預應力錨索結構耐久性研究綜述

李富民

(中國礦業(yè)大學 江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

1 錨頭體系腐蝕行為

1.1 錨頭體系腐蝕問題調(diào)查

Schupack[13]報道1個關于車庫的腐蝕問題，指出高含鹽量的地面土在結構建成后180～240 d的時間里腐蝕了結構的錨墊板和預應力鋼筋.在這個結構中，預應力鋼絲外面涂了1層潤滑脂且用紙包裹住，同時錨具被直接放置在對結構不利的含鹽地面上.顯然，有腐蝕性的鹽分和簡陋的防護措施引發(fā)了這次腐蝕.

Dickson等[14]拆除1根預制預應力后張混凝土大梁，并對它的狀況進行評估和分析.這根大梁在其服役的34 a間暴露在道路除冰鹽條件下，同時在服役期間承受著使用荷載.在評估過程中，首先把它切開，然后進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)在后張預應力鋼絲的局部區(qū)域、金屬管道內(nèi)部、錨具的組件上有一些表面腐蝕.除此之外，這根大梁整體狀態(tài)良好.需要注意的是，盡管錨具被嵌入在混凝土隔板中，但是大梁的所有組件中的錨具、墊板的腐蝕和退化卻是最為嚴重的.

在北美的1個利用氯鹽進行除冰的多層停車場中，發(fā)生1起非常嚴重的錨具腐蝕事故[15].這起事故涉及到的是用鋼框架支撐的現(xiàn)澆后張混凝土板部分.在這個事故里，除了鋼絞線超出錨具大約20 mm的部分上有腐蝕之外，結構建成后5 a內(nèi)都沒有在預應力鋼絞線上發(fā)現(xiàn)其他任何重大的腐蝕.這些無黏結鋼絞線用了1種可以抑制腐蝕的類油脂材料進行保護，同時外面還用1層塑料護皮進行密封.然而，在許多楔式錨具的表面卻仍然發(fā)現(xiàn)了腐蝕，同時其中1個錨環(huán)產(chǎn)生了縱向破裂.如圖1所示.

最典型的錨頭體系的腐蝕問題發(fā)生在預應力地錨結構中.FIP的一份調(diào)查報告[2]顯示，在1934—1986年記錄在案的著名事故中，有35個是因為腐蝕造成的錨索或錨桿失效，其中19個事故的腐蝕就發(fā)生在錨具上或者就在錨具旁邊(和錨具的距離不超過1 m).

程良奎等[16]對我國西南某大型邊坡錨固工程的部分錨索進行拆開檢查的結果表明，使用10 a后的錨具與鋼絞線均有較為明顯的銹蝕現(xiàn)象.如圖2所示.其原因則是外露筋體及錨具在施工時未能及時予以封閉，且錨頭處保護層太薄(砂漿層10 mm).

圖1 腐蝕錨環(huán)破裂

圖2 某大型邊坡錨索工程錨頭腐蝕

1.2 錨頭體系腐蝕形態(tài)特征

圖3 錨頭體系整體腐蝕形態(tài)特征

任何結構組件的腐蝕特征對其力學性能退化都具有重要影響.為了考察錨頭體系的腐蝕特征，文獻[9]通過長期腐蝕模擬試驗，研究了氯鹽侵蝕條件下單孔錨墊板體系的腐蝕特征，指出總體上錨頭體系各組件直接暴露在封錨混凝土中的部分均發(fā)生了明顯的腐蝕，其中墊板和插片的暴露部分腐蝕相對嚴重，且體現(xiàn)為全面、均勻的腐蝕特征，而錨環(huán)和夾片的暴露部分則腐蝕相對輕微，僅體現(xiàn)了局部腐蝕特征.如圖3所示.分解各組件后發(fā)現(xiàn)，各組件相互接觸的部位，比如錨環(huán)端面與墊板或插片之間、墊板與插片之間、夾片外壁與錨環(huán)內(nèi)壁之間，都幾乎沒有發(fā)生腐蝕.除銹后，發(fā)現(xiàn)錨環(huán)和夾片比墊板和插片表現(xiàn)出更為突出的坑蝕特征.

1.3 錨頭體系腐蝕發(fā)展特征

腐蝕發(fā)展特征決定了結構的力學性能退化特征，文獻[9]在長期腐蝕模擬及腐蝕速率監(jiān)測與檢測試驗基礎上，對比研究了氯鹽侵蝕條件下單孔錨墊板體系各組件的平均腐蝕速率，并考察腐蝕時間、錨具保護層厚度、預應力鋼筋的有效應力值等因素對腐蝕速率的影響，得到的主要結果如下：

1)各組件的平均腐蝕深度隨時間的變化呈增大趨勢，但增大速率卻逐漸減慢.如圖4所示.這說明瞬時腐蝕速率隨時間的延長在逐漸減慢.

2)各組件的平均腐蝕深度隨保護層厚度的增大呈減小趨勢，但減小速率卻逐漸減慢.如圖5所示.

3)各組件的平均腐蝕深度隨預應力筋有效應力水平的增大呈微弱的增長趨勢.如圖6所示.

圖4 錨頭各組件平均腐蝕深度時變特征

圖5 保護層厚度對錨頭各組件平均腐蝕深度的影響

圖6 預應力筋有效應力水平對錨頭各組件平均腐蝕深度的影響

4)由于錨頭體系各組件的材質(zhì)條件、防腐措施以及暴露條件各不相同，因而各自的腐蝕速率存在差別.對比結果表明，錨環(huán)比夾片的腐蝕速率略高一些，而墊板則比錨環(huán)和夾片的腐蝕速率均高出很多.

5)由于錨頭體系各組件的受力狀態(tài)不同，所以腐蝕對各自的不利影響程度也不同.夾片和墊板主要承受各自厚度方向的擠壓力，因而腐蝕損傷對其力學抗力的不利影響十分有限.然而，錨環(huán)是1個經(jīng)過加工的中空圓筒，圓筒的中空部分是圓錐形的，錨環(huán)承受了夾片施加給它的向外膨脹的力，使得錨環(huán)處于1個永久的環(huán)向張力中.因此，錨環(huán)發(fā)生腐蝕后，尤其發(fā)生典型坑蝕后，環(huán)向拉應力在蝕坑附近引起的應力集中將可能使錨環(huán)受拉而破裂，從而導致錨固體系失效.顯然，腐蝕對錨環(huán)的不利影響非常嚴重.

2 索體腐蝕行為及受拉性能退化模型

2.1 索體腐蝕問題調(diào)查

索體腐蝕問題非常突出,瑞典北部的一座水電站，在1955年采用了118根預應力錨桿進行了加固，其后運行了不到30 a的時間，就有1根預應力錨桿的桿體發(fā)生斷裂，從錨孔高速射出而失效[17].法國的米克斯大壩，有幾根高噸位(13 000 kN)的壓應力錨索僅僅使用了幾個月就發(fā)生斷裂.阿爾及利亞有一座大壩加固錨索，單束工作荷載1 000 kN，有4束錨索工作31 a后在錨頭下破壞.美國的1個由單排預應力錨索加固的擋土墻，在2 a左右的時間內(nèi)，先后有數(shù)根錨索斷裂，并像標槍一樣越過工地飛走了[18].1964年，在中國梅山水庫拱壩壩肩加固中，采用了預應力錨索與抗滑樁相結合的技術，但在錨索服役3.5～6 a內(nèi)，先后有3根自由式錨索的鋼絲破斷[19].唐均[20]通過對云南省臨滄市某水電廠邊坡加固工程中1根服役20 a的全長黏結型錨索的現(xiàn)場開挖，發(fā)現(xiàn)包裹漿體中存在明顯的空洞、分層、軟層、偏層等質(zhì)量問題，指出這些部位的索體相應地也存在明顯的銹蝕問題.其原因是施工時注漿從錨頭套管尾部開始，而整個套管長度范圍內(nèi)沒有漿體保護，導致此處索體的腐蝕非常嚴重，蝕坑深度最大達1.32 mm.

2.2 索體腐蝕形態(tài)特征

關于錨固結構的腐蝕形態(tài)，張思峰等[21]對某實際錨索結構進行現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻腐蝕現(xiàn)象；趙健等[22]發(fā)現(xiàn)錨桿結構有明顯坑蝕特征，指出平均腐蝕參數(shù)未體現(xiàn)坑蝕的危險性.文獻[10]發(fā)現(xiàn)氯鹽侵蝕條件下的錨索結構索體腐蝕有明顯坑蝕特征.

2.3 索體腐蝕發(fā)展特征與模型

錨索索體所處的巖土環(huán)境介質(zhì)往往處于富水欠氧狀態(tài)，而這導致索體的腐蝕發(fā)展具有獨特特征.因此，關于錨固結構的腐蝕機理研究成為解決問題的關鍵.這方面的研究定性分析了諸如化學腐蝕、電化學腐蝕、應力腐蝕等腐蝕方式存在的可能性及其基本原理與影響因素[23-24].pH值、時間、應力水平、材質(zhì)等因素對錨固結構腐蝕發(fā)展進程的影響規(guī)律已有定性結論[25-26].

圖7 氯鹽環(huán)境下錨索內(nèi)錨段腐蝕發(fā)展特征

通過長期腐蝕模擬及腐蝕速率監(jiān)測與檢測試驗，文獻[10]研究了氯鹽侵蝕條件下索體鋼絞線的腐蝕發(fā)展特征，建立了錨索內(nèi)錨段瞬時腐蝕速率時變模型及腐蝕失重率時變模型，其主要結果如下：

1)在氯鹽侵蝕環(huán)境下，錨索內(nèi)錨段的腐蝕總體屬于欠氧腐蝕，而這種腐蝕的進程終將由于氧氣的消耗殆盡得以停止.

2)腐蝕進程的時變規(guī)律(圖7)是：腐蝕初期時的錨索鋼絲表面逐步活化，存在1段瞬時腐蝕速率由小逐漸增大的過程；過了此階段以后，當氯鹽質(zhì)量濃度很大(陽極反應能力很強)或孔隙水飽和度很小(陰極反應能力很強)時，受強極對弱極反應再驅(qū)動的影響，瞬時腐蝕速率由小逐漸增大的過程還會繼續(xù)(約30 d)；此后，隨陰極氧化劑的不斷消耗，瞬時腐蝕速率逐漸降低，直至停止；其他腐蝕條件下瞬時腐蝕速率逐漸降低，直至停止.

3)氯鹽質(zhì)量濃度對腐蝕進程的影響明顯，其值越大，全程平均腐蝕速率和最終腐蝕失重率越大；孔隙水飽和度對腐蝕進程的影響比較復雜，其值在60%左右時，全程平均腐蝕速率和最終腐蝕失重率相對最大，而再小或再大都將導致它們降低.

4)通過對試驗結果的回歸分析，建立了錨索內(nèi)錨段腐蝕失重率時變模型，即

(1)

Vmax=a·Cb·exp(c+d·S+e·S2)，

(2)

n=f·Cg·Sh，

(3)

式中：R為腐蝕失重率，C為氯鹽質(zhì)量濃度，S為孔隙水飽和度，t為腐蝕時間(單位月).其余各系數(shù)取值見表1.

表1 索體腐蝕失重率時變模型系數(shù)取值

5) 在腐蝕失重率時變模型的基礎上，通過對時間變量的求導，得到了錨索內(nèi)錨段瞬時腐蝕速率時變模型，即

(4)

2.4 索體受拉性能退化模型

索體作為1種長期高應力工作結構，受腐蝕危害后會導致受拉性能退化.索體的應力腐蝕(SCC)問題非常敏感，因為它只要受到輕微腐蝕，就會引起極為嚴重的脆性破斷.當錨桿處于pH值<3.1的酸性溶液中時，發(fā)生氫致開裂型SCC，不然只發(fā)生常規(guī)腐蝕破壞.鄭靜等[27]針對腐蝕對錨體力學性能的影響，得到錨體斷裂荷載隨時間變化的回歸模型.

一般而言，結構的初始可靠度都會高于工程規(guī)范所確定的目標可靠度，而索體腐蝕本質(zhì)上會引起錨索結構可靠度的逐漸退化，直至目標可靠度，此時即為耐久性極限狀態(tài).對此， Chakravorty 與Jiang 等[28-29]研究巖錨結構體系的整體時變可靠性，指出其影響因素與措施.

簡化的可靠度退化問題可以通過索體受拉承載力概率取值的退化而間接得到.為此，文獻[10]在建立錨索內(nèi)錨段腐蝕失重率時變模型的基礎上，綜合腐蝕鋼絞線抗拉強度標準值隨腐蝕失重率的退化模型[30]，最終得到了錨索索體抗拉承載力退化預計模型，即

(5)

式中R為式(1)中的腐蝕失重率.

3 腐蝕錨索結構的錨固性能演化特征

3.1 索體腐蝕引起的錨固性能演化特征

索體腐蝕不僅會造成其受拉性能退化，一定腐蝕程度下還會減弱其與保護層之間的黏結性能，進而降低內(nèi)錨段錨固性能，引起結構整體失效.何思明等[31]以鋼絞線模擬錨索索體，在腐蝕率0～20%條件下，通過拉伸試驗分析，得到名義彈性模量退化經(jīng)驗模型，并采用剪滯理論研究出索體腐蝕導致黏結應力峰值增大并向錨固段前端推移的結果，但對黏結強度及黏結滑移本構關系的變化規(guī)律未以說明.

圖8 氯鹽腐蝕錨索結構黏結滑移本構關系模型算例

與一般地面結構不同，錨固結構受氯鹽腐蝕后的銹脹變形將受到圍巖的顯著約束，那么其錨固受力狀態(tài)及破壞形態(tài)都將有其自身特殊性，因此，科學模擬圍巖約束條件成為分析該性能演化的關鍵.文獻[11]設計的鋼絞線短黏結試件外包鋼管，圓柱形，置于水泥漿中，而鋼絞線的腐蝕通過直流通電方式實現(xiàn).靜力拔出試驗結果如下：

1)錨索索體受到氯鹽腐蝕時，腐蝕改變了索體與漿體間的黏結抗力，既降低膠著抗力，又因銹脹而增強摩擦抗力；當腐蝕程度較大時，索體不僅會受到損傷，還會降低咬合抗力.無疑，這種改變會明顯影響綜合錨固性能及其黏結滑移曲線形式.

2)當R<10%時，黏結滑移曲線由極速上升段、鋸齒形上升段、快速下降段組成；當R>10%時，黏結滑移曲線由快速上升段、快速下降段、平躺S形階段組成.

3)隨R的增大，設計滑移距離單調(diào)增大，設計剛度單調(diào)減小，設計強度、極限強度先增而后回落，極限滑移、延性指數(shù)先減小而后小幅回升；與無腐蝕錨索相比，當R<15%時，腐蝕錨索錨固強度可提高大約2.5倍，但正常工作剛度降低大約12%，延性指數(shù)降低大約0.32%.顯然，錨索的綜合工作性能受腐蝕的不利影響.

4)建立的基于ECS函數(shù)的氯鹽腐蝕錨索結構黏結滑移本構關系經(jīng)驗模型，以單一函數(shù)形式較好地適應錨索結構黏結滑移曲線隨腐蝕程度變化而復雜變化的需求.如圖8所示.

3.2 保護漿體腐蝕引起的錨固性能演化特征

水泥基保護漿體的硫酸鹽腐蝕引起的的錨固性能退化問題更為典型.陳慶玉[32]以150 mm×150 mm截面的試件(中心握裹50 mm直徑的水泥砂漿內(nèi)有1根12 mm直徑的變形鋼筋模擬錨桿，錨固體長度100 mm)，研究了硫酸鹽腐蝕下砂漿與錨桿以及砂漿與混凝土界面黏結性能的退化規(guī)律，指出砂漿與錨桿之間的黏結強度隨腐蝕時間的增長呈線性下降，且水灰比越大，降低速度越快；砂漿與圍巖之間的黏結強度隨腐蝕時間的發(fā)展先上升，后降低，降低幅度小于砂漿與錨桿之間黏結強度的降低；兩類黏結滑移剛度均有所降低.文獻[12]針對錨索結構，研討了硫酸鹽腐蝕引起錨索內(nèi)錨段錨固性能的退化規(guī)律，得到的結果如下：

圖9 硫酸鹽腐蝕錨索結構黏結滑移曲線

1)錨索結構漿體受到硫酸鹽腐蝕時，圍巖的約束作用會阻止腐蝕膨脹引起的物理損傷；化學損傷是腐蝕損傷的主要方式，造成漿體材料強度退化，進而導致錨固性能退化.

2)硫酸鹽腐蝕錨索結構拔出受力的全程黏結滑移曲線由初期極速上升段、中后期鋸齒形上升段、末期快速下降段組成.如圖9所示.

3)隨著圍巖變形模量(約束水平)的增大，錨索拔出時的摩擦力就會提高，而設計滑移距離、設計強度、極限滑移距離、極限強度等參數(shù)也均隨之增大；隨著漿體腐蝕程度的增大，錨索拔出受力時的咬合力不僅會降低，設計強度、極限滑移、極限強度等參數(shù)也隨之降低，但設計滑移距離則因漿體模量的退化而增大.這些演變趨勢均接近線性關系.

4 結語

由于自身材料和構造的特殊性，以及所處環(huán)境的復雜性，預應力錨索結構的耐久性問題十分突出，且與一般地面結構相比具有明顯的獨特之處.截至目前，國內(nèi)外針對錨索結構的耐久性問題已展開了一定的研究，但總體工作仍然相對較少.近些年，筆者對錨索體系的耐久性問題也展開了有關研究，從錨頭、索體、保護漿體的腐蝕特征、腐蝕進程、力學性能退化等多方面綜合考察錨索體系的耐久性退化行為.本文通過綜合梳理上述工作，從錨頭體系腐蝕行為、索體腐蝕行為及受拉性能退化、腐蝕錨索結構的錨固性能演化等方面對錨索結構的耐久性研究作了介紹，以期為此方面更深入的研究工作提供參考.

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