凍融循環(huán)下無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線耐久性的實(shí)驗(yàn)研究

鄒洪波 ，羅小勇，周奇峰

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭，411104)

無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)是建設(shè)部“八五”、“九五”及2010發(fā)展綱要科技計(jì)劃重點(diǎn)推廣項(xiàng)目之一，是我國(guó)建筑工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)方向。無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)屬于后張法的一種，具有無(wú)需留孔灌漿、孔道摩擦小、易形成跨度曲線、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。然而在其不斷推廣的過(guò)程中對(duì)其耐久性的研究卻相對(duì)落后。我國(guó)在1993年就發(fā)布了JGJ/T 92—93(《無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，其中沒(méi)有涉及耐久性方面的問(wèn)題。我國(guó)于2004年對(duì)原規(guī)程進(jìn)行了修訂，修訂后的規(guī)程(JGJ 92—2004)給了一些提高無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的技術(shù)措施[2]，但沒(méi)有考慮凍融循環(huán)對(duì)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性的影響。一般認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土的耐久性比普通混凝土要好。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)對(duì)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的耐久性問(wèn)題不能忽視[3]。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土的耐久性，現(xiàn)在的研究集中于混凝土，對(duì)于受力狀況下混凝土的碳化[4?6]、凍融[7?8]、氯離子侵蝕[9?11]等問(wèn)題已有相關(guān)的研究。而對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋耐久性問(wèn)題的研究幾乎沒(méi)有?；炷梁皖A(yù)應(yīng)力筋由于溫度變化下的膨脹系數(shù)不一樣，在反復(fù)凍融循環(huán)下，必然會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋，特別是高應(yīng)力狀態(tài)下的無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力損失。一些學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)觀測(cè)與分析，提出了總預(yù)應(yīng)力筋損失近似估算值[12]。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)與土木工程學(xué)會(huì)(ACI-ASCE)第423委員會(huì)于1958年提出的“預(yù)應(yīng)力混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議”對(duì)混凝土彈性壓縮、收縮、徐變和鋼材的松弛引起的總損失值(不包括摩擦及錨固損失)進(jìn)行了規(guī)定[13]。但都沒(méi)考慮凍融次數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。同時(shí)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的耐久性完全依靠保護(hù)層的保護(hù)，在凍融循環(huán)作用下保護(hù)層是否仍然有足夠的保護(hù)作用，鋼絞線是否有足夠抵抗腐蝕的能力，這些都有待研究。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱肆私忸A(yù)應(yīng)力鋼絞線在凍融循環(huán)下的預(yù)應(yīng)力損失和凍融循環(huán)下鋼絞線及其保護(hù)層的抗腐蝕能力。

1 凍融循環(huán)下的預(yù)應(yīng)力損失實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作 2根無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線混凝土試件(編號(hào)DY)。試件所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40，試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為100 mm×100 mm×400 mm。采用原材料為：425號(hào)普通硅酸鹽水泥；中河沙，細(xì)度模數(shù)為2.60；碎石，最大骨料粒徑15 mm。28 d齡期下測(cè)得混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C41。鋼絞線采用1×7 標(biāo)準(zhǔn)型，公稱直徑為15.2 mm。采用后張法無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土試件，在張拉端安裝測(cè)力計(jì)，用以控制初始的張拉應(yīng)力及測(cè)量鋼絞線在不同的凍融循環(huán)次數(shù)的預(yù)拉力。試件如圖1所示，鋼絞線實(shí)際應(yīng)力水平如表1所示。凍融循環(huán)試驗(yàn)按照 GBJ 82—85(《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》)中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法進(jìn)行。在規(guī)定的凍融次數(shù)后測(cè)量鋼絞線的預(yù)拉力損失值。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 DY試件Fig. 1 DY specimen

表1 DY試件應(yīng)力參數(shù)Table 1 DY specimen stress parameters

試件凍融過(guò)程中鋼絞線有效預(yù)拉力隨凍融次數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖2。由圖2可以看到：當(dāng)混凝土所受的壓應(yīng)力較大時(shí)(DY1)，鋼絞線預(yù)拉力隨混凝土的凍融次數(shù)增加而降低；當(dāng)混凝土所受的壓應(yīng)力較小時(shí)(DY2), 鋼絞線預(yù)拉力隨混凝土的凍融次數(shù)增加而增加。

李金玉等[14]研究表明：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的吸水率呈逐步增加的趨勢(shì)。吸水率的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土的體積、應(yīng)變的增加，這種體積、應(yīng)變的改變?nèi)绻艿筋A(yù)壓力的限制，必然反過(guò)來(lái)對(duì)施加的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生影響。經(jīng)ASTM C671改進(jìn)后形成的“受凍混凝土試件臨界膨脹試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”檢驗(yàn)過(guò)的大量混凝土試件也表明：混凝土試件伸長(zhǎng)率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增加[15]。凍融循環(huán)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失影響，可以概括為以下幾個(gè)因素：(1) 凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土伸長(zhǎng)率的改變必然會(huì)影響其鋼絞線的預(yù)應(yīng)力改變；(2) 混凝土在凍脹作用下發(fā)生劣化，對(duì)鋼絞線的支撐作用將下降，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的應(yīng)力損失；(3) 凍融對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的腐蝕有著加速作用,鋼絞線受腐蝕后其截面會(huì)減少，加在結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力必然會(huì)受到損失；(4) 鋼絞線和混凝土由于存在熱膨脹差，在溫度變化時(shí)必然也會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失。當(dāng)壓應(yīng)力較小時(shí)，壓力對(duì)混凝土的伸長(zhǎng)約束較小，混凝土吸水產(chǎn)生的縱向伸長(zhǎng)導(dǎo)致鋼絞線預(yù)應(yīng)力的增加(即因素(1)超過(guò)了因素(2)～(4)的預(yù)應(yīng)力損失)，鋼絞線預(yù)應(yīng)力也就隨混凝土的凍融次數(shù)增加而增加；當(dāng)壓應(yīng)力較大時(shí)，壓力足以制約混凝土在凍融循環(huán)下的伸長(zhǎng)，此時(shí)因素(2)～(4)的預(yù)應(yīng)力損失超過(guò)了因素(1)的預(yù)應(yīng)力的增長(zhǎng)，情況則與之相反。由以上分析可知：混凝土的壓應(yīng)力水平是影響無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在凍融下預(yù)應(yīng)力損失變化趨勢(shì)的主導(dǎo)因素，它有一個(gè)臨界值，超過(guò)這個(gè)臨界值，預(yù)應(yīng)力隨凍融次數(shù)增加而降低，低于這個(gè)臨界值，預(yù)應(yīng)力隨凍融次數(shù)增加而增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，偏于安全考慮，這個(gè)臨界值暫取0.4fc。

圖2 預(yù)應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化圖Fig. 2 Prestress change with freezing-thawing cycle times

1.3 凍融循環(huán)下無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失模型

由于引起預(yù)應(yīng)力損失的因素較多，要分別確定各個(gè)因素引起的預(yù)應(yīng)力損失比較困難。但是，可以根據(jù)試驗(yàn)中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線隨凍融次數(shù)的變化數(shù)據(jù)建立凍融循環(huán)作用下預(yù)拉力損失的綜合值。定義常態(tài)下鋼絞線的初始有效預(yù)拉力為F0。K為凍融作用下預(yù)拉力損失的綜合系數(shù)，此系數(shù)主要與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，因此，凍融循環(huán)下鋼絞線的預(yù)拉力損失值可表示為：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果回歸分析(見(jiàn)圖 3)后的系數(shù)K可表示為：

其中：n為混凝土凍融循環(huán)次數(shù)；FC0為F0所對(duì)應(yīng)的混凝土應(yīng)力水平。因此，凍融循環(huán)下鋼絞線的預(yù)拉力損失可表示為：

圖3 系數(shù)K的擬合曲線圖Fig. 3 Fitting curve of coefficient K

式中：Fdl為n次凍融循環(huán)后鋼絞線的預(yù)拉力損失；F0為鋼絞線的初始有效預(yù)拉力，用混凝土應(yīng)力水平表征；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

需要指出的是：在實(shí)際工程中，無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼絞線張拉控制應(yīng)力在(0.40～0.75)fptk之間，本試驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)條件有限，試件尺寸短小，鋼絞線控制應(yīng)力并未滿足此要求，但混凝土的應(yīng)力水平能滿足實(shí)際工程應(yīng)力水平，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍具有指導(dǎo)意義。

2 凍融循環(huán)下鋼絞線及其保護(hù)層的抗腐蝕能力實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)保護(hù)層的抗腐蝕能力，設(shè)計(jì)3組(每組3段，每段長(zhǎng)250 mm)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線放置在凍融箱里進(jìn)行凍融，以模擬凍融循環(huán)對(duì)鋼絞線防護(hù)層性能的影響：第 1組(編號(hào) XW)將鋼絞線兩端套管各伸出 25 mm，里面填以防腐油脂，然后浸入水中，以研究聚乙烯套管完好時(shí)凍融循環(huán)對(duì)防腐油脂性能影響；第 2組(編號(hào) XP) 鋼絞線兩端不填充防腐油脂，直接浸泡在水里面，以研究聚乙烯套管破損時(shí)凍融循環(huán)對(duì)防腐油脂性能影響；第3組(編號(hào)XS)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，除去聚乙烯套管和防腐油脂后浸入水中，以研究聚乙烯套管和油脂都損壞時(shí)鋼絞線的腐蝕情況。

如表2所示，為研究多因素對(duì)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕的影響，設(shè)計(jì)2組預(yù)應(yīng)力構(gòu)件(構(gòu)件參數(shù)與2.1節(jié)所述一致)，一組將其浸入室外水中，環(huán)境按常態(tài)考慮；另一組經(jīng)受凍融循環(huán)。待凍融循環(huán)結(jié)束后，將常溫和凍融試件中的鋼絞線取出(除去聚乙烯套管和油脂)，截取端部的 250 mm 長(zhǎng)，并分別將其編號(hào)為CTXP(常態(tài)下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的鋼絞線)和 DYXP(凍融狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的鋼絞線)，分別檢測(cè)編號(hào)為XP，DYXP和CTXP鋼絞線的質(zhì)量, 衡量不同因素對(duì)鋼絞線的腐蝕影響程度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)鋼絞線經(jīng)200次凍融循環(huán)后，XW試件兩端及XP試件的防腐油脂顏色已經(jīng)由暗黃變成乳黃色，但在鋼絞線上的黏附能力依然良好。去掉XW和XP的外包材料及防腐油脂，可以看到XW(聚乙烯套管完好)試件基本無(wú)腐蝕，而 XP(聚乙烯套管破損)試件與XS(無(wú)聚乙烯套管和油脂保護(hù))試件都有輕微腐蝕，其中XS試件表面出較大的腐蝕面，見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：只要鋼絞線能受到防腐油脂的有效保護(hù)，鋼絞線就能避免受到腐蝕(如試件 XW)，但油脂對(duì)中心絲未做涂覆，水分仍然可以從鋼絲間隙滲入，從而引起鋼絞線的腐蝕(如試件XP)。對(duì)油脂涂覆到中心絲的問(wèn)題，已有專家提出該項(xiàng)要求，這種要求從防腐的角度是合理的，可減少鋼絲間隙中水分滲入的可能，但從力學(xué)性能角度，一旦中心絲與邊緣絲被潤(rùn)滑脂填充，帶來(lái)的是后張過(guò)程中中心絲與邊緣絲張力不均，將會(huì)影響應(yīng)力的均勻性和松弛性能，尚需綜合考慮。鋼絞線腐蝕銹蝕質(zhì)量損失率按下式計(jì)算：

式中：Lw為經(jīng)n次凍融循環(huán)后鋼絞線銹蝕質(zhì)量損失率；mn為經(jīng)n次凍融循環(huán)并除銹后鋼絞線質(zhì)量，g；m0為凍融循環(huán)前鋼絞線質(zhì)量，g。

試驗(yàn)中由于聚乙烯套管和油脂的存在難以確定鋼絞線的初始重量，按每米標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度重量換算鋼絞線的初始重量必須知道每段的準(zhǔn)確長(zhǎng)度，因?yàn)榍懈钿摻g線兩端難以保持完全平整，以長(zhǎng)度換算鋼絞線的初始重量也行不通?？紤]到本試驗(yàn)中鋼絞線的銹蝕是微量的，計(jì)算鋼絞線腐蝕質(zhì)量損失率時(shí)采用銹蝕后的鋼絞線質(zhì)量代替凍融前鋼絞線的質(zhì)量，這樣也不會(huì)帶來(lái)計(jì)算上較大的偏差。

3組試件經(jīng)200次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率計(jì)算值見(jiàn)圖5。圖5反映了不同因素下鋼絞線的銹蝕情況。試樣設(shè)計(jì)及其編號(hào)見(jiàn)表2。若將表2中檢測(cè)到無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(XP)的腐蝕情況計(jì)為因素1對(duì)鋼絞線的腐蝕影響，鋼絞線(CTXP)的腐蝕情況計(jì)為因素2對(duì)鋼絞線的腐蝕影響，鋼絞線(DYXP)的腐蝕情況計(jì)為因素3對(duì)鋼絞線的腐蝕影響。依據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)條件知：因素1反映凍融對(duì)鋼絞線腐蝕的影響，因素2反映預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼絞線腐蝕的影響, 因素 3反映凍融+預(yù)應(yīng)力雙因素對(duì)鋼絞線腐蝕的影響(見(jiàn)表2)。

表2 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)及其編號(hào)Table 2 Specimen design and code

圖4 XW，XP和XS試件經(jīng)200次凍融循環(huán)后腐蝕情況Fig. 4 Corrosion condition of XW, XP and XS after 200 freezing-thawing cycles

圖5 不同試件的銹蝕比較Fig. 5 Comparison of different specimens corrosion

從圖5可以看出：凍融、預(yù)應(yīng)力、凍融＋預(yù)應(yīng)力因素下鋼絞線銹蝕質(zhì)量損失率分別為0.147%，0.156%和0.329%。比較XP和CTXP鋼絞線，其銹蝕率比較接近。由于試驗(yàn)中常態(tài)下的鋼絞線的預(yù)應(yīng)力(約0.18fptk)不大，應(yīng)力腐蝕影響很小，試驗(yàn)結(jié)果主要表現(xiàn)在溫度對(duì)鋼絞線的腐蝕影響上，可見(jiàn)低溫(或負(fù)溫)下鋼絞線的腐蝕率是非常低的。Tuutti[16]的研究表明：鋼筋在低溫(?20～10 ℃)的銹蝕率較低，但銹蝕速度隨溫度的升高增加較快；鋼筋在較高溫度(10～20 ℃)的銹蝕率較高，但銹蝕速度隨溫度的升高增加較慢。凍融試驗(yàn)的溫度是在?17～8 ℃之間變化的，試驗(yàn)中鋼絞線的腐蝕情況和Tuutti的研究是相符的。

而 DYXP鋼絞線的腐蝕率達(dá)到 0.329%，分別是XP鋼絞線的2.2倍、CTXP鋼絞線的2.1倍，比單獨(dú)凍融和預(yù)應(yīng)力下鋼絞線腐蝕率之和還大，可見(jiàn)多因素下的鋼絞線腐蝕率不是各因素的簡(jiǎn)單疊加，各因素的相互影響作用是大于單獨(dú)因素的簡(jiǎn)單疊加的。在應(yīng)力狀態(tài)下，鋼絞線表面產(chǎn)生了微裂縫, 凍融在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫使侵蝕性介質(zhì)(如含氧氣的水溶液)更容易接近鋼絞線從而進(jìn)入鋼絞線的微裂縫腐蝕鋼絞線，腐蝕沿裂縫深入，應(yīng)力再促進(jìn)裂縫發(fā)展，應(yīng)力越大，鋼材受腐蝕的速度越快。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)混凝土所受的壓應(yīng)力較大時(shí)，鋼絞線預(yù)拉力隨混凝土的凍融次數(shù)增加而降低；當(dāng)混凝土所受的壓應(yīng)力較小時(shí), 鋼絞線預(yù)拉力隨混凝土的凍融次數(shù)增加而增加。這里混凝土應(yīng)力水平有個(gè)臨界值，這個(gè)臨界值暫取0.4fc。并根據(jù)回歸分析，得到了凍融循環(huán)下無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失模型。

(2) 鋼絞線能受到防腐油脂的有效保護(hù)，保護(hù)層的完整性嚴(yán)重影響鋼絞線的耐久性，這點(diǎn)在施工中要特別注意。

(3) 在凍融和預(yù)應(yīng)力共同作用下，無(wú)黏結(jié)鋼絞線的腐蝕率大于各因素單獨(dú)作用時(shí)腐蝕率的簡(jiǎn)單疊加，這點(diǎn)應(yīng)在無(wú)黏結(jié)鋼絞線耐久性設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。

[1]JGJ/T 92—93, 無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].JGJ/T 92—93, Technical specification for concrete structures prestressed with unbonded tendons[S].

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