超高強橋梁纜索用多元合金錨固材料研究

費漢兵，王彥策，吳 瓊

（法爾勝泓昇集團有限公司，江蘇 江陰 214445）

引言

國家的“交通強國”戰略驅動橋梁向超大跨徑、高耐久和長壽命方向發展，纜索作為索承橋梁的生命線，其強度、錨固可靠性和耐久性要求也需要同步提升。

大跨徑索承橋梁大多采用平行鋼絲纜索，通過冷鑄錨或熱鑄錨進行錨固。冷鑄錨是在常溫下向錨具內灌注由環氧樹脂、鋼丸、固化劑、增韌劑、稀釋劑和填充料組成的環氧鐵砂料，在一定溫度下養護后，與高強鋼絲粘結固化形成鑄體而對其進行錨固。熱鑄錨是向錨具內澆鑄熔融的低熔點合金，合金凝固后與高強鋼絲粘結形成合金鑄體而實現對高強鋼絲的錨固。

冷鑄錨和熱鑄錨這兩種錨固方式各有特點：冷鑄錨用環氧鐵砂錨固料的固化收縮率小、抗疲勞性能高，但由于其中含有高分子材料，其長期耐久性相對較差；熱鑄錨用合金錨固材料的強度高、防腐性能好，但其抗疲勞性能稍差。

在對錨具結構優化以提高錨具抗疲勞性能的基礎上，利用強度高、耐久性好的合金錨固材料，采用熱鑄錨方式錨固，是實現超高強纜索百年服役要求的材料和技術保障。

1 纜索熱鑄錨錨固技術概述

1.1 熱鑄錨結構與錨固機理

纜索熱鑄錨錨固技術由鋼絲繩繩端合金熔鑄套接技術發展而來。根據用途不同，鋼絲繩的連接方式有編接、繩卡固結和合金熔鑄套接三種，直徑較大的鋼絲繩一般采用低熔點合金熔鑄套接的方式［1-2］，如圖1 所示。

圖1 鋼絲繩合金熔鑄套接結構Fig.1 Molten metal socketing structure for terminations of steel wire rope

20 世紀50～60 年代起，借鑒鋼絲繩繩端合金熔鑄套接原理，在纜索制造時，先將索體穿過帶有錐形內腔的錨杯，再將錨杯內鋼絲束的各根鋼絲散開，然后向錨杯內灌注低熔點合金液，待合金凝固后與鋼絲粘結成楔形鑄體，形成熱鑄錨結構，如圖2 所示。其錨固機理為：當纜索受拉時，載荷先由鋼絲束傳遞至合金鑄體，依靠鋼絲與合金錨固材料間的粘結力使合金鑄體與錨杯楔緊，再依靠合金鑄體與錨杯間的擠壓和摩擦作用將載荷傳遞至錨杯，最后通過錨杯將載荷傳遞給機構，從而實現纜索鋼絲束的錨固［3-4］。

圖2 橋梁纜索熱鑄錨錨固結構Fig.2 Hot casting anchor socketing structure for terminations of bridge cable

1.2 影響熱鑄錨錨固效果的主要因素

由上述錨固機理可知，在索體和錨具性能可靠的條件下，鋼絲與合金錨固材料間的粘結力決定了熱鑄錨的錨固效果。而粘結力與粘結強度和粘結長度成正比［5］：

式中T為鋼絲與合金錨固材料間的粘結力，單位：N；σB為鋼絲與合金錨固材料間的粘結強度，單位：MPa；d為鋼絲直徑，單位：mm；L為鋼絲粘結長度，單位：mm。

Yoo 等［5］、張英杰［6］分別研究了Zn-Al 鍍層鋼絲、Zn-5%Al-RE 鍍層鋼絲與Zn-Cu 合金錨固材料間的粘結強度，進行了單根鋼絲拉拔試驗，結果表明：不同鋼絲與Zn-Cu 合金錨固材料的粘結強度有較大差距。Yoo 等［5］、Brandon 等［7］對粘結強度試驗后的試樣進行了解剖分析，結果表明：合金鑄體的密實度對粘結強度影響較大。

與鋼絲繩相比，纜索鋼絲直徑大，鋼絲與合金鑄體間的接觸面積小，粘結力易受粘結強度的影響；同時，纜索錨杯內鋼絲數量少、發散角小，單根鋼絲與合金鑄體間的粘結強度決定了錨具的整體粘結力［5］。

考慮結構和經濟因素，鋼絲在合金鑄體內的埋入長度有限。因此，在合理的粘結長度下，合金錨固材料的澆鑄密實度及其與鋼絲的粘結強度決定了熱鑄錨的錨固性能；錨固材料的防腐性能決定了熱鑄錨的耐久性。

2 成分對熱鑄錨合金錨固材料性能的影響

纜索熱鑄錨一般采用低熔點鋅基合金作為錨固材料。鋅基合金中，Zn-Al 系合金具有強度高、熔點低、流動性好等特點，易于重力鑄造成型，非常適用于熱鑄錨結構，其成分主要為Zn，Al，Cu，Mg、RE 及雜質如Fe，Pb，Sn，Cd 等元素。通過對文獻［8-11］等資料的調研，分析成分對合金錨固材料性能的影響。

2.1 Al 的影響

Al 是Zn-Al 合金中的主要合金元素，Zn 中加Al，可細化晶粒、改善組織，提高合金的力學性能。當Al 含量為2%～5%時，隨Al 含量的提高，合金的強度和韌性顯著提升；Al 含量為5%～10%時，隨Al 含量的提高，其抗拉強度、伸長率和韌性顯著提高；Al 含量為10%～15%時，隨Al 含量的提高，合金的強度、韌性提高，但伸長率下降。劉洪軍等［12］的研究表明，隨著Al 含量從6% 增加到10%，Zn-A1-Cu-Mg 合金的強度、硬度和伸長率都迅速提高；Al 含量超過10%，對合金力學性能的影響不再明顯。

即使沒有雜質元素存在，Zn-Al 合金也會受到腐蝕，產生“老化”。共晶成分（Al 含量為5%）Zn-Al 合金的耐蝕性最差，其次是Al 含量為15% 的Zn-Al合金。

合金的流動性與成分相關。Al 含量低于5%時，隨著Al 含量的增加，合金流動性提高；Al 含量為5%～30%時，隨著Al 含量的增加，合金的凝固溫度范圍增大、流動性逐漸降低。張新莊等［13］研究了不同Al 含量的Zn-x%Al-0.045%Mg 合金的流動性，結果也和上述結論相符。

2.2 Cu 的影響

Cu 是鋅基合金中的主要強化元素之一。在Zn-Al 合金中加入Cu，合金的抗拉強度與合金中（Al+Cu）的摩爾分數呈線性關系。Cu 能使合金發生固溶強化，形成金屬間化合物從而提高其強度和硬度。在一定范圍內提高Cu 含量，有利于提高合金的韌性；但過多增加Cu 含量對改善合金的韌性不再明顯。

Zn-Al 合金易發生晶間腐蝕，加入少量Cu（小于1%）對抑制Zn-Al 合金的晶間腐蝕有明顯的作用。Cu 含量過高，會加速鋅合金的“老化”，使尺寸不穩定，并增加合金的熱裂傾向。合金中Cu 含量越高，“老化”越顯著。

Cu 能擴大Zn-Al 合金的凝固溫度范圍，降低流動性。Al 含量一定時，合金的流動性隨Cu 含量的增加而降低；隨著Al 含量的增大，Cu 含量對合金流動性降低的影響越大。

2.3 Mg 的影響

Mg 在Zn-Al 合金中的溶解度不大，但微量的鎂也能起到固溶強化、提高強度和硬度的作用。加入少量Mg，可以細化晶粒，顯著提高合金的屈服強度、抗拉強度和硬度值，但降低了韌性。過高的Mg 含量會增加合金的熱裂傾向。

Zn 中加Mg，可以延緩偏析轉變、提高合金的尺寸穩定性，在Zn-Al-Cu 合金中，大多加入少量Mg（0.02%～0.05%）以提高其尺寸穩定性。Mg 還可以提高合金的晶間耐腐蝕能力、降低“老化”現象。但Mg 含量應控制在一定范圍內，當Mg 含量超過溶解度時，由于Mg 的電極電位比Zn 低，會加劇晶間腐蝕的發生。

Mg 易在合金液表面形成氧化膜，降低其流動性。Mg 含量為（0～0.2%）時，流動性隨Mg 含量的增加而迅速降低；而當Mg 含量大于0.2%時，隨著Mg 含量的增加，合金的流動性基本不變。

2.4 RE 的影響

RE 在合金中的偏聚可以改善合金的力學性能。郭光平［14］在常規低鋁和高鋁鋅合金中加入適量的稀土Ce 進行變質處理，提高了合金的抗拉強度和硬度。李海龍等［15］采用鑭鈰混合稀土對鑄造鋅合金進行變質處理，結果表明：稀土含量較低（0～0.2%）時，隨著稀土含量的增加，抗拉強度及沖擊韌性增加；當稀土含量較高時，合金的抗拉強度及沖擊韌性呈下降趨勢。

RE 與某些元素形成化合物，在晶界上析出，提高相間電極電位，可以提高晶間耐腐蝕能力，抑制合金的“老化”。但當稀土含量大于0.10%時，會出現硬質點相，對性能不利。

RE 在較高的溫度下，可以凈化合金液，使其粘度變小，提高合金液的流動性；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較難控制。

2.5 雜質元素的影響

Pb，Sn，Cd 是鋅基合金中的雜質元素，其主要危害為其在Zn 中的固溶度低，引起晶間腐蝕或相變，過量時會嚴重影響合金的耐腐蝕性能。不同雜質元素對合金性能的危害性為：Pb 過量時將引起晶間腐蝕；Sn 過量時將引起晶間腐蝕，降低韌性，引起熱脆性；Cd 過量時將引起熱脆性，并降低耐蝕性和鑄造性能。雜質元素的危害程度由大到小依次為：Sn＞Pb＞Cd。

由上述分析可見，適量Al，Cu，Mg，RE 均能提高鋅基合金的力學性能，適量Al 能提高流動性，適量Cu 能提高耐蝕性，適量Mg 能提高耐蝕性和尺寸穩定性，適量RE 能提高耐蝕性。

3 超高強纜索用合金錨固材料的性能要求

作為超大跨索承橋梁的關鍵受力構件，纜索易發生疲勞退化、腐蝕破壞等問題，亟需突破其超高強、超耐蝕、高抗疲勞技術。合金錨固材料作為超高強纜索的關鍵材料，要求其錨固可靠和高耐蝕。

對于強度小于2000 MPa 的纜索，目前熱鑄錨通常使用ZnCu2 和ZnAl6Cu1 兩種合金。對于2100 MPa 及以上強度的超高強纜索，由于鋼絲強度提高，錨固長度也有所增加，如采用傳統的合金材料和灌錨工藝，因其流動性差而導致鋼絲與合金鑄體的有效粘結長度降低、鑄體密實度差，因此需研究與之相匹配的錨固可靠、高耐蝕、流動性好的新型合金錨固材料。

現行橋梁纜索的相關規范中，僅規定了2000 MPa 及以下強度纜索用ZnCu2 和ZnAl6Cu1 兩種合金錨固材料的化學成分和粘結強度，無彈性模量、泊松比等關鍵指標參數，在纜索錨具設計時，只能憑經驗進行計算和校驗；在纜索制造和性能評價時，也無防腐性能和鑄體密實度的具體指標參考。因此，必須了解超高強纜索對合金錨固材料的性能要求，主要包括物理性能、力學性能、防腐性能、流動性等。

3.1 物理性能要求

合金錨固材料的物理性能包括：密度、熱導率、熔化溫度、凝固溫度范圍等，與流動性和密實度等相關。

3.1.1 密度和熱導率

合金的密度和熱導率與流動性有關。密度越大、熱導率越小，在相同過熱度下，保持液態的時間越長，合金的流動性越好［16］。

3.1.2 熔化溫度

合金的熔化溫度越高，灌錨溫度就越高。Gimsing 等［17］認為，合金灌錨溫度過高，將引起鋼絲強度降低。而Yoo H 等［5］和葉覺明等［18］認為，合金灌錨溫度對鋼絲強度的影響不大。應該注意的是，纜索鋼絲熱鍍過程中，鋼絲在鋅鍋內的時間很短，出鋅鍋后因鋼絲細而冷卻速度快，即便如此，熱鍍鋅后鋼絲的強度也有較大幅度下降。而熱鑄錨中鋼絲與合金錨固材料的接觸時間長，灌錨后鑄體的冷卻速度慢，理論上熱鑄錨中鋼絲強度將會受到合金灌錨溫度的影響。因此，如能將合金的熔化溫度降低10～20 ℃，則能有效降低灌錨溫度過高對鋼絲性能的影響。

3.1.3 凝固溫度范圍

合金的凝固溫度范圍越大，流動性越差，使充型能力降低，造成合金鑄體內縮孔和縮松缺陷的幾率大大增加，密實度降低，顯微偏析嚴重。因此，合金的凝固溫度范圍最好不大于60℃。

3.2 力學性能要求

合金錨固材料的力學性能包括：抗拉強度和斷后伸長率、彈性模量和泊松比、抗壓強度、與鋼絲的粘結強度等。這些參數與錨固性能相關。

3.2.1 抗拉強度和斷后伸長率

合金的抗拉強度和伸長率，需通過拉伸試驗實測得出。GB/T 1175—2018［19］列出了常用金屬型鑄造鋅基合金的抗拉強度和伸長率，可作為測試結果的比照參考。

3.2.2 彈性模量和泊松比

在對熱鑄錨錨具進行數值分析設計時，需要使用彈性模量和泊松比這兩項數據，國內現行相關標準無相關指標參考，需通過試驗實測得出。

3.2.3 抗壓強度

合金錨固材料的抗壓強度應滿足Yoo 等［20］提出的壓應力校核公式要求。合金錨固材料壓應力示意如圖3 所示。

圖3 合金錨固材料壓應力示意圖Fig.3 Compressive stress schematic of alloy anchoring materials

壓應力校核公式為：

式中σc，nor為與合金鑄體錐面垂直的環向正壓應力，單位：MPa；Le為合金鑄體的有效粘結長度，單位：mm；θ為合金鑄體的傾角，經驗值取7.5°左右；ρ為錨杯與合金鑄體的摩擦角，經驗值取tanρ=0.2；D2為有效粘結長度范圍內合金鑄體小端直徑，單位：mm；D1為有效粘結長度范圍內合金鑄體大端直徑，單位：mm；T為纜索的公稱拉力，單位：N；［σca］為合金鑄體的許用抗壓強度，應考慮安全系數，單位：MPa。

張英杰［6］測得ZnCu2 合金的平均抗壓強度為358.83 MPa?，F有資料未給出其他鋅基合金的抗壓強度，需通過壓縮試驗實測得出。

3.2.4 粘結強度

鋼絲與合金錨固材料間的粘結強度抗壓強度應滿足下式［20］：

式中σB為單根鋼絲與合金鑄體間的許用粘結強度，需考慮安全系數，單位：MPa；L為單根鋼絲與合金鑄體間的有效粘結長度，取為合金鑄體長度的2/3，單位：mm；σb為鋼絲的公稱抗拉強度，單位：MPa；d為鋼絲的公稱直徑，單位：mm。

對于不同鍍層、強度和直徑的纜索鋼絲，需通過單絲拉拔試驗來確定其與合金錨固材料間的粘結強度。

3.3 防腐性能要求

合金錨固材料的防腐性能主要考察其耐鹽霧腐蝕性能，應優于常用ZnCu2 合金和ZnAl6Cu1 合金，可通過鹽霧試驗進行比較。

3.4 流動性要求

合金錨固材料的流動性是影響熱鑄錨中合金鑄體有效粘結長度和密實度的最重要指標，可通過流動性試驗來測量，應優于常用ZnCu2 和ZnAl6Cu1合金的流動性，鑄體密實度應達到95%以上。

4 超高強纜索用新型多元合金錨固材料的研究建議

針對2100 MPa 及以上強度的超高強纜索用合金錨固材料的性能要求，建議按照“性能指標構建—成分體系設計—模型試驗研究—灌錨裝備研發—灌錨工藝研究”的研究路線，設計高強度、低熔點、耐腐蝕、流動性好的新型多元合金錨固材料，研發“澆鑄模具-預熱保溫裝置-鑄型系統”一體化的灌錨工藝及裝備，形成錨固材料的“熔煉-澆鑄”灌錨方法。

4.1 性能指標構建

針對超高強纜索的特點，構建新型合金錨固材料的具體性能指標，包括力學性能（抗拉強度和延伸率、彈性模量和泊松比、抗壓強度、粘結強度等）、耐久性能（耐腐蝕性、尺寸穩定性）、錨固性能（與纜索的強度匹配性、抗拉拔性能）、以及工藝性能（流動性、灌錨密實度）等技術指標。

4.2 成分體系設計

根據成分對合金錨固材料性能的影響，綜合考慮錨固材料的力學性能、耐久性能、錨固性能和工藝性能等指標，設計新型多元合金錨固材料的成分配比范圍，優先采用Zn-Al-Cu-Mg 或Zn-Al-Cu-Mg-RE多元合金。

4.3 模型試驗研究

在所設計的多元合金元素基本成分配比范圍內制作試樣，開展正交試驗并與常用ZnCu2 合金和ZnAl6Cu1 合金進行各項性能對比，優選出綜合性能最佳的高強度、低熔點、低收縮、高耐蝕、流動性好的多元合金成分。

4.4 灌錨裝備研發

根據超高強纜索用錨具的結構特點，結合多元合金的鑄造特性，研發與錨杯內腔結構相匹配的澆鑄模具、模具預熱及保溫裝置等灌錨裝備，設計合理的澆冒口系統，形成“澆鑄模具-預熱保溫裝置-鑄型系統”一體化的灌錨裝備。

4.5 灌錨工藝研究

基于多元合金錨固材料的化學成分特點，研究合金的熔煉和細化處理方法，獲得能改善鑄體性能、降低鑄體缺陷的多元合金熔液；結合灌錨裝備，研究包含涂料選擇、模具預熱、澆鑄溫度和脫型時間在內的多元合金澆鑄方法，形成新型多元合金錨固材料的“熔煉-澆鑄”灌錨方法。

5 結論

（1）為保證超高強纜索的百年服役需求，纜索宜采用熱鑄錨錨固，錨固材料選用強度高、耐久性好的合金錨固材料。

（2）Zn-Al 系合金可作為熱鑄錨用錨固材料，其性能等由合金中的Al，Cu，Mg，RE 及雜質元素的成分和含量決定。

（3）超高強纜索用合金錨固材料的性能指標，主要包括物理性能、力學性能、防腐性能、流動性等。

（4）可按“性能指標構建—成分體系設計—模型試驗研究—灌錨裝備研發—灌錨工藝研究”的研究路線，進行2100 MPa 及以上強度超高強纜索用合金錨固材料的研究。