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体外预应力混凝土结构耐久性防护问题的探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2007-11-13  来源:铁道科学与工程学报2007年8月第4期  作者:刘少兵
核心提示:体外预应力混凝土结构耐久性防护问题的探讨
  摘 要:运用化学及结构振动原理,阐述了体外预应力筋腐蚀破坏机理,分析了体外预应力筋振动频率对梁正常使用的影响。在以上基础上,针对体外预应力混凝土结构在耐久性方面存在的问题,提出了体外预应力筋系统耐久性防护的技术措施。

  关键词:预应力混凝土;体外预应力;耐久性

  预应力混凝土结构是混凝土结构领域内的一门新兴的科学技术。预应力技术被广泛应用于大悬臂结构、大跨空间结构、特种结构、转换层、锚杆及加固等领域。体外预应力混凝土结构是指预应力筋布置在混凝土构件截面以外的预应力结构,是现代预应力结构体系的一个重要新兴分支,其概念及方法产生于法国,由Engene Freyssinet 完成了体外预应力的首次应用,与之相对应的即为传统的将预应力筋布置在构件截面内部的一般预应力混凝土结构。体外预应力与传统预应力体系相比较,具有很多优点。体外预应力现阶段主要应用于预应力混凝土桥梁、特种结构和大跨度建筑工程结构及加固和维修等工程中,所以,一旦由于其自身的腐蚀破坏而导致结构失效,则产生的危害与影响会相当大。因此,确保体外预应力混凝土结构的耐久性极其重要。而影响体外预应力混凝土结构耐久性的重要因素之一,就是体外预应力筋的腐蚀破坏。传统预应力体系的耐久性防护普遍采用灌浆材料封堵或套管加填充材料防腐,应用十分普遍。本文重点阐述体外预应力筋的防腐问题,并提出体外预应力筋系统的常用防护措施。

  1  体外预应力筋腐蚀破坏机理及防护技术措施

  按照体外预应力钢筋混凝土结构的周围侵蚀介质所发生的作用,体外预应力筋的腐蚀破坏机理与普通混凝土结构的钢筋腐蚀一样,可分为化学腐蚀和电化学腐蚀2 类。

  1. 1  化学腐蚀

  体外预应力筋的化学腐蚀多数是氧化作用,它是由非电解质溶液或各种干燥气体,如O2 ,CO2 ,SO2 ,CL2 与H2S 等所引起的一种纯化学性的腐蚀,在钢材表面形成松散的氧化物。特别是体外预应力筋在周围介质温变和湿变较高的条件下,腐蚀进行得很快。

  1. 2  电化学腐蚀

  电化学腐蚀是体外预应力筋与电解质溶液接触后,由于产生电化学作用,即预应力筋其两点处的材质和环境的差异而产生的电位差,在不同电位的区段之间形成阳极和阴极。其反应如下。    
阳极:Fe →Fe2 + + 2e 。
阴极:
吸氧还原:2e + H2O +1/2O2 →2OH- ;
析氢还原:H2O + H+ + e →+ Had + H2O

  通过以上阳极反应和阴极反应将导致体外预应力筋钝化膜脱落的腐蚀破坏。研究表明,腐蚀破坏主要取决于周围介质的性质,但体外预应力筋的组织成分对腐蚀影响也很大。如何保护预应力筋不因腐蚀影响结构的耐久性是一个很有意义的问题。

  2  体外预应力筋的防腐

  体外预应力筋是体外预应力混凝土结构的主要受力构件,它通过锚具将预应力传递给主体结构,通过转向块实现转向,它们的耐久性决定结构的耐久性,所以,有必要采取防护措施来保护体外预应力筋、锚具和转向块。目前,体外预应力筋的防腐主要采取以下几种方式。

  2. 1  保护层防腐

  钢材总是在腐蚀介质的条件下服役,因此,隔离(或减缓) 钢基的介质腐蚀是钢材防腐的一个重要形式。体外预应力筋按防腐保护层种类的不同,可分为以下2 种。

  2. 1. 1  金属保护层防腐———镀锌防腐

  镀锌是体外预应力筋中广泛采用的一种金属保护镀层防腐方法。镀锌防腐实际是一种牺牲阳极的阴极保护法,在腐蚀介质中,锌原子失去电子变为阳离子而发生腐蚀,从而使作为阴极的钢筋受到保护。镀锌一般采用热浸镀锌工艺。这种方法造价较低,结构简单,运营时索的更换及内力调整都比较简单、方便。但是,这种方法的缺点比较多:

  (1) 钢绞线或钢丝本身强度降低。热镀锌层技术需在400 ℃左右的温度条件下才能使锌层与钢绞丝或钢丝表面熔为一体, 从而造成钢绞线或钢丝本身强度降低。

  (2) 引起“氢脆”。由于镀锌是采取牺牲阳极保护法,可能产生氢,引起氢脆,反而加速破裂,这种情况尤其在不含氧的非氧化酸性环境中容易发生。

  (3) 镀锌钢筋易被刮伤。镀锌钢筋直接裸露于环境中,容易被刮伤,不利于体外预应力筋防腐。

  (4) 污染环境。体外预应力筋的镀锌防腐对环境造成污染。

  2. 1. 2  非金属保护层防腐———环氧树脂涂层防腐

  体外预应力筋的非金属保护层主要采用环氧树脂涂层。具体方法有2 种:
  (1) 仅在绞线表面喷涂环氧涂层,不填充钢丝间的缝隙;
  (2) 将钢绞线打开喷涂后再闭合,钢丝间的空隙也填充环氧树脂;

  这样,可以防止湿气通过中心丝周围空隙进入。

  环氧树脂涂层钢绞线具有以下优点:
  (1) 对钢绞线本身的性能不造成影响,而且环氧涂层钢绞线的疲劳强度不低于裸钢绞线的疲劳强度。原因在于环氧树脂涂层钢绞线采用电涂层或低温溶涂技术;
  (2) 比镀锌防腐体系的防腐蚀性强。由于环氧喷涂层兼具防止阳极和阴极反应的能力,所以,采用该方法所具有的防腐蚀性比镀锌防腐体系的防腐蚀性强;
  (3) 使用期内可以调整索力或更换索。

  2. 1. 3  套管加填充材料防腐

  这种方法是在索的外面加套管,待张拉完预应力筋后,在套管内灌注填充材料。这种防腐系统增加了2 层防腐屏障(填充材料和套管) ,因此,防腐性能优于第1 种,但造价也较高。

  该防腐系统的索主要有镀锌钢丝或钢绞线、环氧涂层钢绞线、裸钢丝或钢绞线等。
这种防腐系统的套管可以是钢套管、塑料套管或钢管加强的塑料套管、不锈钢或铜皮包装材料等,具有如下特点:
(1) 钢管强度高,保护钢绞线或钢丝能力强,但本身存在防腐问题;
(2) 塑料套管一般采用聚氯乙烯套管。塑料套管的耐腐蚀性强,但存在老化开裂问题。

  2. 1. 4  灌浆材料

  灌浆材料分为刚性灌浆材料和非刚性灌浆材料。

  水泥浆是最简单、最常用的灌浆材料,且材料费用较低,具有如下特点:
  (1) 水泥浆体可以给预应力钢束提供碱性环境,使其表面形成致密的氧化膜,而且由于有套管的保护,水泥浆也不易被碳化;
  (2) 水泥浆容易离析、干缩后收缩、析水,从而导致孔隙产生,不利于预应力筋的防腐;
  (3) 体外索一般不能更换。

  非刚性灌浆材料有石蜡和油脂,具有如下特点:
  (1) 体外索可以重新张拉或更换;
  (2) 非刚性防腐化合物的膨胀会引起作用在外套管的附加应力;
  (3) 油脂升温后的膨胀可能导致油脂泄漏。

  2. 1. 5  采用单股无粘结钢绞线

  单股无粘结钢绞线是将钢绞线挤入PE 套管并内充油脂而形成,具有如下特点:
  (1) 自身具有防护系统,可以不用管道而单独使用,也可以外面加套管,并充入灌浆材料构成具有多重防护功能的防护系统;
  (2) 无粘结钢绞线直接在工厂生产,不仅提高质量,而且提高钢绞线在运输、存储、安装过程的耐腐蚀性;
  (3) 采用无粘结钢绞线作为体外预应力筋时,锚固区预应力筋的外套管的区段需进行重新防腐;
  (4) 单股无粘结钢绞线外加套管的结构,无论采用刚性灌浆材料还是非刚性灌浆材料,均可进行索力调整及单根索或整束索更换;
  (5) 采用这种防腐系统的体外索能抵抗较高的疲劳负荷,而且防腐能力强,可以用于比较恶劣的环境中。

  3  体外预应力筋的振动频率及减振措施

  3. 1  振动频率

  体外预应力筋仅在锚具和转向蚀处受到约束,当梁受到活荷载作用时,转向块(锚固端) 间的预应力筋就可能产生独立于梁的振动。设定预应力筋按预应力筋纵向振动,梁按弯曲振动,则预应力筋的自振圆频率为: 
  (1)
 
 
梁的自振圆频率为:
      (2)
当式(1) 和(2) 中自振圆频率相等或接近,即梁高为
   (3)              
时,体外预应力筋和梁就能产生共振现象。共振不仅影响梁的正常使用,甚至导致体外索断裂,梁破坏。因此,应采取构造上的措施,避免梁和体外索发生共振。

  3. 2  减振措施

  (1) 可通过转向块位置设计或转向块间增设减振装置将索与混凝土梁固定起来的方法,来改变体外索自由段长度,从而改变体外索的固有频率,避免梁和体外索的固有频率相近,防止共振。

  (2) 采用振动理论计算固有频率时,为安全起见,应放大梁和钢绞线的频率差范围,二者的固有频率应在0. 7~1. 4 以外。

  (3) 对重要或复杂的结构,应进行测试。

  4  转向块与锚具的防腐

  转向块是实现体外预应力筋转向的重要构件,如果转向块破坏,体外预应力筋就失去了作用,因此,转向块的耐久性决定体外预应力筋的使用和耐久性。

  4. 1  转向块

  转向块由转向器及转向结构构造2 部分组成。

  4. 1. 1  转向器

  以钢管转向器为例,其防腐措施如下:
  (1) 保证钢管周围混凝土的密实性及钢管混凝土保护层的厚度;
  (2) 对于裸露于空气中的钢管表面,应涂防水材料或防腐涂层;
  (3) 对于箱形梁结构,要避免箱形梁内积水,以防转向钢管腐蚀;
  (4) 转向钢管的弯曲半径应满足最小弯曲半径的要求,以免损坏体外预应力筋和聚乙烯套管;
  (5) 钢管在转向块中的位置必须准确且牢固定位,以减少体外索在转向块处的摩擦损失;
  (6) 若转向钢管通过PE 套管直接相连,则连接处可以通过缠绕胶带保证密封性。

  4. 1. 2  转向结构构造
 
  (1) 转向块的混凝土结构应进行局部承压设计,以使转向块能够承担体外预应力筋传来的横向和竖向集中力。

  (2) 严格控制施工质量,以保证转向块处混凝土的密实性和强度。

  4. 2  锚具

  与有粘结体内预应力结构不同,体外预应力结构的锚固一旦破坏,体外索的预应力就会丧失,因此,锚具是体外预应力结构的关键构件。下面分别按不同功能的锚具,介绍其防腐措施。

  4. 2. 1  不可调整索力的锚具

  (1) 将锚头设在梁端预留的锚穴内,锚固后用水泥砂或环环氧砂浆密封;

  (2) 槽口内壁在浇筑砂浆前宜涂环氧树脂类粘结剂,以加强新老材料间的粘结,防止干缩裂缝。

  4. 2. 2  可调整索力或可更索的锚具
  
  (1) 锚头外部罩以可以开启的防护罩,内充防腐油脂或石腊;

  (2) 锚具裸露在空气中的部分或承压板的表面应涂防水材料。

  5  结 语

  (1) 体外预应力筋系统包括体外预应力筋、锚具和转向块,它们的耐久性直接决定体外预应力结构的耐久性;

  (2) 体外预应力筋的防腐方法包括保护层防腐、套管防腐和采用单股无粘结钢绞线3 种,其中,套管防腐性能优于保护层防护,但造价也较高,采用单股无粘结钢绞线的体外索能抵抗较高的疲劳负荷,而且防腐能力强,可以用于比较恶劣的环境中。

  (3) 体外预应力筋防腐方法的选用应综合考虑环境条件、索是否需要重新再张拉或更换、结构类型、结构的重要性和经济性等因素,如:恶劣环境要求采用第2 种或第3 种防腐措施、干燥无腐蚀环境可以采用第1 种防腐措施,采用不可更换体外预应力筋的防腐等级等级可选较高等级,永久结构要采用等级较高的防腐体系。

  (4) 可通过转向块位置设计或转向块间增设减振装置将索与混凝土梁固定起来的方法,来改变体外索自由段长度,从而改变体外索的固有频率,避免梁和体外索的固有频率相近,防止共振。

  (5) 转向块由转向器和转向结构构造2 部分组成,是实现体外预应力筋转向的重要构件,其耐久性决定体外预主应力筋的使用效果和耐久性;

  (6) 锚具是体外预应力结构的关键构件,锚固部分的防腐能力与锚具端头封堵材料的质量及施工质量关系密切,应严格控制。

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