摘 要:運用化學及結構振動原理,闡述了體外預應力筋腐蝕破壞機理,分析了體外預應力筋振動頻率對梁正常使用的影響。在以上基礎上,針對體外預應力混凝土結構在耐久性方面存在的問題,提出了體外預應力筋系統耐久性防護的技術措施。
關鍵詞:預應力混凝土;體外預應力;耐久性
預應力混凝土結構是混凝土結構領域內的一門新興的科學技術。預應力技術被廣泛應用于大懸臂結構、大跨空間結構、特種結構、轉換層、錨桿及加固等領域。體外預應力混凝土結構是指預應力筋布置在混凝土構件截面以外的預應力結構,是現代預應力結構體系的一個重要新興分支,其概念及方法產生于法國,由Engene Freyssinet 完成了體外預應力的首次應用,與之相對應的即為傳統的將預應力筋布置在構件截面內部的一般預應力混凝土結構。體外預應力與傳統預應力體系相比較,具有很多優(yōu)點。體外預應力現階段主要應用于預應力混凝土橋梁、特種結構和大跨度建筑工程結構及加固和維修等工程中,所以,一旦由于其自身的腐蝕破壞而導致結構失效,則產生的危害與影響會相當大。因此,確保體外預應力混凝土結構的耐久性極其重要。而影響體外預應力混凝土結構耐久性的重要因素之一,就是體外預應力筋的腐蝕破壞。傳統預應力體系的耐久性防護普遍采用灌漿材料封堵或套管加填充材料防腐,應用十分普遍。本文重點闡述體外預應力筋的防腐問題,并提出體外預應力筋系統的常用防護措施。
1 體外預應力筋腐蝕破壞機理及防護技術措施
按照體外預應力鋼筋混凝土結構的周圍侵蝕介質所發(fā)生的作用,體外預應力筋的腐蝕破壞機理與普通混凝土結構的鋼筋腐蝕一樣,可分為化學腐蝕和電化學腐蝕2 類。
1. 1 化學腐蝕
體外預應力筋的化學腐蝕多數是氧化作用,它是由非電解質溶液或各種干燥氣體,如O2 ,CO2 ,SO2 ,CL2 與H2S 等所引起的一種純化學性的腐蝕,在鋼材表面形成松散的氧化物。特別是體外預應力筋在周圍介質溫變和濕變較高的條件下,腐蝕進行得很快。
1. 2 電化學腐蝕
電化學腐蝕是體外預應力筋與電解質溶液接觸后,由于產生電化學作用,即預應力筋其兩點處的材質和環(huán)境的差異而產生的電位差,在不同電位的區(qū)段之間形成陽極和陰極。其反應如下?！ ?/DIV>
陽極:Fe →Fe2 + + 2e 。
陰極:
吸氧還原:2e + H2O +1/2O2 →2OH- ;
析氫還原:H2O + H+ + e →+ Had + H2O
通過以上陽極反應和陰極反應將導致體外預應力筋鈍化膜脫落的腐蝕破壞。研究表明,腐蝕破壞主要取決于周圍介質的性質,但體外預應力筋的組織成分對腐蝕影響也很大。如何保護預應力筋不因腐蝕影響結構的耐久性是一個很有意義的問題。
2 體外預應力筋的防腐
體外預應力筋是體外預應力混凝土結構的主要受力構件,它通過錨具將預應力傳遞給主體結構,通過轉向塊實現轉向,它們的耐久性決定結構的耐久性,所以,有必要采取防護措施來保護體外預應力筋、錨具和轉向塊。目前,體外預應力筋的防腐主要采取以下幾種方式。
2. 1 保護層防腐
鋼材總是在腐蝕介質的條件下服役,因此,隔離(或減緩) 鋼基的介質腐蝕是鋼材防腐的一個重要形式。體外預應力筋按防腐保護層種類的不同,可分為以下2 種。
2. 1. 1 金屬保護層防腐———鍍鋅防腐
鍍鋅是體外預應力筋中廣泛采用的一種金屬保護鍍層防腐方法。鍍鋅防腐實際是一種犧牲陽極的陰極保護法,在腐蝕介質中,鋅原子失去電子變?yōu)殛栯x子而發(fā)生腐蝕,從而使作為陰極的鋼筋受到保護。鍍鋅一般采用熱浸鍍鋅工藝。這種方法造價較低,結構簡單,運營時索的更換及內力調整都比較簡單、方便。但是,這種方法的缺點比較多:
(1) 鋼絞線或鋼絲本身強度降低。熱鍍鋅層技術需在400 ℃左右的溫度條件下才能使鋅層與鋼絞絲或鋼絲表面熔為一體, 從而造成鋼絞線或鋼絲本身強度降低。
(2) 引起“氫脆”。由于鍍鋅是采取犧牲陽極保護法,可能產生氫,引起氫脆,反而加速破裂,這種情況尤其在不含氧的非氧化酸性環(huán)境中容易發(fā)生。
(3) 鍍鋅鋼筋易被刮傷。鍍鋅鋼筋直接裸露于環(huán)境中,容易被刮傷,不利于體外預應力筋防腐。
(4) 污染環(huán)境。體外預應力筋的鍍鋅防腐對環(huán)境造成污染。
2. 1. 2 非金屬保護層防腐———環(huán)氧樹脂涂層防腐
體外預應力筋的非金屬保護層主要采用環(huán)氧樹脂涂層。具體方法有2 種:
(1) 僅在絞線表面噴涂環(huán)氧涂層,不填充鋼絲間的縫隙;
(2) 將鋼絞線打開噴涂后再閉合,鋼絲間的空隙也填充環(huán)氧樹脂;
這樣,可以防止?jié)駳馔ㄟ^中心絲周圍空隙進入。
環(huán)氧樹脂涂層鋼絞線具有以下優(yōu)點:
(1) 對鋼絞線本身的性能不造成影響,而且環(huán)氧涂層鋼絞線的疲勞強度不低于裸鋼絞線的疲勞強度。原因在于環(huán)氧樹脂涂層鋼絞線采用電涂層或低溫溶涂技術;
(2) 比鍍鋅防腐體系的防腐蝕性強。由于環(huán)氧噴涂層兼具防止陽極和陰極反應的能力,所以,采用該方法所具有的防腐蝕性比鍍鋅防腐體系的防腐蝕性強;
(3) 使用期內可以調整索力或更換索。
2. 1. 3 套管加填充材料防腐
這種方法是在索的外面加套管,待張拉完預應力筋后,在套管內灌注填充材料。這種防腐系統增加了2 層防腐屏障(填充材料和套管) ,因此,防腐性能優(yōu)于第1 種,但造價也較高。
該防腐系統的索主要有鍍鋅鋼絲或鋼絞線、環(huán)氧涂層鋼絞線、裸鋼絲或鋼絞線等。
這種防腐系統的套管可以是鋼套管、塑料套管或鋼管加強的塑料套管、不銹鋼或銅皮包裝材料等,具有如下特點:
(1) 鋼管強度高,保護鋼絞線或鋼絲能力強,但本身存在防腐問題;
(2) 塑料套管一般采用聚氯乙烯套管。塑料套管的耐腐蝕性強,但存在老化開裂問題。
2. 1. 4 灌漿材料
灌漿材料分為剛性灌漿材料和非剛性灌漿材料。
水泥漿是最簡單、最常用的灌漿材料,且材料費用較低,具有如下特點:
(1) 水泥漿體可以給預應力鋼束提供堿性環(huán)境,使其表面形成致密的氧化膜,而且由于有套管的保護,水泥漿也不易被碳化;
(2) 水泥漿容易離析、干縮后收縮、析水,從而導致孔隙產生,不利于預應力筋的防腐;
(3) 體外索一般不能更換。
非剛性灌漿材料有石蠟和油脂,具有如下特點:
(1) 體外索可以重新張拉或更換;
(2) 非剛性防腐化合物的膨脹會引起作用在外套管的附加應力;
(3) 油脂升溫后的膨脹可能導致油脂泄漏。
2. 1. 5 采用單股無粘結鋼絞線
單股無粘結鋼絞線是將鋼絞線擠入PE 套管并內充油脂而形成,具有如下特點:
(1) 自身具有防護系統,可以不用管道而單獨使用,也可以外面加套管,并充入灌漿材料構成具有多重防護功能的防護系統;
(2) 無粘結鋼絞線直接在工廠生產,不僅提高質量,而且提高鋼絞線在運輸、存儲、安裝過程的耐腐蝕性;
(3) 采用無粘結鋼絞線作為體外預應力筋時,錨固區(qū)預應力筋的外套管的區(qū)段需進行重新防腐;
(4) 單股無粘結鋼絞線外加套管的結構,無論采用剛性灌漿材料還是非剛性灌漿材料,均可進行索力調整及單根索或整束索更換;
(5) 采用這種防腐系統的體外索能抵抗較高的疲勞負荷,而且防腐能力強,可以用于比較惡劣的環(huán)境中。
3 體外預應力筋的振動頻率及減振措施
3. 1 振動頻率
體外預應力筋僅在錨具和轉向蝕處受到約束,當梁受到活荷載作用時,轉向塊(錨固端) 間的預應力筋就可能產生獨立于梁的振動。設定預應力筋按預應力筋縱向振動,梁按彎曲振動,則預應力筋的自振圓頻率為:
梁的自振圓頻率為:
(2)
(2)當式(1) 和(2) 中自振圓頻率相等或接近,即梁高為
(3) 時,體外預應力筋和梁就能產生共振現象。共振不僅影響梁的正常使用,甚至導致體外索斷裂,梁破壞。因此,應采取構造上的措施,避免梁和體外索發(fā)生共振。
3. 2 減振措施
(1) 可通過轉向塊位置設計或轉向塊間增設減振裝置將索與混凝土梁固定起來的方法,來改變體外索自由段長度,從而改變體外索的固有頻率,避免梁和體外索的固有頻率相近,防止共振。
(2) 采用振動理論計算固有頻率時,為安全起見,應放大梁和鋼絞線的頻率差范圍,二者的固有頻率應在0. 7～1. 4 以外。
(3) 對重要或復雜的結構,應進行測試。
4 轉向塊與錨具的防腐
轉向塊是實現體外預應力筋轉向的重要構件,如果轉向塊破壞,體外預應力筋就失去了作用,因此,轉向塊的耐久性決定體外預應力筋的使用和耐久性。
4. 1 轉向塊
轉向塊由轉向器及轉向結構構造2 部分組成。
4. 1. 1 轉向器
以鋼管轉向器為例,其防腐措施如下:
(1) 保證鋼管周圍混凝土的密實性及鋼管混凝土保護層的厚度;
(2) 對于裸露于空氣中的鋼管表面,應涂防水材料或防腐涂層;
(3) 對于箱形梁結構,要避免箱形梁內積水,以防轉向鋼管腐蝕;
(4) 轉向鋼管的彎曲半徑應滿足最小彎曲半徑的要求,以免損壞體外預應力筋和聚乙烯套管;
(5) 鋼管在轉向塊中的位置必須準確且牢固定位,以減少體外索在轉向塊處的摩擦損失;
(6) 若轉向鋼管通過PE 套管直接相連,則連接處可以通過纏繞膠帶保證密封性。
4. 1. 2 轉向結構構造
(1) 轉向塊的混凝土結構應進行局部承壓設計,以使轉向塊能夠承擔體外預應力筋傳來的橫向和豎向集中力。
(2) 嚴格控制施工質量,以保證轉向塊處混凝土的密實性和強度。
4. 2 錨具
與有粘結體內預應力結構不同,體外預應力結構的錨固一旦破壞,體外索的預應力就會喪失,因此,錨具是體外預應力結構的關鍵構件。下面分別按不同功能的錨具,介紹其防腐措施。
4. 2. 1 不可調整索力的錨具
(1) 將錨頭設在梁端預留的錨穴內,錨固后用水泥砂或環(huán)環(huán)氧砂漿密封;
(2) 槽口內壁在澆筑砂漿前宜涂環(huán)氧樹脂類粘結劑,以加強新老材料間的粘結,防止干縮裂縫。
4. 2. 2 可調整索力或可更索的錨具
(1) 錨頭外部罩以可以開啟的防護罩,內充防腐油脂或石臘;
(2) 錨具裸露在空氣中的部分或承壓板的表面應涂防水材料。
5 結 語
(1) 體外預應力筋系統包括體外預應力筋、錨具和轉向塊,它們的耐久性直接決定體外預應力結構的耐久性;
(2) 體外預應力筋的防腐方法包括保護層防腐、套管防腐和采用單股無粘結鋼絞線3 種,其中,套管防腐性能優(yōu)于保護層防護,但造價也較高,采用單股無粘結鋼絞線的體外索能抵抗較高的疲勞負荷,而且防腐能力強,可以用于比較惡劣的環(huán)境中。
(3) 體外預應力筋防腐方法的選用應綜合考慮環(huán)境條件、索是否需要重新再張拉或更換、結構類型、結構的重要性和經濟性等因素,如:惡劣環(huán)境要求采用第2 種或第3 種防腐措施、干燥無腐蝕環(huán)境可以采用第1 種防腐措施,采用不可更換體外預應力筋的防腐等級等級可選較高等級,永久結構要采用等級較高的防腐體系。
(4) 可通過轉向塊位置設計或轉向塊間增設減振裝置將索與混凝土梁固定起來的方法,來改變體外索自由段長度,從而改變體外索的固有頻率,避免梁和體外索的固有頻率相近,防止共振。
(5) 轉向塊由轉向器和轉向結構構造2 部分組成,是實現體外預應力筋轉向的重要構件,其耐久性決定體外預主應力筋的使用效果和耐久性;
(6) 錨具是體外預應力結構的關鍵構件,錨固部分的防腐能力與錨具端頭封堵材料的質量及施工質量關系密切,應嚴格控制。
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