摘 要:運用化學(xué)及結(jié)構(gòu)振動原理,闡述了體外預(yù)應(yīng)力筋腐蝕破壞機(jī)理,分析了體外預(yù)應(yīng)力筋振動頻率對梁正常使用的影響。在以上基礎(chǔ)上,針對體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在耐久性方面存在的問題,提出了體外預(yù)應(yīng)力筋系統(tǒng)耐久性防護(hù)的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土;體外預(yù)應(yīng)力;耐久性
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)的一門新興的科學(xué)技術(shù)。預(yù)應(yīng)力技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大懸臂結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換層、錨桿及加固等領(lǐng)域。體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是指預(yù)應(yīng)力筋布置在混凝土構(gòu)件截面以外的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的一個重要新興分支,其概念及方法產(chǎn)生于法國,由Engene Freyssinet 完成了體外預(yù)應(yīng)力的首次應(yīng)用,與之相對應(yīng)的即為傳統(tǒng)的將預(yù)應(yīng)力筋布置在構(gòu)件截面內(nèi)部的一般預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。體外預(yù)應(yīng)力與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力體系相比較,具有很多優(yōu)點。體外預(yù)應(yīng)力現(xiàn)階段主要應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、特種結(jié)構(gòu)和大跨度建筑工程結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,則產(chǎn)生的危害與影響會相當(dāng)大。因此,確保體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極其重要。而影響體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一,就是體外預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕破壞。傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力體系的耐久性防護(hù)普遍采用灌漿材料封堵或套管加填充材料防腐,應(yīng)用十分普遍。本文重點闡述體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐問題,并提出體外預(yù)應(yīng)力筋系統(tǒng)的常用防護(hù)措施。
1 體外預(yù)應(yīng)力筋腐蝕破壞機(jī)理及防護(hù)技術(shù)措施
按照體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的周圍侵蝕介質(zhì)所發(fā)生的作用,體外預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕破壞機(jī)理與普通混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕一樣,可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕2 類。
1. 1 化學(xué)腐蝕
體外預(yù)應(yīng)力筋的化學(xué)腐蝕多數(shù)是氧化作用,它是由非電解質(zhì)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(xué)性的腐蝕,在鋼材表面形成松散的氧化物。特別是體外預(yù)應(yīng)力筋在周圍介質(zhì)溫變和濕變較高的條件下,腐蝕進(jìn)行得很快。
1. 2 電化學(xué)腐蝕
電化學(xué)腐蝕是體外預(yù)應(yīng)力筋與電解質(zhì)溶液接觸后,由于產(chǎn)生電化學(xué)作用,即預(yù)應(yīng)力筋其兩點處的材質(zhì)和環(huán)境的差異而產(chǎn)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(yīng)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(yīng)和陰極反應(yīng)將導(dǎo)致體外預(yù)應(yīng)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(zhì)的性質(zhì),但體外預(yù)應(yīng)力筋的組織成分對腐蝕影響也很大。如何保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋不因腐蝕影響結(jié)構(gòu)的耐久性是一個很有意義的問題。
2 體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐
體外預(yù)應(yīng)力筋是體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件,它通過錨具將預(yù)應(yīng)力傳遞給主體結(jié)構(gòu),通過轉(zhuǎn)向塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,它們的耐久性決定結(jié)構(gòu)的耐久性,所以,有必要采取防護(hù)措施來保護(hù)體外預(yù)應(yīng)力筋、錨具和轉(zhuǎn)向塊。目前,體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐主要采取以下幾種方式。
2. 1 保護(hù)層防腐
鋼材總是在腐蝕介質(zhì)的條件下服役,因此,隔離(或減緩) 鋼基的介質(zhì)腐蝕是鋼材防腐的一個重要形式。體外預(yù)應(yīng)力筋按防腐保護(hù)層種類的不同,可分為以下2 種。
2. 1. 1 金屬保護(hù)層防腐———鍍鋅防腐
鍍鋅是體外預(yù)應(yīng)力筋中廣泛采用的一種金屬保護(hù)鍍層防腐方法。鍍鋅防腐實際是一種犧牲陽極的陰極保護(hù)法,在腐蝕介質(zhì)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(hù)。鍍鋅一般采用熱浸鍍鋅工藝。這種方法造價較低,結(jié)構(gòu)簡單,運營時索的更換及內(nèi)力調(diào)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(qiáng)度降低。熱鍍鋅層技術(shù)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(qiáng)度降低。
(2) 引起“氫脆”。由于鍍鋅是采取犧牲陽極保護(hù)法,可能產(chǎn)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(yù)應(yīng)力筋防腐。
(4) 污染環(huán)境。體外預(yù)應(yīng)力筋的鍍鋅防腐對環(huán)境造成污染。
2. 1. 2 非金屬保護(hù)層防腐———環(huán)氧樹脂涂層防腐
體外預(yù)應(yīng)力筋的非金屬保護(hù)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(jìn)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(qiáng)度不低于裸鋼絞線的疲勞強(qiáng)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(shù);
(2) 比鍍鋅防腐體系的防腐蝕性強(qiáng)。由于環(huán)氧噴涂層兼具防止陽極和陰極反應(yīng)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(qiáng);
(3) 使用期內(nèi)可以調(diào)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(yù)應(yīng)力筋后,在套管內(nèi)灌注填充材料。這種防腐系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的套管可以是鋼套管、塑料套管或鋼管加強(qiáng)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(qiáng)度高,保護(hù)鋼絞線或鋼絲能力強(qiáng),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(qiáng),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(yù)應(yīng)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(hù),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(dǎo)致孔隙產(chǎn)生,不利于預(yù)應(yīng)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(yīng)力;
(3) 油脂升溫后的膨脹可能導(dǎo)致油脂泄漏。
2. 1. 5 采用單股無粘結(jié)鋼絞線
單股無粘結(jié)鋼絞線是將鋼絞線擠入PE 套管并內(nèi)充油脂而形成,具有如下特點:
(1) 自身具有防護(hù)系統(tǒng),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(gòu)成具有多重防護(hù)功能的防護(hù)系統(tǒng);
(2) 無粘結(jié)鋼絞線直接在工廠生產(chǎn),不僅提高質(zhì)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(jié)鋼絞線作為體外預(yù)應(yīng)力筋時,錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的外套管的區(qū)段需進(jìn)行重新防腐;
(4) 單股無粘結(jié)鋼絞線外加套管的結(jié)構(gòu),無論采用剛性灌漿材料還是非剛性灌漿材料,均可進(jìn)行索力調(diào)整及單根索或整束索更換;
(5) 采用這種防腐系統(tǒng)的體外索能抵抗較高的疲勞負(fù)荷,而且防腐能力強(qiáng),可以用于比較惡劣的環(huán)境中。
3 體外預(yù)應(yīng)力筋的振動頻率及減振措施
3. 1 振動頻率
體外預(yù)應(yīng)力筋僅在錨具和轉(zhuǎn)向蝕處受到約束,當(dāng)梁受到活荷載作用時,轉(zhuǎn)向塊(錨固端) 間的預(yù)應(yīng)力筋就可能產(chǎn)生獨立于梁的振動。設(shè)定預(yù)應(yīng)力筋按預(yù)應(yīng)力筋縱向振動,梁按彎曲振動,則預(yù)應(yīng)力筋的自振圓頻率為:
梁的自振圓頻率為:
(2)
(2)當(dāng)式(1) 和(2) 中自振圓頻率相等或接近,即梁高為
(3) 時,體外預(yù)應(yīng)力筋和梁就能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振不僅影響梁的正常使用,甚至導(dǎo)致體外索斷裂,梁破壞。因此,應(yīng)采取構(gòu)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(zhuǎn)向塊位置設(shè)計或轉(zhuǎn)向塊間增設(shè)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(yīng)放大梁和鋼絞線的頻率差范圍,二者的固有頻率應(yīng)在0. 7～1. 4 以外。
(3) 對重要或復(fù)雜的結(jié)構(gòu),應(yīng)進(jìn)行測試。
4 轉(zhuǎn)向塊與錨具的防腐
轉(zhuǎn)向塊是實現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向的重要構(gòu)件,如果轉(zhuǎn)向塊破壞,體外預(yù)應(yīng)力筋就失去了作用,因此,轉(zhuǎn)向塊的耐久性決定體外預(yù)應(yīng)力筋的使用和耐久性。
4. 1 轉(zhuǎn)向塊
轉(zhuǎn)向塊由轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)構(gòu)造2 部分組成。
4. 1. 1 轉(zhuǎn)向器
以鋼管轉(zhuǎn)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(hù)層的厚度;
(2) 對于裸露于空氣中的鋼管表面,應(yīng)涂防水材料或防腐涂層;
(3) 對于箱形梁結(jié)構(gòu),要避免箱形梁內(nèi)積水,以防轉(zhuǎn)向鋼管腐蝕;
(4) 轉(zhuǎn)向鋼管的彎曲半徑應(yīng)滿足最小彎曲半徑的要求,以免損壞體外預(yù)應(yīng)力筋和聚乙烯套管;
(5) 鋼管在轉(zhuǎn)向塊中的位置必須準(zhǔn)確且牢固定位,以減少體外索在轉(zhuǎn)向塊處的摩擦損失;
(6) 若轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)構(gòu)造
(1) 轉(zhuǎn)向塊的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行局部承壓設(shè)計,以使轉(zhuǎn)向塊能夠承擔(dān)體外預(yù)應(yīng)力筋傳來的橫向和豎向集中力。
(2) 嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,以保證轉(zhuǎn)向塊處混凝土的密實性和強(qiáng)度。
4. 2 錨具
與有粘結(jié)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不同,體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨固一旦破壞,體外索的預(yù)應(yīng)力就會喪失,因此,錨具是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)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(diào)整索力的錨具
(1) 將錨頭設(shè)在梁端預(yù)留的錨穴內(nèi),錨固后用水泥砂或環(huán)環(huán)氧砂漿密封;
(2) 槽口內(nèi)壁在澆筑砂漿前宜涂環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑,以加強(qiáng)新老材料間的粘結(jié),防止干縮裂縫。
4. 2. 2 可調(diào)整索力或可更索的錨具
(1) 錨頭外部罩以可以開啟的防護(hù)罩,內(nèi)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(yīng)涂防水材料。
5 結(jié) 語
(1) 體外預(yù)應(yīng)力筋系統(tǒng)包括體外預(yù)應(yīng)力筋、錨具和轉(zhuǎn)向塊,它們的耐久性直接決定體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性;
(2) 體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐方法包括保護(hù)層防腐、套管防腐和采用單股無粘結(jié)鋼絞線3 種,其中,套管防腐性能優(yōu)于保護(hù)層防護(hù),但造價也較高,采用單股無粘結(jié)鋼絞線的體外索能抵抗較高的疲勞負(fù)荷,而且防腐能力強(qiáng),可以用于比較惡劣的環(huán)境中。
(3) 體外預(yù)應(yīng)力筋防腐方法的選用應(yīng)綜合考慮環(huán)境條件、索是否需要重新再張拉或更換、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)的重要性和經(jīng)濟(jì)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(yù)應(yīng)力筋的防腐等級等級可選較高等級,永久結(jié)構(gòu)要采用等級較高的防腐體系。
(4) 可通過轉(zhuǎn)向塊位置設(shè)計或轉(zhuǎn)向塊間增設(shè)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(zhuǎn)向塊由轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)構(gòu)造2 部分組成,是實現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向的重要構(gòu)件,其耐久性決定體外預(yù)主應(yīng)力筋的使用效果和耐久性;
(6) 錨具是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件,錨固部分的防腐能力與錨具端頭封堵材料的質(zhì)量及施工質(zhì)量關(guān)系密切,應(yīng)嚴(yán)格控制。
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