電絕緣預應力錨固體系在30 m T 梁中的應用研究

劉平偉 張勝利 李紅遠

(廣西工學院鹿山學院，廣西柳州 545616)

0 引言

本文試驗梁所在項目是廣西玉林至鐵山港高速公路，它位于廣西壯族自治區(qū)東南部，北起玉林市北流市西瑯白墳垌的南面，與岑溪至興業(yè)高速公路相接，終點位于北海市鐵山港區(qū)，與北海至鐵山港一級公路相接。本項目全長約174.076 km，設計時速為120 km/h，雙向四車道高速公路。由于K162+255白沙頭港大橋是跨海大橋，橋區(qū)為侵蝕河谷地貌，地勢平坦開闊，地表水，地下水發(fā)育，微地貌為河道和蝦塘，容易遭受海水氯離子的腐蝕，梁板中的鋼絞線比其他普通梁板更容易被海水中氯離子腐蝕，所以選用跨海大橋的30 m T梁能更好地驗證電絕緣錨固體系的可靠性和安全性。試驗梁位于白沙頭港大橋預制T梁廠內(nèi)，白沙頭港大橋梁板設計為30 m預制T梁，采用后張預應力法施工，整個體系采用先簡支后連續(xù)。

后張法預應力混凝土結構以其安全性、可靠性、耐久性在公路、鐵路方面得到廣泛應用，而采用常規(guī)的傳統(tǒng)金屬波紋管道和普通錨具施工的預應力筋，容易受到周圍環(huán)境氯化物、材料的氫脆、金屬電解質、雜散電流、微動疲勞、電接觸等等腐蝕而發(fā)生脆性破壞。

在2005年，F(xiàn)IB(國際結構混凝土協(xié)會)就對后張預應力筋的耐久性問題作了規(guī)定，并根據(jù)預應力系統(tǒng)耐腐蝕性能的大小分成了三種體系:PL1——傳統(tǒng)的金屬孔道;PL2——塑料波紋管孔道;PL3——塑料波紋管+電絕緣錨具(EIT)，指出對于在PL1體系中預應力筋易受到的六大因素的腐蝕:來自周圍環(huán)境的氯化物(氯離子);雜散電流(直流電);金屬溶解電解質;材料的氫脆;微動疲勞;電接觸。在PL1體系中這些腐蝕因素難以用無損技術進行檢測，最終銹蝕引發(fā)結構的瞬間破壞，嚴重的影響結構的安全性和可使用年限。

采用PL3體系能很好的防止和監(jiān)測預應力筋的腐蝕問題，并且有以下幾大優(yōu)勢:

1)整個系統(tǒng)密封性能好，避免氯化物侵蝕預應力筋;

2)隔絕雜散電流接觸預應力筋;

3)允許檢測，可采用無損檢測技術對結構進行控制和監(jiān)測;

4)增強結構的安全性和耐久性。

在國外，通過試驗室試驗以及工程應用，在意大利以及瑞士的應用證明在后張預應力中使用電絕緣型錨固體系是成功的，該體系用簡單以及可靠的測量手段為結構的腐蝕防護提供了可靠的信息。而在瑞士從1993年起至今約有120座結構(主要是橋梁)安裝了電絕緣型錨固體系，國家鐵路局(Swiss Federal Railway authorities)和交通部Swiss department of Transport(針對直流電軌道方面)要求必須使用電絕緣型錨固體系。

1 電絕緣預應力錨固體系

電絕緣預應力錨固體系是由電絕緣型錨具、塑料波紋管和無損檢測系統(tǒng)組成。電絕緣預應力錨固體系將預應力筋和錨具與外圍混凝土隔離開來，最大程度上保證了預應力筋不被腐蝕，并且可以在任意時刻用快速的無損檢測方法來檢測預應力筋的腐蝕情況，保證了橋梁結構在服役年限內(nèi)的完整性，這是與普通預應力錨固體系的最大區(qū)別。

1.1 電絕緣型錨具

電絕緣型錨具由普通錨板、夾片、螺旋筋和ZH型電絕緣錨墊板組成，而ZH型電絕緣錨墊板由芯板、近乎電絕緣的高性能混凝土和塑料喇叭管組成。芯板為中空鑄鐵或鑄鋼件，其與工作錨板接觸，并將預應力傳遞給外周的高性能混凝土;高性能混凝土強度在150 MPa以上，有效地包絡住芯板，并將預應力安全地傳遞、分散給預應力混凝土構件;喇叭管為電絕緣性和耐久性好的塑料件，起著連接塑料波紋管道，隔絕鋼絞線和外部鋼筋聯(lián)系的作用。圖1為OVM公司開發(fā)的ZH型錨墊板產(chǎn)品。

圖1 ZH型電絕緣錨墊板

1.2 塑料波紋管

塑料波紋管的作用是封閉和隔絕了預應力鋼絞線和普通鋼筋的聯(lián)系，在錨具附近波紋管的連接非常重要，這將是保證鋼絞線被密封和絕緣性的重要因素，因此在塑料波紋管、通氣孔和排漿孔的連接需要非常的小心。塑料波紋管的另一大優(yōu)勢是摩擦系數(shù)減小了，傳統(tǒng)的金屬管道摩擦系數(shù)為0.3，而塑料波紋管為0.14，摩損現(xiàn)象顯著地減少了。

塑料波紋管有以下優(yōu)異性能:

1)提高預應力筋的防腐保護，可防止氯離子入侵而產(chǎn)生的腐蝕;

2)不導電，可防止雜散電流腐蝕;

3)密封性能好，不生銹;

4)提高預應力筋的耐疲勞性能。

1.3 可隨時監(jiān)測的無損檢測系統(tǒng)

此無損檢測系統(tǒng)最大的優(yōu)點是無傳感器，鋼絞線和混凝土中的鋼筋即是傳感器;在結構整個壽命期間任何時候都可迅速測量其電阻，實現(xiàn)其質量控制。電阻值在灌漿完成后是不斷的增大，一旦減少時就等于預警腐蝕產(chǎn)生。檢測所用的儀表是便攜式LCR電橋表。

本試驗采用PL3體系來監(jiān)測預應力筋的腐蝕問題。根據(jù)FIB(國際結構混凝土協(xié)會)建議檢測系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 檢測系統(tǒng)工作原理圖

按照FIB建議，預應力筋張拉灌漿完成后，隨著時間的推移，動態(tài)電阻值越來越大，呈上升趨勢，一旦有下降的趨勢則是預示著預應力筋有腐蝕，開始了早期預報提示。

2 試驗梁的制作

試驗梁的制作工藝:

梁肋鋼筋綁扎→模板安裝→翼緣板鋼筋綁扎→澆筑混凝土→拆模養(yǎng)生→張拉(強度達到設計要求)→壓漿。

鋼筋的制作要按照圖紙設計要求，保證主筋搭接長度滿足要求，焊縫要均勻飽滿，骨架筋和水平筋安裝位置要準確，間距均勻，波紋管定位鋼筋位置要準確，這些都是保證梁板以后安全性、耐久性的重要因素，必須加以控制，鋼筋經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗合格后方可進行下道工序。

模板要采用定型鋼模板，模板拼裝平整度要滿足規(guī)范設計要求，相鄰模板拼裝接縫不大于2 mm，模板底角支撐要滿足牢固、穩(wěn)定性的要求，施工時安排專人檢查，如發(fā)現(xiàn)底角支撐有松動，應立即進行加固。

翼緣板鋼筋綁扎好后，經(jīng)檢驗合格后，然后進行導線的預埋，所選用的導線為1 mm2的銅線。導線預埋的方法是先在梁體一端翼緣板鋼筋處選擇兩根鋼筋，用砂紙打磨除掉鋼筋上的浮銹，剝掉導線上的絕緣皮，把裸露的銅絲纏繞在打磨好的鋼筋上，然后用錫焊焊接導線，焊接完畢后把AB膠水均勻地涂在導線焊接處，保證粘結牢固，最后用絕緣防水膠帶包裹導線連接處。這樣處理的目的是可以防止導線接觸不良、潮濕、脫落等問題的出現(xiàn)，有效地避免非絕緣性因素造成的影響。然后用同樣的方法預埋另一端(見圖3)。

圖3 T梁翼緣板導線預埋的試驗梁

電絕緣型錨墊板要安裝在梁的端部，安裝時要先把錨墊板用螺栓固定在端頭鋼模板上，將塑料連接管按缺口對著灌漿口推進到錨墊板內(nèi)孔，直到配合緊密(見圖4)。

混凝土的澆筑采用攪拌站集中拌合，混凝土運輸車運輸混凝土，混凝土坍落度控制在10 cm～12 cm，澆筑過程中應該注意混凝土的和易性，發(fā)現(xiàn)混凝土中有骨料離散的現(xiàn)象，應廢掉不得再次使用，這是保證混凝土質量的關鍵。澆筑應從梁體一端到另一端，澆筑完成24 h后拆模，拆模后要覆蓋水養(yǎng)，養(yǎng)生要達到規(guī)范規(guī)定時間。

圖4 預埋電絕緣錨墊板的試驗梁

張拉時采用油表讀數(shù)和伸長量雙重控制，張拉完成后切掉端頭多余鋼絞線，然后在鋼絞線上預埋導線，方法和翼緣板鋼筋預埋導線類似。

壓漿采用真空壓漿，施工過程控制漿體稠度為30 s～50 s，壓漿完成后，等到漿體強度達到設計要求時才能移運和吊裝。

3 試驗數(shù)據(jù)

本次試驗選用9片T梁做試驗梁，8片試驗梁是采用PL3體系，1片試驗梁采用PL2體系。每片梁的波紋管采用的是85 mm的內(nèi)徑，每個孔道的鋼絞線是10根，鋼絞線采用的是公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，導線接在錨具端頭鋼絞線任意兩根上，每片試驗梁翼緣板和電絕緣錨具處都接導線。每片試驗梁長度29.6 m，重量達70 t左右(見圖5)。檢測所用儀器為1 kHz頻率的便攜式LCR電橋表(見圖6)，檢測時導線翼緣板鋼筋導線和錨具處鋼絞線導線分別連接LCR電橋表兩端。

圖5 預埋導線的試驗梁

圖6 LCR電橋表

從試驗結果來看，隨著壓漿時間的增長，漿體和混凝土都逐漸變干，電阻值呈增大的趨勢(見圖7)。但是，也有部分孔道電阻值在20 Ω以下，說明預應力筋和混凝土中的鋼筋有接觸，錨具與塑料波紋管的接頭處絕緣防護沒有做好，導致鋼絞線和混凝土中的鋼筋接觸。這也提醒以后要更加注意安裝施工。試驗梁端部電絕緣錨具導線預埋見圖8。

圖7 試驗梁部分孔道阻值變化趨勢圖

從圖7中看出孔道鋼絞線電阻值呈增大的趨勢，偶爾有下降的波動，分析可能原因是導線端頭被氧化，測阻值時沒有打磨導線氧化部位，導致阻值有下降波動。

圖8 試驗梁端部電絕緣錨具導線預埋

4 結語

1)電絕緣型錨墊板和塑料波紋管在工程中的運用，提高了鋼絞線的防護能力，并且通過一種簡單有效可行的辦法來監(jiān)測鋼絞線腐蝕的可能性。

2)隨著時間的推移，試驗測得它們之間的電阻值是逐漸增大的。

3)建議OVM.M15ZH型電絕緣錨墊板進一步優(yōu)化，增強錨墊板的絕緣防護能力。

4)電絕緣錨固體系在30 m T梁中的應用，經(jīng)試驗間隔檢測電阻，證明是成功的，為下一步更廣泛的推廣應用打下了堅實的基礎。

［1］M.Della Vedova，B.Elsener，L.Evangelister.Corrosion Protection and Monitoring of Electrically Isolated Post-Tensioning Tendons［C］.Proceedings of the Third European Conference on Structural Control，3ESCS，2004:12-15.

［2］Measures to ensure the durability of post-tensioning tendons in bridges，guideline of the Swiss Federal Roads Authority and Swiss Federal Railways［M］.Edition，2001.