预应力混凝土结构耐久性控制措施

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　　内容摘要: 探讨了预应力砼结构中应力腐蚀断裂对结构的危害，提出了一些提高预应力砼结构耐久性的具体措施。
　　 关键词: 预应力混凝土砼保护层钢筋锈蚀耐久性
　　
　　 由于预应力砼结构不产生裂缝或裂缝出现的宽度很小，业内一直认为其耐久性要远远高于普通砼结构。但大量的工程实践表明，预应力砼结构也存在耐久性问题，有时甚至比普通砼结构更严重。从预应力砼结构裂缝产生的原因入手，运用电化学的基本原理深入分析裂缝对预应力钢筋锈蚀速度的影响，并探讨了预应力砼结构中应力腐蚀断裂对结构的危害，证明在同样钢筋锈蚀量下预应力砼结构比普通砼结构有更大耐久性的隐患，提出了一些提高预应力砼结构耐久性的具体措施。几十年以来伴随着建筑体量大，高度不断增高的需要，高强钢材、整体预应力结构和无黏结预应力技术的广泛应用，预应力技术在工程中的应用进入了一个新的发展时期，已被广泛应用于土木工程、水利工程、通信工程中。同普通砼结构一样，预应力砼结构长期在使用环境（如碳化、冻融、化学介质侵蚀等）作用下，其性能也会随时间延长而逐渐减退，最终遭到破坏，其实质即是预应力砼的耐久性问题。但存在着对预应力砼结构耐久性重视不够，世界范围内发生了大量的耐久性事故。据文献调查报告：在1950-1977年期间世界范围内共发生28起预应力钢筋锈蚀破坏的工程实例，平均每年一起。在1978-1982年四年间，仅美国就有50幢建筑出现预应力钢筋锈蚀事故，平均每年10起。在这50起事故中，10起起脆性破坏是由于应力腐蚀或氢脆腐蚀引起的。我国预应力砼结构广泛使用的历史较短，有关耐久性事故的工程实例较少。据铁路部门1998年的统计表明，我国目前有近3000座左右的预应力砼桥梁也存在耐久性隐患问题。
　　 砼中钢筋锈蚀过程分为四个阶段：即前期：从浇筑砼时到砼碳化层深达钢筋表面，或氧化物侵入砼已使钢筋去钝化，即钢筋开始锈蚀为止。这段时间为t0。中期：从钢筋开始腐蚀发展到砼表面因钢筋腐蚀膨胀而显示出破坏现象，如顺筋、层裂或剥离。这段时间以t1表示。后期：从钢筋表面因钢筋锈蚀膨胀破坏发展到砼普遍显示出严重膨胀、剥离破坏，即已达到严重的程度，必须进行彻底返修时止。这段时间以t2表示。最后为晚期：钢筋锈蚀已扩大到使结构区域性破坏，致使结构不能安全使用。这段时间以t3表示。对于预应力砼结构，一般设计使用寿命t取t0 +t1。最好在前期加强维护检查，一旦发现预应力筋有锈蚀或破坏现象，必须及早认真处理。而普通砼结构一般设计使用寿命t取t0 +t1+t2。
　　 一般则认为，预应力砼结构没有裂缝或裂缝很小不必引起重视，所以预应力砼结构的t0远大于普通砼结构，即使超过前期t0，但由于预应力砼结构的裂缝宽度很小，其t1也会大于普通砼结构。实际表明这是认识上的误区。首先，预应力砼结构也有裂缝问题；其次，大量研究资料表明：裂缝仅仅是“诱导” 砼结构中钢筋锈蚀，裂缝宽度对钢筋锈蚀速度的影响并不太明显，裂缝区钢筋锈蚀速度主要取决于裂缝周围砼自身质量状况（如密实性，砼保护层厚度等）；另外，预应力砼结构中钢筋有应力腐蚀断裂问题，在此结合实践进行分析探索。1.预应力砼结构的裂缝
　　 预应力砼结构在现场预制和使用过程中，受气候环境、浇筑质量，养护、设施、技术水平等影响，可能产生各种裂缝，有的甚至还在未承受荷载之前已出现了裂缝。一般情况下，预应力砼结构常见的裂缝有表面龟裂、横向裂缝、纵向裂缝、腹板斜裂缝等。
　　 a. 表面龟裂:预应力构件在预制时容易产生龟裂，其原因除了由于砼配合比不当、预拌砼水灰比过大，施工和易性控制不严格、个别部位砼浇捣不均匀外，还有钢筋保护层偏差大的影响。最常见的是养护过程中时升时降温过快等。
　　 b.横向裂缝:横向裂缝多发生在使用期间，超载、震动、各种原因使预应力损失超过设计值，都可能导致横向裂缝的发生。此外，由于徐变上拱的发生和发展，在梁的上翼缘也会产生横向裂缝，特别对活荷载密度较大的铁路桥梁更是如此，而且随着徐变的发展，裂缝也会发展，而当桥上荷载较大时，这种裂缝又会暂时闭合。施工期内出现横向裂缝，主要是控制不当，如底座下沉、施加预应力滞后、受到冲击等。
　　 c..纵向裂缝:纵向裂缝是预应力梁中最严重的一种裂缝。首先，预应力筋张拉是预应力简支梁预制过程中最为关键的一道工序，张拉力设计值由计算确定。张拉力过大，则可能使梁体上翼缘砼产生竖向裂纹，下翼缘砼产生纵向裂纹，还可能使预应力筋出现很大塑性变形而易于开裂。张拉力不足，则降低梁的抗裂性能，在荷载作用下，下翼缘开裂，影响梁的使用寿命。其次，保护层过薄或掺加含氯盐的外加剂，下翼缘受到过高的纵向压力而沿下翼缘主筋方向产生裂缝。最后，由于梁体底板较厚，硬化期间产生水化热，内部温度较高，外侧表面接触空气的部分较低。尤其梁底可能更低些，这样就产生了自收缩应力，外侧受拉而内部受压。当外界气温较低时，外侧早期冷却较快，其拉应力大于砼的抗拉强度，即可能引起开裂，这种现象多出现在底板下缘的纵向裂缝。
　　 d..腹板斜裂缝:一般设计时对于正截面强度都比较重视，而对斜截面强度或主拉应力则重视程度不够，或对最不利组合的工况考虑不周。在支座附近梁体下部既有弯距又有简力，因弯距产生的拉应力和因剪力产生的剪应力形成斜向的主拉应力，超过砼当时的抗拉强度时，即产生与主拉应力相垂直的斜向裂缝。
　　2.裂缝对预应力钢筋锈蚀的影响
　　 习惯和传统均认为横向裂缝的存在将导致腐蚀介质的直接渗入，使钢筋产生锈蚀，最终影响构件的强度，这种危害在环境较为恶劣的条件（如海水、化学腐蚀性气体等）下尤为严重。因此为保证结构耐久性，主张对横向裂缝宽度加以严格的控制。自20世纪50年代以来所进行的一系列带裂缝构件的长期暴露试验以及对工程的实际调查，却得出了不同的结论，认为横向裂缝宽度对钢筋锈蚀的关系并不十分明显。
　　 a. 结构理论问题
　　 当横向裂缝出现后，裂缝处钢筋锈蚀机理存在有两种理论，一种理论认为阳极和阴极反应都发生在裂缝区域，阳极和阴极非常小而且紧密结合在一起，氧气主要从裂缝处提供给阴极；另一种理论认为裂缝处钢筋表现为阳极，裂缝间的钢筋表现为阴极。在这种情况下，氧气进入到阴极部位主要从未裂缝的砼中通过（如宏电池腐蚀）。但第二种理论较接近实际情况，即氯离子侵蚀和碳化作用首先破坏裂缝处钢筋的钝化膜，使裂缝处的钢筋处于活化状态，且为阳极，裂缝间钝化区为阴极。正是由于第二种机理裂缝对钢筋锈蚀才不产生重要影响。因为开裂仅会加速锈蚀的产生，钢筋锈蚀速度将取决于阴、阳极间的电阻及阴极处的供养程度，而氧气的供给取决于未开裂处混凝土保护层的质量和渗透性，因此裂缝并不控制钢筋锈蚀的速度，它的作用仅是开始腐蚀进程并使该处的钢筋活化。一些实验及工程证实了这一观点，基本实验也符合第二种裂缝机理。
　　 b. 对影响因素分析
　　 砼构件在裂缝出现之后，无论是氯离子侵蚀的情况，还是碳化情况，裂缝处的钢筋都处于活性状态，为阳极；周围大部分钢筋仍处于钝态，为阴极:从而构成小阳极-大阴极组成的活化-钝化电池，使得这种局部锈蚀加速发展。氯离子侵蚀情况下，裂缝处钢筋的锈蚀存在宏电流和微电流，以宏电流为主，裂缝周围作为阳极的钢筋面积与裂缝处作为阳极的钢筋面积之比，即阴阳极面积比有定值。利用此分析可以测定裂缝处的锈蚀电流。砼构件刚出现横向裂缝时，裂缝处钢筋锈蚀宏电流密度随着裂缝宽度的增加，由于阴极处氧气通过砼下钢筋扩散速度的下降，钢筋锈蚀速度有所下降；从理论上讲，经过一段时间后，裂缝宽度对钢筋的锈蚀速度影响并不显著。

　　3预应力砼结构的应力腐蚀断裂
　　3.1.金属应力腐蚀断裂理念
　　 一般认为，应力腐蚀断裂是指金属结构在拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下引起的断裂。两者缺一不可，相互促进，但并不是简单的加合。应力腐蚀断裂是危害最大的腐蚀形态之一，是一种“灾难性的严重腐蚀”。产生这类腐蚀必须同时具备几个条件，即特定环境（包括介质成分、浓度、杂质和温度）。足够大的拉伸应力（超过了某极限值），特定的合金成分和组织（包括晶粒大小、晶粒取向、形态、相结构；各类缺陷、加工状态等）。这样才能产生应力腐蚀断裂。也就是说，应力腐蚀是与环境因素、力学因素和冶金因素密切相关的。
　　 金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下，应力腐蚀断裂可分为三个阶段。萌芽阶段，即由于腐蚀引起裂纹源的生核孕育阶段。接着为裂纹发展阶段，即由于裂纹元或蚀坑达到极限应力值（单位面积所能承受的最大荷载）为止的这一阶段。最后是失稳断裂阶段。前一阶段受应力影响很小，时间较长，约占断裂总时间的90%左右，后两阶段时间很短，为总断裂时间的10%。在有裂纹的情况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展阶段和失稳快速断裂的两个阶段。应力腐蚀裂纹形态有沿晶型、穿晶型和混合型，要看具体合金-环境体系而定。
　　3.2预应力结构应力腐蚀具备的条件
　　 a.有足够大的拉应力; 按照金属腐蚀学基本要求，金属材料在没有腐蚀的条件下，对于光滑构件，只有当材料的拉应力超过金属的抗拉强度才会发生断裂。但在应力腐蚀条件下，同样材料在拉应力低于抗拉强度时，就会引起应力腐蚀裂纹的产生和发展，从而产生应力强度因子K1。一般而言，应力强度因子越高，应力腐蚀断裂时间越短；同时，存在一个限制应力强度因子值K1SCC，以及与之对应的限制应力值σth，当应力强度因子K1或应力σ小于限制应力强度因子值K1SC或限制应力值σth时，就不会发生应力腐蚀断裂。所以普通砼结构不易发生应力腐蚀断裂。所以普通砼结构不易发生应力腐蚀断裂现象。
　　 而预应力砼结构中拉应力可能是冷加工、焊接或机械束缚引起的残余应力，也可能是在使用条件下外加的，引起应力腐蚀的拉应力值一般低于材料的原有屈服极限。预应力筋张拉后在自身截面上会建立一定拉应力大于其发生应力腐蚀的限制应力问题。
　　 b、侵蚀性介质存在; 所处环境因素，尤其是腐蚀介质，对产生应力腐蚀断裂十分重要，只有在一定合金和一定环境的组合情况下才能发生这类腐蚀断裂产生。预应力砼结构中的高强度钢丝、钢绞线属于低碳钢，其在NaOH水溶液、硝酸盐水溶液、HCN水溶液、H2S水溶液、Na3PO4水溶液、醋酸水溶液、NH4CNS水溶液、氨、碳酸盐和中碳酸盐溶液、海洋大气、工业大气、浓硝酸、硝酸和硫酸混合酸介质中，极有发生应力腐蚀断裂的可能性。同时，金属的应力腐蚀极其敏感，因合金和含有杂质的金属比纯金属易产生应力腐蚀。预应力钢筋含多种化学成分，因此属于应力腐蚀敏感型金属。
　　c.预应力钢筋表面存在局部蚀坑或缺陷，预应力钢筋在拉应力作用下，裂缝一般是在引起局部腐蚀的介质中生核。钢丝、钢绞线所有可能的缺陷及涂层保护膜上的微观裂缝均可能是裂纹生核的地方，它们显著地提高预应力筋在应力作用下的腐蚀倾向。裂纹生核后，在裂纹或蚀坑内部便出现了闭塞电池腐蚀，并且裂纹内部各处的介质浓度也会有很大差别。腐蚀介质的这种不均匀性，会导致裂纹内部各处有不同的阴极极化曲线，从而使裂纹继续向纵深方向发展。
　　无黏结预应力钢筋的腐蚀
　　4.1无黏结预应力砼结构基本概念
　　 国内采用的无黏结预应力砼技术，是建设部“八五”、“九五”及2010发展纲要科技计划重点推广项目之一，是我国建筑工业发展的重要技术方向。无黏结预应力砼技术属于后张预应力砼。所谓“无黏结”是指张拉后容许预应力束对周围砼发生纵向相对滑动。无黏结
　　预应力筋的制作采用挤压涂塑工艺，外包聚乙烯套管，内涂专用防腐油脂，经过挤出成型机后，塑料包裹层一次成型在钢绞线或钢丝束上，无黏结预应力砼的无黏结预应力筋可如同非预应力筋一样，按设计要求铺放在模板内，然后浇注砼，待砼达到设计强度要求后，再张拉锚固，预应力筋与砼之间没有黏结作用，张拉力全靠锚具传到构件砼上去。因此无黏结预应力砼结构不需要预留孔道、穿筋与灌浆等复杂工序，操作简便，施工进度快的优势。
　　4.2无黏结预应力砼结构的耐久性
　　 在受到荷载时，无黏结筋应变的改变等于沿钢束全长周围砼应变变化的平均值，整束预应力筋中的应变即应力相同，只要有一个截面受腐蚀破坏，整根束就会失效。不象有黏结预应力筋，即使钢筋局部锈蚀甚至锚具失效，因其与砼的黏结仍有一定的自锚固作用，影响范围是局部的，不会危及整体结构。另外，无黏结筋处于PH=7左右的介质中，对钢筋的保护也不如有黏结筋，是处于PH=13左右介质所形成的碱性钝化膜中可靠。
　　4.3无黏结筋腐蚀的原因分析
　　 无黏结钢束在涂有防腐油脂，外边有塑料套管或塑料包裹情况下，仍遭受腐蚀的主要原因有以下几种：
　　 a.锚固区的封锚砂浆不密实，砂浆收缩产生裂缝，造成腐蚀介质侵入锚具的通道进入钢筋部位。砼中存在氯化物，预应力筋套管开裂破损而造成氯化物渗漏。b.锚具上末采取任何防护措施，腐蚀介质通过夹片或钢丝之间的孔隙因毛细管作用进入钢筋内部。无黏结预应力筋涂料保护层不饱满、不连续。C.锚具与套管连接不当，使预应力筋暴露在砼中。
　　5提高预应力结构耐久性的措施
　　5.1预应力砼结构的裂缝控制
　　 a、改善砼材料的性能;选用干缩性较小的水泥品种，合理调整砼的配合比，采用低水灰比和降低砂率，采用中粗干净砂，掺加适量的外加剂，如高效减水剂、降低收缩如微膨胀剂等。
　　 b.加强预应力砼构件的底模支撑，做好底层支撑的地基土处理，以减小基础的沉降量，支撑设计时应注意减小预应力构件支撑的联系体，在拆除侧模时要在砼有一定强度时再进行，且小心碰撞边角，防止预应力构件底模支撑松动，禁止使用木质立杆支撑。
　　 c.加强砼浇捣的控制和加强养护工作，在振捣过程中切实要确保砼的密实度，又要避免过度和欠振捣。加强喷水或蓄水保湿养护，大面积混凝土暴露部位要覆盖上草袋，对于一些重要的构件可以在其表面，喷盖一层防水薄膜。
　　 d.结构设计时应尽量减少收缩和温度变形的影响，以及加大抵抗变形的能力。适当加强梁的腰部钢筋量以及增加板面抗裂钢筋，以分散裂缝的分布和控制裂缝的发展，超过允许长度时设置后浇带，分片，分层间隔浇筑施工。
　　5.2提高砼保护层质量
　　 a.设计时应考虑加厚保护层厚度，主要是防止钢筋锈蚀，设计时可根据规范要求，适当加厚砼保护层的厚度，但保护层也不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度。如有地下水的基础梁砼保护层厚度不小于45mm，有足够的厚度保护钢筋。
　　 b.砼表面刷防护涂层，在砼表面刷一定厚度的防护涂层是防止砼腐蚀的有效方法，一般在砼完全养护完毕或对旧砼结构的疏松孔隙进行表面预处理后再进行，形成一层抗渗和耐久的防腐隔离层，能有效阻止腐蚀介质在砼使用过程中侵入，成为阻止腐蚀介质进入砼的一道防线，同时也起到美化环境的作用。砼表面涂层按作用机理分为封闭型和隔离型两大类，工程应用时往往将封闭和隔离作用联合起来使用，以加强防护效果。砼表面涂装已越来越受到重视并受到各类工程的普遍使用，特别在西方发达国家，砼涂装已列入与钢结构同等重要地位，除了有大量应用实例和较长应用历史外，又以法规形式制定很多标准，对砼所处腐蚀环境分类、涂层设计、施工工艺、涂层性能检测、甚至涂层使用寿命等都进行严格的规定。
　　5.3防止预应力筋应力腐蚀断裂
　　 减少腐蚀方面来采取措施。首先要选用质量好的预应力钢筋材料，尽量避免预应力筋中含有对应力腐蚀敏感的金属材料。在设计金属设备结构时要力求合理，尽量减小应力集中和避免积存腐蚀介质；减少有害介质的存在。在介质中添加缓蚀剂，采用保护层和阴极保护是目前采取防止或抑制金属的应力腐蚀的基本方法。
　　 综上浅述，预应力砼的应用还是有着良好的前景，而且成功实例很多，虽然施工同普通砼工艺相比较复杂，但承载力及耐久性远高于普通砼。实践表明只要按设计施工及选用材料，其质量是完全能够满足使用年限的。
　　参考文献：
　　1、王宗昌建筑及节能保温实用技术北京 中国电力出版社2008.8.
　　2、扬慧媛 等玻璃类型对玻璃幕墙建筑室内热环境的影响[J] 暖通空调2005(10)23-28

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