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为什么大桥的钢缆很圆润?没想到这个致命弱点现在成了续命绝招 | 科学diy

来源: 把科学带回家  发布时间:2022-03-18

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  给孩子最好的科学教育

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  你见过那种悬索跨海大桥的主缆吗?

  它们都是什么形态的呢?是不是圆柱形的?

  可能你觉得这没什么,因为圆柱形的比较好制造嘛。可是实际上,悬索桥的主缆的形态和大桥的生死存亡密切相关。

  关键概念

  锈蚀

  材料和操作

  3个铁钉

  3个带塞子的试管,或者三个能密封的罐子

  防潮剂,比如无水氯化钙,或者食品干燥剂

  食用油

  把三枚铁钉分别放到3个试管里。

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  1 在第一个试管里倒入一半生水,塞上塞子。

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  2 在第二个试管里倒入刚刚煮开的热水(这样水里溶解的空气较少),最后用油封住水面,并塞上塞子。

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  3 在第三个试管里放入大量防潮剂,然后塞上塞子。

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  把3个试管放在相同的环境里,等3天后拿出来看。3根铁钉里,谁生锈了,谁没有生锈呢?

  实际上,如果你的操作没问题,生锈的应该是泡在一半生水里的那根铁钉。

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  原理

  这个实验证明,生锈的必要条件是水,以及空气。因为光接触水(第二个试管),以及光接触干燥空气(第三个试管)都无法让铁钉生锈。

  实际上,钢铁生锈的条件十分简单粗暴——在空气相对湿度小于40%的情况下,钢铁就不会生锈。

  麻省理工学院(mit)腐蚀实验室的材料学教授 h. h. uhlig 的经典研究发现,相对湿度(水蒸气的饱和度,绝对湿度与最高湿度之间的比)小于40%时,钢铁几乎无法被腐蚀;相对湿度在40%-60%之间,腐蚀的发生速度较慢;只有在相对湿度超过60%时,钢铁才会迅速腐蚀。

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  h. h. uhlig 的经典研究发现,相对湿度(水蒸气的饱和度,绝对湿度与最高湿度之间的比)小于40%时,钢铁几乎无法被腐蚀。

  这就是悬索桥面临的严峻考验。在海风中,悬索桥的主缆持续承受着空气湿度和具有腐蚀性的物质(如沿海地区空气中的大量氯化钠,氯化镁颗粒)造成的双重腐蚀。悬索桥的主缆在生命周期内是不能更换的,所以它的腐蚀程度直接决定了大桥的寿命。

  这就是悬索桥的主缆必须是圆柱形的重要原因了。

  30年代的时候,美国建造了大量悬索桥。当时的防锈方法是,钢缆被紧密扎起来以后,外面涂一层铅和亚麻籽做的腻子,然后用缠丝缠绕,再套一个保护层。

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  但是1996年美国纽约地区的检测发现,这种方法并不能有效保护主缆,纽约地区悬索桥的腐蚀情况相当严重。

  1990年,日本一架只有7年历史的悬索桥的主缆也发生了腐蚀。后来的检测发现,一些更新的悬索桥也被海风腐蚀了。

  后来桥梁工程师们才明白,不管主缆包得多好,湿气总有办法钻到主缆中,因为里面的钢缆是圆柱形的,圆柱体之间总有缝隙啊。更可怕的是,因为有保护层包裹,主缆被打开检测的时候,腐蚀的情况往往已经很严重了。

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  1968年,旧金山金门大桥的主缆外部被发现受到了腐蚀。

  既然“漏风”问题是缆线的圆柱形态导致的,有没有办法利用这个缺陷反败为胜呢?

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  利用圆柱形的缆线间的间隙,可以把经过除湿的空气送入主缆中,防止主缆锈蚀。

  1994年开始,日本开始研究把干燥的新风送入主缆中,利用缆线间的缝隙除湿的送风干燥系统,并在濑户大桥上首次应用。

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  濑户大桥

  这种除湿系统后来被美国、英国、韩国、北欧各国以及我国效仿。国内首个使用除湿系统的是2005年竣工,连接江苏省的镇江市润州区与扬州的润扬长江公路大桥(是润扬,不是润肠)。所以,许多跨海悬索桥的桥面都有一个生产干燥空气的机房,把干燥的空气泵入主缆。

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  2005年竣工通车的润扬长江公路大桥

  总之看完钢缆除湿防锈的故事我们明白,圆柱形的食物容易卡住奇奇怪怪的气体,大家注意吃意面的时候少喝可乐,不然容易打嗝放p。

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