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预应力钢绞线的防腐措施

介绍预应力钢绞线的防腐措施和相关材料的特点,指出各种材料防腐适用的环境。先张预应力混凝土结构,在轻微腐蚀环境中可以直接使用光面PC钢绞线,腐蚀严重或者有氯离子的环境可以选择环氧树脂涂层钢绞线;无黏结是后张预应力结构较理想的防腐方式,但要处理好锚固端的密封防腐。钢绞线体外索(拉索)防腐中,透明波纹管的使用范围受限制且污染环境;环氧树脂钢绞线在制作过程中,松弛损失增加约2. 5倍,制造过程难度大、成本高;一般腐蚀环境选择PC预应力钢绞线+内涂层+HDPE套管的方式,腐蚀严重的环境选择镀锌钢绞线(或环氧树脂涂层钢绞线)+内涂层+HDPE套管的方式。

关键词 预应力钢绞线;无黏结;镀锌;环氧树脂涂层

中图分类号 TG17

采用钢绞线的预应力结构中,钢绞线(束)是关键的承载构件,其防腐直接关系到结构的耐久性和安全性。许多工程因钢材锈蚀而被破坏,维修费用大大超过建造费,使用寿命远低于设计寿命,特别对于海岸、跨海工程而言,氯盐腐蚀的严重性不能忽视,必要的防腐措施是工程设计时必须考虑的内容。

经过多年的探索,预应力钢绞线的防腐体系得到了发展。已开发的钢绞线防腐体系有灌浆保护、镀(涂)层保护、多层复合保护等,适合各种结构形式的预应力体系。

1 先张混凝土结构的防腐

先张混凝土结构采用光面钢绞线作预应力筋,由于钢绞线材料采用高碳钢,索氏体化处理后铁素体和渗碳体的片层间距较小,有更多、分布更广的渗碳体充当腐蚀微电池的阴极,因此,在非氧化型酸溶液中,钢绞线容易发生全面腐蚀,其腐蚀速率相对中、低碳钢更快,抗腐蚀性能较差。其防腐主要依靠混凝土保护层的保护,一般环境下保护层的厚度不低于3 cm,欧洲有些国家设计要求4 cm以上,但过大的保护层会加大构件的尺寸,因而光面钢绞线只能在无腐蚀或轻微腐蚀的环境中使用。

先张法的钢绞线被直接埋置在混凝土中,保持不腐蚀的基本条件是原始碱度不变(或pH不小于9),以及在钢绞线附近的空隙空间不超过14%;氯化物会引起钢的氢脆,美国将氯离子的质量限制在混凝土质量的0. 014% ~0. 025%。要求在腐蚀环境中,特别是海洋性环境中的先张混凝土结构,应选用环氧涂层预应力钢绞线。为了增加环氧涂层与混凝土的结合力,制作产品时,可在涂层表面嵌入砂粒。由于环氧涂层钢绞线生产难度较大,国内仅有少数厂家能生产高质量的产品,成本较高,而且存在一些影响使用的问题,所以环氧涂层钢绞线只在腐蚀特别严重的环境中使用。

2 后张混凝土结构的防腐

后张混凝土结构的防腐方式主要有预制管道灌浆保护和无黏结保护。

2. 1 灌浆保护

在早期的工程中,后张施工灌浆保护的预应力结构得到广泛使用,但由于灌浆存在密实性差和不充分等问题,致使灌浆预应力结构受到质疑。通过先进的测试手段检测,证实了人们的担心。根据日本道路建设公团的数据,用X射线对灌浆预应力结构进行探测,仅有30%的结构灌浆密实, 30%左右完全是空的, 40%的部位勉强灌满,因而灌浆体内索在日本不受欢迎。

灌浆保护虽有一定的局限性,但由于成本低、操作简单,在很多防腐要求不太高的场合得到应用,是桥梁及建筑结构上应用最多的防腐方式。

2. 2 无黏结保护

无黏结钢绞线是专门为后张结构和施工开发生产的产品。在普通钢绞线上涂上防腐油脂,外包高密度聚乙烯(禁止使用聚氯乙烯),施工中免去了预制管和灌浆,在混凝土浇注前预先无张力布筋,养护后再作预应力张拉,由于塑料管中有充足的油脂,张拉时绞线与塑料管产生相对位移,完成张拉操作。

预应力锚索在拉应力状态下长期处于围岩、土壤中,且大多数要穿过地层破碎带或软弱夹层,工作环境比较恶劣,往往受到地下水、气体湿度和岩石成分的影响。这类腐蚀有电化学腐蚀、应力腐蚀、化学腐蚀和生物腐蚀等,因此实际使用中,无黏结钢绞线发生的腐蚀几乎都是由锚固端密封不当造成的。

在后张混凝土结构服役过程中,塑料护套和防腐油脂将钢绞线与混凝土及周围介质隔开,起到良好的保护作用,只要注意锚固端的防腐处理,无黏结保护是一种具有良好防腐性能的技术。

3 缓黏结钢绞线

缓黏结钢绞线(在日本被称为后黏结钢绞线)是一种介于无黏结和有黏结钢绞线之间的产品,它是在钢绞线表面涂覆缓凝结树脂,外包高密度聚乙烯,再压波成型而成。缓凝结树脂在预定(3个月~2 a)的时间内慢慢凝固,完全固化后具有比混凝土更高的强度,并与预应力钢绞线或钢丝束成为一体,通过波纹形状表面的嵌固作用使预应力钢绞线或钢丝束与混凝土之间不能滑移。

胶黏剂的主剂选用环氧树脂和聚酯树脂,固化剂选用使主剂缓慢固化的材料,填料选用碱性或中性的粉剂材料。根据不同的使用要求,胶黏剂可用一些稀释剂和增塑剂来调节胶黏剂固化后的韧性。

缓黏结钢绞线在张拉施工中与无黏结的作用一致,所不同的是,经过一段时间固化后,钢绞线、树脂、PE、混凝土紧密地结合在一起,形成一个整体,传力方式与有黏结钢绞线相似。

缓黏结筋的最大优点是它的耐久性。树脂化学稳定性好,凝固前后的密封性能良好,隔绝了有害介质与钢基的接触,对结构的安全非常有利。缓黏结筋的另一个优点是,与无黏结筋相比可以减少非预应力配筋。因担心地震、锚具锈蚀等灾害可能引起预应力锚具锚固失效而配入的非预应力筋,由于缓黏结筋的耐久性及与有黏结筋一致的通条受力状态,减少或避免了上述灾害可能对预应力体系的破坏大大减少配入量,从而降低工程造价。

在日本,缓黏结筋多用于桥梁的纵向预应力张拉和桥梁的维修,虽然价格较贵,但使用寿命长,受到用户的普遍欢迎。另外,缓黏结筋在海岸工程、海军基地等需要抵御盐分侵蚀的工程中使用,也收到良好的效果。

国内对缓凝结钢绞线(后黏结)的应用研究已经展开。中国冶金科工集团有限公司(简称中冶集团)、江阴华新钢缆有限公司、天津钢线钢缆集团进行了产品开发的试验研究;上海建筑科学研究院(集团)有限公司、同济大学、东南大学、郑州大学等已进行缓黏结钢绞线的应用研究,中冶集团近两年在候机楼、火车站候车楼、体育场馆等一些重要建筑开始了缓黏结结构的尝试,并受到好评。相应的缓黏结钢绞线、缓凝材料、结构设计规范等国家或行业标准也已开始制定。

4 体外索(拉索)的防腐

体内索在服役过程中易发生腐蚀,且难以实施有效的监测,一旦结构发生腐蚀易造成突发事故;同时,即使监测到严重的腐蚀情况,体内索也无法更换,维修加固费用较高。而体外索克服了体内索的上述缺点,在施工、监测及维修方面有独特的优势,在国内外许多重点工程特别是大型桥梁上得到广泛的应用。我国常用的斜拉索结构主要有2种,一种是用热挤高密度聚乙烯(HDPE)防护的半平行钢丝索配以冷铸墩头锚系统的钢丝斜拉索;另外一种是采用不同防护形式的平行钢绞线,外套HDPE护套管,两端用特殊的夹片锚群锚系统组成的钢绞线索。主流设计采用平行钢绞线索的形式。

日本的建筑密度特别是桥梁的密度堪称世界之最,它的预应力技术也在世界上拥有一席之地。本世纪初日本道路公团达成共识,今后日本桥梁建设,原则上需采用体外索,此项规定正是日本桥梁界几十年经验的总结。国际调查结果也显示:平行钢绞线拉索体系获得过较高评价,高密度聚乙烯(HDPE)防护套管能够起到很好的防护效果。

钢绞线体外索经过多年的发展,形成了多种防腐形式:灌浆保护、护套保护、镀(涂)层保护、复合保护,常采用的有灌浆保护和护套复合保护。

4. 1 灌浆保护

理论上,只要砂浆成分得到控制,灌浆密封是一种较理想的预应力钢材防腐措施。早期体外索多在不透明的预制波纹管内灌浆保护,而预应力筋经张拉施工后灌入砂浆作保护层,由于砂浆流动性差及灌浆方法的问题,砂浆的密实性得不到保证,中间常常有许多气泡和空腔,且灌浆时无法进行监测。为解决灌浆密实问题,日本安达生(Anderson)技术公司发明了透明波纹管和新的灌浆方法,在整个灌浆过程中能清楚地观察到砂浆的充实情况,并通过不断试验,摸索出了更有效的灌浆方法(增加排气孔数量和抽真空)。根据Anderson公司的资料,用透明波纹管和新的灌浆方法解决了体外索灌浆难的问题,并得到日本建筑界的认可,Anderson公司在日本和美国申请了该项专利。该技术为传统的灌浆保护在体外索上的应用提供了技术保障,并成为日本体外索防腐的主流技术,其可靠性高于环氧涂层,这已成为日本桥梁界的共识。

透明波纹管及新的灌浆方法在体外索上的应用是本世纪初日本开发的新技术,目前还在进一步的完善中,但透明波纹管在使用中存在以下不足:

(1) 波纹管在太阳紫外线强烈的地方易老化,使用范围受限制;

(2) 夏天箱体内温度可能高于箱体外,当温度相当高时,可能对波纹管有影响。

(3) 透明波纹管材料是聚乙烯,更换后对环境有影响(白色污染)。

4. 2 护套复合保护

护套复合保护的钢绞线是在钢绞线表面镀(涂)上金属镀层或非金属镀(涂)层,再包以高密度聚乙烯护套。该产品大量应用在斜拉桥的拉索和混凝土箱梁的体外索上。根据镀(涂)层不同,护套钢绞线分为PC钢绞线、镀锌钢绞线、环氧树脂钢绞线。

4. 2. 1 PC钢绞线体系

这类拉索材料主体采用光面预应力钢绞线,涂覆油脂或蜡后外包HDPE护套而制成。

PC钢绞线体系的优点是加工简单、成本低。钢绞线为低松弛产品,强度有1 570, 1 860, 2 000, 2 100MPa(国外最高可达2 300MPa),设计时有较大的选择余地。特别是应用于斜拉桥,当跨度较大、拉索较长时,选择高强度的钢绞线可减少绞线用量,减轻结构自重。当达到一定跨度时,采用高强度钢绞线体系及单根张拉施工方法(SSI工法)更具操作性和综合优势。

PC钢绞线体系的缺点是钢绞线本身无防腐措施,体系的防腐依赖于内涂层(油脂或蜡)和HDPE护套的完整性。但在一般环境条件下,内涂层+HDPE护套+整索外护套的设计耐腐蚀寿命基本能满足设计要求。国内斜拉桥中采用该体系的有重庆马桑溪桥、润扬大桥北汊桥等。

4. 2. 2 镀锌钢绞线体系

早期的钢绞线拉索都用光面钢绞线,套管内灌注水泥砂浆作防腐处理,现普遍使用镀锌钢绞线加工成单独的护套钢绞线,大大提高了防腐性能,使拉索的耐久性得到更可靠的保障。

拉索主体材料采用镀锌钢绞线,涂覆油脂或石蜡后外包HDPE护套,每根钢丝均做镀锌处理。镀锌钢绞线体系的优点是防腐性能优良,锌层提供的牺牲阳极保护作用,即使在内涂层及护套失效的情况下,也能较长时间保护钢基不受锈蚀,对施工中造成的材料外层防腐体系的破损有较好的弥补作用。美国德克萨斯大学就斜拉索防腐体系在世界范围内作过调查,在收集到的意见中,采用镀锌钢绞线+内涂层+HDPE套管的斜拉索防腐体系获得了最高的得分,高于环氧树脂涂层体系的得分,反映了各国桥梁界对斜拉索防腐体系的综合意见,也是镀锌钢绞线体系较完美的防腐能力的体现。镀锌钢绞线为低松弛产品,目前可选择的强度级别有1770, 1860MPa2种, 2000年前国内外大量使用的是1 770MPa级,而1 860MPa级由于批量生产难度大,应用不多。随着原料厂家的进步及镀锌钢绞线生产技术的发展,本世纪1 860 MPa级镀锌钢绞线的应用已成为主流。国内采用镀锌钢绞线拉索体系的桥梁有已建成的云南景洪大桥、广东觉石大桥、福建青州大桥、宜昌夷陵大桥、福建漳州战备大桥等,在建的有湖南郴州赤石大桥、武汉二七长江大桥等。

镀锌钢绞线体系的缺点是材料生产难度大、成本高,国内能生产的企业较少。

4. 2. 3 环氧树脂钢绞线体系

这类拉索材料的制作是将PC钢绞线拆股,每根钢丝静电涂覆环氧树脂并熔融固化形成致密涂层。有一些工程设计将环氧树脂涂层钢绞线再涂覆油脂或石蜡,外包HDPE护套。

环氧树脂钢绞线最早由美国开发应用,初期的涂膜厚度最低0. 2mm,结果发现易锈蚀、耐久性差,由于没有预期的防腐效果,美国已不再推广使用。新的ASTM A882规定的环氧树脂涂层厚度要求在0. 38~1. 14mm。日本开发的环氧树脂涂层钢绞线基本沿用了美国的标准,通过实践证明能满足体外索的应用要求,在日本体外索上的应用仅次于透明波纹管灌浆技术。

环氧树脂钢绞线体系的优点是具有优良的防腐能力。由于每根钢丝及间隙均匀喷涂了环氧树脂,实现了钢丝与大气(腐蚀介质)的隔绝,环氧树脂稳定的化学性能提供了良好的物理保护。盐雾试验中环氧树脂涂层的耐蚀性远大于镀锌层,是氯离子或盐分含量相对较高的环境理想的防腐材料,在德克萨斯大学收集的意见中,环氧树脂钢绞线体系的得分仅次于镀锌钢绞线体系,其综合防腐能力在桥梁界有较高的声誉。

环氧树脂钢绞线体系的缺点是制造过程难度大、成本高。目前国内能生产环氧树脂涂层钢绞线的厂家很少,特别是满足ASTM A882标准要求的厂家更少,选择余地很小。施工中的专业化要求也很高。

环氧树脂钢绞线使用中要特别注意:

(1)环氧树脂钢绞线在制作过程中,拆股再合股会破坏绞线的屈服强度和松弛性能,特别是松弛损失会增加约2. 5倍,而松弛损失2. 5%以下的绞线经过环氧树脂涂覆后会升至4. 0%以上,这对设计中采用低松弛材料的工程会有影响。要保证最终成品较小的松弛损失,喷涂环氧前的钢绞线必须是超低松弛(松弛损失小于1. 5% )钢绞线,这就需要绞线厂生产时特制,非绞线生产厂购进绞线加工会有困难。

(2)环氧树脂钢绞线优良的防腐性能建立在环氧涂层无破损或开裂的基础上,如果环氧树脂涂层质量不佳或运输、施工中发生难以发现的破损,由于环氧树脂提供的是物理防护,无阴极保护作用,破损或开裂处会成为腐蚀的薄弱环节,此处与光面钢绞线无异,会大大影响结构的耐久性。

(3)环氧树脂钢绞线锚固时因环氧涂层的存在,会影响锚固效率系数,一般要与专门开发的锚具配套使用,而且要由专业人员施工,而国内工程实例刚开始,从锚具到施工技术的成熟性有待检验,首次使用时有一定风险。

(4)环氧涂层在紫外线作用下易老化。因成本关系,环氧树脂钢绞线在使用中一般不再有其他防护,涂层老化是对结构安全的一大隐患,也是日本桥梁中慎用环氧绞线的主要原因。

4. 2. 4 护套钢绞线的应用

3种护套钢绞线体系各有优势, PC钢绞线体系相对成本较低,技术成熟,工程造价低;镀锌钢绞线体系相对成本较高,技术成熟,腐蚀较严重的环境中有明显优势;环氧树脂钢绞线体系相对成本较高,腐蚀严重特别是海洋性气候的环境中具有独特的优势,国内属新兴技术,其有效性有待检验。在国外PC钢绞线体系用得多一些,国内镀锌钢绞线体系和PC钢绞线体系应用相对多一些,环氧树脂钢绞线体系在国外一些沿海地区已有应用,国内目前有少量工程上采用了环氧钢绞线体系。

就国内的整体情况而言,镀锌钢绞线体系是首选的防腐体系,该产品在国内的生产已有10 a以上的历史,技术成熟,成本适中,并已成功地在许多斜拉桥拉索和桥面箱梁体外索(广东觉石桥、宜昌夷陵桥)上获得应用,在建的湖南郴州赤石大桥、武汉二七长江大桥也设计采用镀锌钢绞线,市场前景看好,综合优势明显。

5 结语

预应力钢绞线防腐体系的有效性关系到结构的耐久性,根据工程所处的环境选择合适的结构形式和防腐形式可以兼顾经济性和耐久性。


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