧，再依靠合金铸体与锚杯间的挤压和摩擦作用将载荷传递至锚杯，最后通过锚杯将载荷传递给机构，从而实现缆索钢丝束的锚固［3-4］。

图2 桥梁缆索热铸锚锚固结构Fig.2 Hot casting anchor socketing structure for terminations of bridge cable

1.2 影响热铸锚锚固效果的主要因素

由上述锚固机理可知，在索体和锚具性能可靠的条件下，钢丝与合金锚固材料间的粘结力决定了热铸锚的锚固效果。而粘结力与粘结强度和粘结长度成正比［5］：

式中T为钢丝与合金锚固材料间的粘结力，单位：N；σB为钢丝与合金锚固材料间的粘结强度，单位：MPa；d为钢丝直径，单位：mm；L为钢丝粘结长度，单位：mm。

Yoo 等［5］、张英杰［6］分别研究了Zn-Al 镀层钢丝、Zn-5%Al-RE 镀层钢丝与Zn-Cu 合金锚固材料间的粘结强度，进行了单根钢丝拉拔试验，结果表明：不同钢丝与Zn-Cu 合金锚固材料的粘结强度有较大差距。Yoo 等［5］、Brandon 等［7］对粘结强度试验后的试样进行了解剖分析，结果表明：合金铸体的密实度对粘结强度影响较大。

与钢丝绳相比，缆索钢丝直径大，钢丝与合金铸体间的接触面积小，粘结力易受粘结强度的影响；同时，缆索锚杯内钢丝数量少、发散角小，单根钢丝与合金铸体间的粘结强度决定了锚具的整体粘结力［5］。

考虑结构和经济因素，钢丝在合金铸体内的埋入长度有限。因此，在合理的粘结长度下，合金锚固材料的浇铸密实度及其与钢丝的粘结强度决定了热铸锚的锚固性能；锚固材料的防腐性能决定了热铸锚的耐久性。

2 成分对热铸锚合金锚固材料性能的影响

缆索热铸锚一般采用低熔点锌基合金作为锚固材料。锌基合金中，Zn-Al 系合金具有强度高、熔点低、流动性好等特点，易于重力铸造成型，非常适用于热铸锚结构，其成分主要为Zn，Al，Cu，Mg、RE 及杂质如Fe，Pb，Sn，Cd 等元素。通过对文献［8-11］等资料的调研，分析成分对合金锚固材料性能的影响。

2.1 Al 的影响

Al 是Zn-Al 合金中的主要合金元素，Zn 中加Al，可细化晶粒、改善组织，提高合金的力学性能。当Al 含量为2%～5%时，随Al 含量的提高，合金的强度和韧性显著提升；Al 含量为5%～10%时，随Al 含量的提高，其抗拉强度、伸长率和韧性显著提高；Al 含量为10%～15%时，随Al 含量的提高，合金的强度、韧性提高，但伸长率下降。刘洪军等［12］的研究表明，随着Al 含量从6% 增加到10%，Zn-A1-Cu-Mg 合金的强度、硬度和伸长率都迅速提高；Al 含量超过10%，对合金力学性能的影响不再明显。

即使没有杂质元素存在，Zn-Al 合金也会受到腐蚀，产生“老化”。共晶成分（Al 含量为5%）Zn-Al 合金的耐蚀性最差，其次是Al 含量为15% 的Zn-Al合金。

合金的流动性与成分相关。Al 含量低于5%时，随着Al 含量的增加，合金流动性提高；Al 含量为5%～30%时，随着Al 含量的增加，合金的凝固温度范围增大、流动性逐渐降低。张新庄等［13］研究了不同Al 含量的Zn-x%Al-0.045%Mg 合金的流动性，结果也和上述结论相符。

2.2 Cu 的影响

Cu 是锌基合金中的主要强化元素之一。在Zn-Al 合金中加入Cu，合金的抗拉强度与合金中（Al+Cu）的摩尔分数呈线性关系。Cu 能使合金发生固溶强化，形成金属间化合物从而提高其强度和硬度。在一定范围内提高Cu 含量，有利于提高合金的韧性；但过多增加Cu 含量对改善合金的韧性不再明显。

Zn-Al 合金易发生晶间腐蚀，加入少量Cu（小于1%）对抑制Zn-Al 合金的晶间腐蚀有明显的作用。Cu 含量过高，会加速锌合金的“老化”，使尺寸不稳定，并增加合金的热裂倾向。合金中Cu 含量越高，“老化”越显著。

Cu 能扩大Zn-Al 合金的凝固温度范围，降低流动性。Al 含量一定时，合金的流动性随Cu 含量的增加而降低；随着Al 含量的增大，Cu 含量对合金流动性降低的影响越大。

2.3 Mg 的影响

Mg 在Zn-Al 合金中的溶解度不大，但微量的镁也能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。加入少量Mg，可以细化晶粒，显著提高合金的屈服强度、抗拉强度和硬度值，但降低了韧性。过高的Mg 含量会增加合金的热裂倾向。

Zn 中加Mg，可以延缓偏析转变、提高合金的尺寸稳定性，在Zn-Al-Cu 合金中，大多加入少量Mg（0.02%～0.05%）以提高其尺寸稳定性。Mg 还可以提高合金的晶间耐腐蚀能力、降低“老化”现象。但Mg 含量应控制在一定范围内，当Mg 含量超过溶解度时，由于Mg 的电极电位比Zn 低，会加剧晶间腐蚀的发生。

Mg 易在合金液表面形成氧化膜，降低其流动性。Mg 含量为（0～0.2%）时，流动性随Mg 含量的增加而迅速降低；而当Mg 含量大于0.2%时，随着Mg 含量的增加，合金的流动性基本不变。

2.4 RE 的影响

RE 在合金中的偏聚可以改善合金的力学性能。郭光平［14］在常规低铝和高铝锌合金中加入适量的稀土Ce 进行变质处理，提高了合金的抗拉强度和硬度。李海龙等［15］采用镧铈混合稀土对铸造锌合金进行变质处理，结果表明：稀土含量较低（0～0.2%）时，随着稀土含量的增加，抗拉强度及冲击韧性增加；当稀土含量较高时，合金的抗拉强度及冲击韧性呈下降趋势。

RE 与某些元素形成化合物，在晶界上析出，提高相间电极电位，可以提高晶间耐腐蚀能力，抑制合金的“老化”。但当稀土含量大于0.10%时，会出现硬质点相，对性能不利。

RE 在较高的温度下，可以净化合金液，使其粘度变小，提高合金液的流动性；但RE 固溶度小，易聚集而浮在合金液表面，故合金中的稀土含量较难控制。

2.5 杂质元素的影响

Pb，Sn，Cd 是锌基合金中的杂质元素，其主要危害为其在Zn 中的固溶度低，引起晶间腐蚀或相变，过量时会严重影响合金的耐腐蚀性能。不同杂质元素对合金性能的危害性为：Pb 过量时将引起晶间腐蚀；Sn 过量时将引起晶间腐蚀，降低韧性，引起热脆性；Cd 过量时将引起热脆性，并降低耐蚀性和铸造性能。杂质元素的危害程度由大到小依次为：Sn＞Pb＞Cd。

由上述分析可见，适量Al，Cu，Mg，RE 均能提高锌基合金的力学性能，适量Al 能提高流动性，适量Cu 能提高耐蚀性，适量Mg 能提高耐蚀性和尺寸稳定性，适量RE 能提高耐蚀性。

3 超高强缆索用合金锚固材料的性能要求

作为超大跨索承桥梁的关键受力构件，缆索易发生疲劳退化、腐蚀破坏等问题，亟需突破其超高强、超耐蚀、高抗疲劳技术。合金锚固材料作为超高强缆索的关键材料，要求其锚固可靠和高耐蚀。

对于强度小于2000 MPa 的缆索，目前热铸锚通常使用ZnCu2 和ZnAl6Cu1 两种合金。对于2100 MPa 及以上强度的超高强缆索，由于钢丝强度提高，锚固长度也有所增加，如采用传统的合金材料和灌锚工艺，因其流动性差而导致钢丝与合金铸体的有效粘结长度降低、铸体密实度差，因此需研究与之相匹配的锚固可靠、高耐蚀、流动性好的新型合金锚固材料。

现行桥梁缆索的相关规范中，仅规定了2000 MPa 及以下强度缆索用ZnCu2 和ZnAl6Cu1 两种合金锚固材料的化学成分和粘结强度，无弹性模量、泊松比等关键指标参数，在缆索锚具设计时，只能凭经验进行计算和校验；在缆索制造和性能评价时，也无防腐性能和铸体密实度的具体指标参考。因此，必须了解超高强缆索对合金锚固材料的性能要求，主要包括物理性能、力学性能、防腐性能、流动性等。

3.1 物理性能要求

合金锚固材料的物理性能包括：密度、热导率、熔化温度、凝固温度范围等，与流动性和密实度等相关。

3.1.1 密度和热导率

合金的密度和热导率与流动性有关。密度越大、热导率越小，在相同过热度下，保持液态的时间越长，合金的流动性越好［16］。

3.1.2 熔化温度

合金的熔化温度越高，灌锚温度就越高。Gimsing 等［17］认为，合金灌锚温度过高，将引起钢丝强度降低。而Yoo H 等［5］和叶觉明等［18］认为，合金灌锚温度对钢丝强度的影响不大。应该注意的是，缆索钢丝热镀过程中，钢丝在锌锅内的时间很短，出锌锅后因钢丝细而冷却速度快，即便如此，热镀锌后钢丝的强度也有较大幅度下降。而热铸锚中钢丝与合金锚固材料的接触时间长，灌锚后铸体的冷却速度慢，理论上热铸锚中钢丝强度将会受到合金灌锚温度的影响。因此，如能将合金的熔化温度降低10～20 ℃，则能有效降低灌锚温度过高对钢丝性能的影响。

3.1.3 凝固温度范围

合金的凝固温度范围越大，流动性越差，使充型能力降低，造成合金铸体内缩孔和缩松缺陷的几率大大增加，密实度降低，显微偏析严重。因此，合金的凝固温度范围最好不大于60℃。

3.2 力学性能要求

合金锚固材料的力学性能包括：抗拉强度和断后伸长率、弹性模量和泊松比、抗压强度、与钢丝的粘结强度等。这些参数与锚固性能相关。

3.2.1 抗拉强度和断后伸长率

合金的抗拉强度和伸长率，需通过拉伸试验实测得出。GB/T 1175—2018［19］列出了常用金属型铸造锌基合金的抗拉强度和伸长率，可作为测试结果的比照参考。

3.2.2 弹性模量和泊松比

在对热铸锚锚具进行数值分析设计时，需要使用弹性模量和泊松比这两项数据，国内现行相关标准无相关指标参考，需通过试验实测得出。

3.2.3 抗压强度

合金锚固材料的抗压强度应满足Yoo 等［20］提出的压应力校核公式要求。合金锚固材料压应力示意如图3 所示。

图3 合金锚固材料压应力示意图Fig.3 Compressive stress schematic of alloy anchoring materials

压应力校核公式为：

式中σc，nor为与合金铸体锥面垂直的环向正压应力，单位：MPa；Le为合金铸体的有效粘结长度，单位：mm；θ为合金铸体的倾角，经验值取7.5°左右；ρ为锚杯与合金铸体的摩擦角，经验值取tanρ=0.2；D2为有效粘结长度范围内合金铸体小端直径，单位：mm；D1为有效粘结长度范围内合金铸体大端直径，单位：mm；T为缆索的公称拉力，单位：N；［σca］为合金铸体的许用抗压强度，应考虑安全系数，单位：MPa。

张英杰［6］测得ZnCu2 合金的平均抗压强度为358.83 MPa。现有资料未给出其他锌基合金的抗压强度，需通过压缩试验实测得出。

3.2.4 粘结强度

钢丝与合金锚固材料间的粘结强度抗压强度应满足下式［20］：

式中σB为单根钢丝与合金铸体间的许用粘结强度，需考虑安全系数，单位：MPa；L为单根钢丝与合金铸体间的有效粘结长度，取为合金铸体长度的2/3，单位：mm；σb为钢丝的公称抗拉强度，单位：MPa；d为钢丝的公称直径，单位：mm。

对于不同镀层、强度和直径的缆索钢丝，需通过单丝拉拔试验来确定其与合金锚固材料间的粘结强度。

3.3 防腐性能要求

合金锚固材料的防腐性能主要考察其耐盐雾腐蚀性能，应优于常用ZnCu2 合金和ZnAl6Cu1 合金，可通过盐雾试验进行比较。

3.4 流动性要求

合金锚固材料的流动性是影响热铸锚中合金铸体有效粘结长度和密实度的最重要指标，可通过流动性试验来测量，应优于常用ZnCu2 和ZnAl6Cu1合金的流动性，铸体密实度应达到95%以上。

4 超高强缆索用新型多元合金锚固材料的研究建议

针对2100 MPa 及以上强度的超高强缆索用合金锚固材料的性能要求，建议按照“性能指标构建—成分体系设计—模型试验研究—灌锚装备研发—灌锚工艺研究”的研究路线，设计高强度、低熔点、耐腐蚀、流动性好的新型多元合金锚固材料，研发“浇铸模具-预热保温装置-铸型系统”一体化的灌锚工艺及装备，形成锚固材料的“熔炼-浇铸”灌锚方法。