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(zhàn)略驅(qū)動橋梁向超大跨徑、高耐久和長壽命方向發(fā)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(nèi)灌注由環(huán)氧樹脂、鋼丸、固化劑、增韌劑、稀釋劑和填充料組成的環(huán)氧鐵砂料，在一定溫度下養(yǎng)護后，與高強鋼絲粘結(jié)固化形成鑄體而對其進行錨固。熱鑄錨是向錨具內(nèi)澆鑄熔融的低熔點合金，合金凝固后與高強鋼絲粘結(jié)形成合金鑄體而實現(xiàn)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(huán)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(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高錨具抗疲勞性能的基礎(chǔ)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(xiàn)超高強纜索百年服役要求的材料和技術(shù)保障。

1 纜索熱鑄錨錨固技術(shù)概述

1.1 熱鑄錨結(jié)構(gòu)與錨固機理

纜索熱鑄錨錨固技術(shù)由鋼絲繩繩端合金熔鑄套接技術(shù)發(fā)展而來。根據(jù)用途不同，鋼絲繩的連接方式有編接、繩卡固結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)腔的錨杯，再將錨杯內(nèi)鋼絲束的各根鋼絲散開，然后向錨杯內(nèi)灌注低熔點合金液，待合金凝固后與鋼絲粘結(jié)成楔形鑄體，形成熱鑄錨結(jié)構(gòu)，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(jié)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(gòu)，從而實現(xiàn)纜索鋼絲束的錨固［3-4］。

圖2 橋梁纜索熱鑄錨錨固結(jié)構(gòu)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(jié)力決定了熱鑄錨的錨固效果。而粘結(jié)力與粘結(jié)強度和粘結(jié)長度成正比［5］：

式中T為鋼絲與合金錨固材料間的粘結(jié)力，單位：N；σB為鋼絲與合金錨固材料間的粘結(jié)強度，單位：MPa；d為鋼絲直徑，單位：mm；L為鋼絲粘結(jié)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(jié)強度，進行了單根鋼絲拉拔試驗，結(jié)果表明：不同鋼絲與Zn-Cu 合金錨固材料的粘結(jié)強度有較大差距。Yoo 等［5］、Brandon 等［7］對粘結(jié)強度試驗后的試樣進行了解剖分析，結(jié)果表明：合金鑄體的密實度對粘結(jié)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(jié)力易受粘結(jié)強度的影響；同時，纜索錨杯內(nèi)鋼絲數(shù)量少、發(fā)散角小，單根鋼絲與合金鑄體間的粘結(jié)強度決定了錨具的整體粘結(jié)力［5］。

考慮結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟因素，鋼絲在合金鑄體內(nèi)的埋入長度有限。因此，在合理的粘結(jié)長度下，合金錨固材料的澆鑄密實度及其與鋼絲的粘結(jié)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(jié)構(gòu)，其成分主要為Zn，Al，Cu，Mg、RE 及雜質(zhì)如Fe，Pb，Sn，Cd 等元素。通過對文獻［8-11］等資料的調(diào)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(xué)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(xué)性能的影響不再明顯。

即使沒有雜質(zhì)元素存在，Zn-Al 合金也會受到腐蝕，產(chǎn)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(guān)。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(jié)果也和上述結(jié)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(shù)呈線性關(guān)系。Cu 能使合金發(fā)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(nèi)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(fā)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(wěn)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(zhuǎn)變、提高合金的尺寸穩(wěn)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(wěn)定性。Mg 還可以提高合金的晶間耐腐蝕能力、降低“老化”現(xiàn)象。但Mg 含量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，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(fā)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(xué)性能。郭光平［14］在常規(guī)低鋁和高鋁鋅合金中加入適量的稀土Ce 進行變質(zhì)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(zhì)處理，結(jié)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(xiàn)硬質(zhì)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(zhì)元素的影響

Pb，Sn，Cd 是鋅基合金中的雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xué)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(wěn)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(guān)鍵受力構(gòu)件，纜索易發(fā)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(shù)。合金錨固材料作為超高強纜索的關(guān)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(tǒng)的合金材料和灌錨工藝，因其流動性差而導(dǎo)致鋼絲與合金鑄體的有效粘結(jié)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(xiàn)行橋梁纜索的相關(guān)規(guī)范中，僅規(guī)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(xué)成分和粘結(jié)強度，無彈性模量、泊松比等關(guān)鍵指標參數(shù)，在纜索錨具設(shè)計時，只能憑經(jīng)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(xué)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(dǎo)率、熔化溫度、凝固溫度范圍等，與流動性和密實度等相關(guān)。

3.1.1 密度和熱導(dǎo)率

合金的密度和熱導(dǎo)率與流動性有關(guān)。密度越大、熱導(dǎo)率越小，在相同過熱度下，保持液態(tài)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(yīng)該注意的是，纜索鋼絲熱鍍過程中，鋼絲在鋅鍋內(nèi)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(nèi)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(xué)性能要求

合金錨固材料的力學(xué)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(jié)強度等。這些參數(shù)與錨固性能相關(guān)。

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(jié)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(shù)值分析設(shè)計時，需要使用彈性模量和泊松比這兩項數(shù)據(jù)，國內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)標準無相關(guān)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(yīng)滿足Yoo 等［20］提出的壓應(yīng)力校核公式要求。合金錨固材料壓應(yīng)力示意如圖3 所示。

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

壓應(yīng)力校核公式為：

式中σc，nor為與合金鑄體錐面垂直的環(huán)向正壓應(yīng)力，單位：MPa；Le為合金鑄體的有效粘結(jié)長度，單位：mm；θ為合金鑄體的傾角，經(jīng)驗值取7.5°左右；ρ為錨杯與合金鑄體的摩擦角，經(jīng)驗值取tanρ=0.2；D2為有效粘結(jié)長度范圍內(nèi)合金鑄體小端直徑，單位：mm；D1為有效粘結(jié)長度范圍內(nèi)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(yīng)考慮安全系數(shù)，單位：MPa。

張英杰［6］測得ZnCu2 合金的平均抗壓強度為358.83 MPa?，F(xiàn)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(jié)強度

鋼絲與合金錨固材料間的粘結(jié)強度抗壓強度應(yīng)滿足下式［20］：

式中σB為單根鋼絲與合金鑄體間的許用粘結(jié)強度，需考慮安全系數(shù)，單位：MPa；L為單根鋼絲與合金鑄體間的有效粘結(jié)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(jié)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(yīng)優(yōu)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(jié)長度和密實度的最重要指標，可通過流動性試驗來測量，應(yīng)優(yōu)于常用ZnCu2 和ZnAl6Cu1合金的流動性，鑄體密實度應(yīng)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(gòu)建—成分體系設(shè)計—模型試驗研究—灌錨裝備研發(fā)—灌錨工藝研究”的研究路線，設(shè)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(fā)“澆鑄模具-預(yù)熱保溫裝置-鑄型系統(tǒng)”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(gòu)建

針對超高強纜索的特點，構(gòu)建新型合金錨固材料的具體性能指標，包括力學(xué)性能（抗拉強度和延伸率、彈性模量和泊松比、抗壓強度、粘結(jié)強度等）、耐久性能（耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)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(shù)指標。

4.2 成分體系設(shè)計

根據(jù)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(xué)性能、耐久性能、錨固性能和工藝性能等指標，設(shè)計新型多元合金錨固材料的成分配比范圍，優(yōu)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(shè)計的多元合金元素基本成分配比范圍內(nèi)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(yōu)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(fā)

根據(jù)超高強纜索用錨具的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合多元合金的鑄造特性，研發(fā)與錨杯內(nèi)腔結(jié)構(gòu)相匹配的澆鑄模具、模具預(yù)熱及保溫裝置等灌錨裝備，設(shè)計合理的澆冒口系統(tǒng)，形成“澆鑄模具-預(yù)熱保溫裝置-鑄型系統(tǒng)”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(xué)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(jié)合灌錨裝備，研究包含涂料選擇、模具預(yù)熱、澆鑄溫度和脫型時間在內(nèi)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(jié)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(zhì)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(xué)性能、防腐性能、流動性等。

（4）可按“性能指標構(gòu)建—成分體系設(shè)計—模型試驗研究—灌錨裝備研發(fā)—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。