陳小雨，唐茂林，沈銳利

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610036)

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懸索橋主纜鋼絲腐蝕速率的影響因素分析

陳小雨，唐茂林，沈銳利

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610036)

影響鋼絲腐蝕的眾多因素，分為外界環(huán)境影響因素和鋼絲自身狀態(tài)兩大類，詳細闡述了濕度、溫度、大氣污染物以及鋼絲拉力、初期損失、主纜彎曲等各影響因素已有的實驗研究成果，深入分析了上述因素對鋼絲腐蝕產生影響的機理及其對腐蝕速率的影響。在得到對鋼絲腐蝕產生影響的重要因素基礎上，提出了需綜合考慮各因素間的相互作用的多鋼絲組的腐蝕實驗，以達到更貼切地模擬主纜實際腐蝕過程的目的。

橋梁工程；懸索橋主纜；高強鍍鋅鋼絲；腐蝕速率

懸索橋主纜作為整個結構的主要承重構件，其耐久性一直備受關注。由于懸索橋的跨越能力大，因此橋位常常處于江河、海洋、峽谷等位置，這些橋位環(huán)境不僅濕度較大，且往往夏季高溫、冬季濕霧多雨、大氣中含有較多的鹽霧、容易形成酸雨環(huán)境等特點。雖然主纜外層有纏絲等的防護措施，但長期暴露于這些易腐蝕的環(huán)境中，其防護措施也會逐漸退化，而失去防護功能。另外大氣中的腐蝕物質通過索夾、鞍座等未纏絲的地方進入主纜，在主纜的空隙處聚積，更加速了主纜鋼絲的腐蝕。

除了上述的外部環(huán)境因素外，主纜鋼絲的自身受力狀態(tài)等也會影響其腐蝕和退化。在施工期間，鋼絲不可避免地會受到劃損，劃損處將成為點腐蝕的發(fā)生源頭；橋梁服役期間，鋼絲承受巨大的拉力，鋼絲基體與鍍鋅層在受力狀態(tài)下的變形不一致導致鍍鋅層出現細微裂縫，氯化物等微粒易堆積于裂紋處；在主纜發(fā)生彎曲的地方，主纜截面外層鋼絲拉力較大，更易發(fā)生應力腐蝕。這些與鋼絲自身狀態(tài)相關的因素也同樣影響著鋼絲的腐蝕速度。

可見鋼絲的腐蝕是多種腐蝕因素共同作用的結果，有必要分析各因素對鋼絲腐蝕速率的影響，并在此基礎上找到影響鋼絲腐蝕的主要因素和次要因素，模擬主纜實際服役環(huán)境并通過加大腐蝕介質濃度進行加速腐蝕實驗。這樣才能建立起全面的，多因素綜合影響下平行鋼絲主纜全壽命腐蝕退化的模型。

1 環(huán)境因素對主纜腐蝕的影響

1.1 相對濕度對腐蝕速度的影響

環(huán)境中的氧和水分是導致鋼絲腐蝕的主要原因：當鋼絲處于干燥空氣條件下，表面不存在液膜層，此時在氧的參與下，會發(fā)生常溫氧化，生成極薄的氧化膜(1～4 nm)；隨著環(huán)境濕度增大(100%以下)，鋼絲表面由于毛細管作用、吸附作用或化學凝聚作用等，形成肉眼不可見的薄液膜而發(fā)生緩慢的化學腐蝕；當金屬直接與水分接觸時，在其表面存在肉眼可見的凝結液膜，發(fā)生速度更為劇烈的化學腐蝕[1]?？梢姯h(huán)境中較高的相對濕度是導致腐蝕發(fā)生的直接誘因。

K．Suzumura，等[2]對主纜的內部環(huán)境進行了調查，發(fā)現主纜內除其上部，其它部分幾乎都處于相對濕度100%的潮濕環(huán)境中，下午相對濕度會有所降低，約為85%，而主纜的底部則與腐蝕介質直接接觸。圖1為主纜橫截面內不同部位，全天24 h內部濕度的變化。

圖1 主纜內24 h濕度變化

為分析主纜的不同部位在不同濕度環(huán)境下鋼絲腐蝕的速率，K．Suzumura，等[2]進行了下述實驗：使用長度為150 mm，直徑為5 mm的4組鋼絲(每組3根樣本鋼絲)分別模擬主纜頂部(U組，干燥和潮濕環(huán)境交替)，兩側(S組，持續(xù)潮濕的環(huán)境)，底部(L組，浸泡于水中)，中心(C組，相對濕度為100%的潮濕環(huán)境)。在進行腐蝕的100 d期間，定期對鋼絲除去腐蝕產物并進行質量稱重，實驗結果如圖2。

圖2 不同濕度環(huán)境下主纜鋼絲質量損失

經觀察發(fā)現：在腐蝕3個多月后，S組的表面局部發(fā)生了嚴重腐蝕，U組鋅皮表面有一薄層白色的腐蝕物，L組也有一層腐蝕物，而且比U組中產生的厚得多，C組未發(fā)現有腐蝕現象。由實驗結果可見，與水分直接接觸的S組和L組鋼絲腐蝕速率很快，而相對濕度較高的C組和U組鋼絲則發(fā)生了緩慢的腐蝕。據此結果，K．Suzumura，等[2]又對相對濕度為30%～100%的不同環(huán)境下的鋼絲進行了腐蝕實驗，最后得出在濕度低于60%時鋼絲腐蝕率極低，而超過60%后腐蝕速率急劇上升。因此日本的主纜送風抽濕系統(tǒng)將主纜內的濕度指標定為60%，可見環(huán)境的相對濕度對鋼絲的腐蝕起到了決定性的作用。

1.2 溫度對鋼絲腐蝕速率的影響

主纜鋼絲發(fā)生的腐蝕其本質為電化學反應，隨著溫度的升高，分子運動加劇，會提高電化學反應的速度，加速腐蝕產物的遷移[3]。K．Suzumura，等[2]對相同濕度環(huán)境下不同的溫度對鋼絲腐蝕的影響做了實驗，在對鋼絲腐蝕100 d后得到實驗結果如圖3。

圖3 不同溫度條件下高強鋼絲腐蝕速率

可見隨著環(huán)境溫度的升高，鋼絲的腐蝕速率逐漸惡化，溫度超過20 ℃時腐蝕速率開始明顯上升，當溫度為40 ℃腐蝕速率明顯大于20 ℃時的腐蝕速率。目前能收集到的針對溫度對纜用高強鋼絲腐蝕影響的文獻至多只到60 ℃，在60 ℃時鋼絲的腐蝕速率大于其它溫度條件[3]。但并非溫度越高腐蝕速率越快，通過對其它金屬的腐蝕研究表明，當環(huán)境溫度大于60 ℃后，腐蝕速率增加相對較平緩。這是因為一方面在過高的溫度條件下，盡管金屬陽極的反應速率增大，但是表面容易生成比較致密的腐蝕產物，對金屬起到保護作用[4]。另一方面，溫度升高后氧氣在溶液中溶解度降低，使氧氣在陰極上的去極化過程強度降低，同時鹽溶液容易產生鹽析，不會起到加速腐蝕的作用。

目前的研究僅揭示了溫度對鋼絲腐蝕有加速的作用，卻很少考慮環(huán)境溫度變化對腐蝕的影響。根據金屬在大氣中的腐蝕過程機理證明，環(huán)境溫差變化要比溫度的影響大[1]。例如環(huán)境中的晝夜溫差，當夜間溫度下降，大氣中水蒸氣結露凝結在金屬表面，將大大加快腐蝕。溫差不但影響水汽的凝聚，而且還影響金屬表面水膜中氣體和鹽類的溶解度。溫差的影響對主纜暴露于大氣中的部分鋼絲有重要的影響，還有待開展溫差對主纜鋼絲腐蝕的實驗研究。

1.3 腐蝕溶液中溶解的氣體和固體顆粒對鋼絲腐蝕速率的影響

大氣中的CO2、SO2等氣體是常見的污染物，其溶于水后會使得溶液呈酸性，對碳鋼、鋅、鋁等金屬的腐蝕作用是非常明顯的；另外氯化物的微小顆粒具有極強的吸水性，其沉積在金屬表面也會加速金屬的腐蝕；大氣中塵埃附著在金屬表面也會增加金屬的吸濕性，即使在相對濕度小于60%的條件下，也易在金屬表面形成水膜，導致腐蝕。

對于高強碳鋼在含有CO2、SO2大氣中的初期腐蝕研究已表明：SO2濃度的升高會加快材料的初期腐蝕，且腐蝕產生隨著其濃度的升高也會發(fā)生變化；在單純的CO2大氣環(huán)境中初期腐蝕較快，而到了中后期反應生成的腐蝕物反而對高強碳鋼的腐蝕起到阻滯的作用[1]。

NaCl是海洋及工業(yè)大氣環(huán)境中大氣污染物的主要成分，其吸濕性很強，附著在鋼絲表面時很快就能在潮濕的環(huán)境中吸附水分，迅速形成無數個腐蝕微電池，隨著其濃度增加，將明顯加快鋼絲的腐蝕。文獻[2]分別對比了在相對濕度為30%、60%，以及直接與腐蝕溶液接觸的條件下，不同濃度的NaCl溶液對鋼絲腐蝕的影響如圖4。

圖4 鋼絲與腐蝕溶液接觸下的腐蝕速率

實驗數據可以看出：無論腐蝕環(huán)境的濕度如何，NaCl濃度為10 g/m2時鋼絲的質量損失明顯加大，且鋼絲是否與腐蝕介質直接接觸對腐蝕有巨大的影響。然而，劉強[5]的研究表明，金屬的腐蝕速率并非隨著NaCl濃度的增加而呈現線形增加關系，飽和NaCl溶液和20%的NaCl溶液其腐蝕速度均較低。這是因為鹽溶液里的氧含量與鹽的濃度有關，在低濃度范圍內，氧含量隨鹽濃度的增加而增加，但當鹽濃度增加到5%時，氧含量達到相對的飽和，如果鹽濃度繼續(xù)增加，氧含量則相應下降。另外，溶液中的氫含量會使得金屬發(fā)生氫脆，但是從實橋或實驗中獲得的結果均表明，高強纜用鋼絲吸收的氫不足以引起鋼絲的氫脆，所以不考慮氫元素對鋼絲腐蝕的影響[6]。

由上述的分析可見鋼絲的腐蝕是多種環(huán)境因素相互影響下的結果：其中水以及水溶液是導致鋼絲腐蝕的主要條件；環(huán)境中的相對濕度，溫度等會加速鋼絲腐蝕；腐蝕溶液中的氯化物顆粒也會明顯地加速鋼絲的腐蝕。但是僅討論單一因素對鋼絲腐蝕的影響都是不完整的，主纜所處的環(huán)境復雜，鋼絲的腐蝕是多種因素共同作用下的結果，因此以后的研究重點應該是各種因素共同影響作用下鋼絲腐蝕規(guī)律的變化。

2 鋼絲自身狀態(tài)對腐蝕速率的影響

2.1 鋼絲拉應力對腐蝕速率的影響

懸索橋主纜的高強鋼絲在架設和運營期間都受到巨大的拉應力，而當金屬材料承受的拉力超過其應力腐蝕門檻值后，在腐蝕介質的參與下就會發(fā)生應力腐蝕[7]。應力腐蝕導致金屬出現裂紋，并不斷擴展，最后金屬發(fā)生突然斷裂。因此高強鋼絲所受應力的大小對鋼絲的腐蝕起著非常重要的影響。

黎學明，等[8]對不同拉應力下鋼絞線的腐蝕速率進行了鹽霧腐蝕實驗，對鋼絞線施加0～25 kN的拉力，并采用“鹽霧噴淋12 h-停12 h”為一個腐蝕周期，其實驗樣本鋼絞線的腐蝕速率曲線如圖5。

圖5 不同張力條件的鋼絞線腐蝕速率

由圖5可見，隨著張力的增大，鋼絞線腐蝕速率也明顯增大，且極化的腐蝕電流隨其作用張力的增大呈增大趨勢，并于22 kN下腐蝕電流最大，為0 kN的4.5倍。各鋼絞線樣本在試驗1個周期內均產生白銹，作用張力較小(0,10 kN)的鋼絞線，產生紅銹的周期為23個腐蝕周期；而張力大的(15～22 kN)鋼絞線，產生紅銹的腐蝕周期僅為15個。鋼絞線腐蝕后的形態(tài)如圖6。

圖6 不同張力作用下鋼絞線腐蝕實驗照片

黎學明，等[6]和W. J. Yang，等[9]對酸雨溶液中拉力分別為300，600，900，1 200 MPa的鍍鋅鋼絲也做了腐蝕實驗，得到的結果為：隨應力增大,鍍鋅鋼絲極化電阻變小,腐蝕電流密度增大,且在1 120 MPa應力作用下鍍鋅鋼絲腐蝕電流密度達最大值,為無應力作用下腐蝕電流密度的7倍。其原因與應力作用下,鍍鋅鋼絲鍍鋅層表面的破壞程度有關：即在一定應力范圍內，由于應力增大，鍍鋅層表面產生的微裂紋增多且迅速擴展，使得表面破壞程度變大，腐蝕介質更易進入鍍鋅層，使鋅溶解過程加快，導致鍍鋅鋼絲腐蝕速度變快。

2.2 鋼絲初期損傷對腐蝕速率的影響

主纜鋼絲在架設和緊纜期間都會不可避免地存在劃損，尤其是在主纜與鞍座、索夾、錨碇以及其它構件接觸的部位處，更是出現大片的鍍鋅層剝落現象。這些由于施工或運輸過程中造成的主纜鋼絲初期損傷，對鋼絲的腐蝕機制會造成影響。

R. Betti，等[10]對鍍鋅鋼絲的腐蝕進行了特殊處理，將待腐蝕的樣本鋼絲中部0.5 cm長度的鍍鋅層用鹽酸溶液移除，露出鋼絲基體。模擬施工過程中導致的鍍鋅層剝落。實驗證明，在鍍鋅層剝離處成為了電化學反應的陰極，該處的腐蝕反應更為活躍，鋼絲截面減小明顯。

為了評估刻劃對鋼絲腐蝕的影響，R. Betti，等[10]還特意使用金剛石刻刀在樣本鋼絲中心部位刻劃出深度不超過鋼絲直徑1/4的損傷，并將其施加拉力后放置于腐蝕環(huán)境中。圖7為鋼絲斷裂面的照片。

圖7 經過648 h腐蝕后，X35倍放大下的鋼絲斷裂面照片

通過對斷絲斷面的分析，得到的實驗結論為：若鋼絲不存在劃損或鍍鋅層剝落，發(fā)生均勻腐蝕的前提下，鋼絲的極限延展率會下降，裂紋最初形成于鋼絲的內核。而在鋼絲劃損的狀態(tài)下，導致鋼絲縱向幾何特征改變，受到的腐蝕比率和點腐蝕深度將改變鋼絲截面的幾何特征，鋼絲表面發(fā)生點腐蝕，其延展率下降更加顯著，裂紋最初形成于鋼絲表面發(fā)生點腐蝕的地方。

因此鋼絲表面的初期損傷會改變其腐蝕發(fā)生的機理，往往導致點腐蝕，形成腐蝕坑，且出現局部應力集中，明顯降低鋼絲的延性，最后鋼絲突然斷裂。

2.3 主纜彎曲對鋼絲腐蝕速率的影響

根據實橋的檢測結果發(fā)現，在主纜彎曲的地方鋼絲的腐蝕程度較為嚴重：在對塞文橋的實橋檢測的結果中反映出，沿著主纜縱向在跨中、鞍座、以及靠近塔頂鞍座的索夾出口處的主纜腐蝕程度明顯較其它部位嚴重[11]。分析導致其腐蝕嚴重的原因，有下述兩點：

1)隨著懸索橋跨度的增大，其主纜的直徑也不斷增加。在塔頂主鞍座、散索鞍、索夾出口處等主纜發(fā)生彎曲的地方會產生彎曲二次應力[12-13]。對于較大直徑的懸索橋主纜而言，彎曲二次應力不可忽視，由于不同的曲率半徑會導致主纜的外層鋼絲受到的拉力較內層鋼絲更大。

2)在上述主纜彎曲處不方便對主纜進行纏絲保護，其外層防護也是主纜長度范圍內相對薄弱的部位，導致了這些地方的外層鋼絲與腐蝕介質接觸的時間較長，往往會導致其提前腐蝕。在外層鋼絲先腐蝕的情況下，是否會對未腐蝕的鋼絲造成加速腐蝕的環(huán)境，還有待通過實驗來進行探索。

3 其它因素對鋼絲腐蝕速率影響分析

針對影響主纜鋼絲腐蝕速率的因素，筆者認為：

1)鋼絲間的磨損對鋼絲退化的影響：已有的研究對鋼絲鍍鋅層剝落，以及鋼絲刻劃后對其腐蝕的影響進行了討論，但主纜內還存在一種更為普遍的損傷：主纜由上萬根鋼絲組成，且經過緊纜、纏絲后使得鋼絲與鋼絲之間緊密接觸。在主纜承受恒載和活載時，鋼絲之間會出現微小的相互錯動，這些磨損難免會使得鋼絲的表面發(fā)生微小的損傷，勢必也會使得在損傷處腐蝕介質中的Cl-在此處聚集，導致鋼絲的點蝕。對于這類細微的磨損是否會鋼絲腐蝕產生顯著影響，還尚待研究。

2)主纜內外層鋼絲的不同腐蝕程度間的相互影響：分析可知，主纜內外層鋼絲與腐蝕介質接觸的條件不同，其受到的拉力大小也有差距。外層鋼絲必先發(fā)生腐蝕，而因為鋼絲間的緊密接觸，外層鋼絲的腐蝕產物會與其它鋼絲接觸，這是否會加速內層鋼絲的腐蝕，也尚待進行實驗研究。

3)如何模擬多因素共同作用主纜的腐蝕：為研究主纜抗力的退化過程，必須通過人為的實驗方式來達到加速主纜腐蝕的目的，然而影響主纜腐蝕的因素眾多，采取何種加速腐蝕的手段才能達到模擬主纜的真實腐蝕環(huán)境。另外，加速腐蝕環(huán)境與主纜實際服役腐蝕環(huán)境間的關系如何進行換算，這將決定加速腐蝕時間與實際服役時間的對應關系。即需要建立人工加速腐蝕實驗環(huán)境與主纜服役腐蝕環(huán)境間的當量折算關系。

4 結 語

筆者在收集針對橋梁纜索系統(tǒng)鋼絲腐蝕的實驗和實橋檢測的文獻基礎上，對目前的研究現狀進行了總結。將影響鋼絲腐蝕的因素分為兩大類進行了具體的闡述。

由分析可以看出，由于主纜結構的復雜以及其所處環(huán)境的多變，導致影響主纜鋼絲腐蝕的因素也非常多?，F有的研究對單個因素的分析已經非常深入，揭示了鋼絲在各因素的不同取值條件下其腐蝕速率的變化規(guī)律。

然而鋼絲的腐蝕是在眾多因素的綜合影響下發(fā)生的，單個地研究每一個因素而得到的結論都是不全面的。因此還需要對這些因素進行正交化實驗，分析在這些相互組合的影響下對鋼絲腐蝕的作用。另外主纜由上萬根鋼絲緊密接觸而組成，鋼絲與鋼絲間的微觀接觸等對腐蝕的影響也需要加以考慮。只有綜合了多因素、模擬鋼絲組在實際主纜環(huán)境下進行的實驗，才能建立起合理的主纜全壽命強度退化預測模型。

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Influencing Factors of Main Cable Wires Corrosion Rate of Suspension Bridge

Chen Xiaoyu, Tang Maolin, Shen Ruili

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, Sichuan, China)

The factors which influenced the cable steel wires corrosion was classified into two main kinds,that is,external enviroment factors and the own state of steel wires.And other influence factors,such as humidity,temperature,atmospheric pollutants,wire tension,initial loss and the main cable bendine were elaborated in detail.Based on the obtained research results,the influence mechanism of above factors on the cable steel wires corrosion and the corrosion rate was analyzed in detail.And then the main factors influencing the cable steel wires corrosion were obtained.Therefore,the multi-wrre-group corrosion test corrosion test considering the interaction between various factors was proposed,which was more appropriate to simulate the actual main cable corrosion process.

bridge engineering; main cable of suspension bridge; high-strength galvanized steel wire; corrosion rate

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.06

2013-12-20；

2014-03-28

國家自然科學基金項目(51178396)

陳小雨(1986—)，女，云南昭通人，博士研究生，主要從事橋梁結構耐久性方面的研究。E-mail:xiaoyuchen100@163.com。

U448.25

A

1674-0696(2015)01-025-05