緩黏結(jié)預應力混凝土固化評價指標及完全固化時間預測

王揮云

(中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司 北京市 110106)

0 引言

緩黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是近二十年在我國土木建筑工程中發(fā)展起來的新技術(shù)。它克服了無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能差的缺點，同時也改善了有黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)工藝復雜施工質(zhì)量難以控制等的不足[1]。

該技術(shù)采用的緩黏結(jié)預應力鋼筋由圖1所示的預應力鋼絞線、帶有刻痕的高密度聚乙烯套管和環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑組成。環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑在緩黏結(jié)預應力鋼筋制備到預應力鋼筋張拉前，處于可流動的液體，便于預應力鋼筋的張拉。張拉完成后，緩黏結(jié)劑經(jīng)過一、兩年的硬化反應變成具有一定黏結(jié)強度的固體物質(zhì)，使得緩黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)具有有粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)良好的力學性能，適用于有抗震要求的地區(qū)[2]。

圖1 緩黏結(jié)預應力鋼筋各部分組成

在過去的20多年，學者對緩黏結(jié)劑的制備、緩黏結(jié)預應力鋼筋的加工、張拉施工過程中應力損失以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件在緩黏結(jié)劑固化期間的力學性能等進行了一系列的研究[3-6]，為該技術(shù)的工程應用奠定了科學理論基礎(chǔ)。但是在工程應用中，由于緩黏結(jié)預應力鋼筋張拉完成后，緩黏結(jié)劑完全處于密封狀態(tài)，固化過程中緩黏結(jié)劑究竟處于何種狀態(tài)，用什么指標反映其力學性質(zhì)，以及在外界溫度變化的情況下如何準確預測緩黏結(jié)劑完全固化時間等問題困擾著該技術(shù)的工程質(zhì)量控制及驗收。

為此，通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，采用邵氏硬度來描述緩粘結(jié)劑在固化過程中的物理性質(zhì)及與預應力鋼絞線之間的黏結(jié)強度變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，建立考慮溫度影響的緩黏結(jié)劑完全固化需要的時間經(jīng)驗公式，并結(jié)合我國各大城市全年氣溫變化預測緩黏結(jié)劑完全固化所需要時間，為在不同地區(qū)應用該技術(shù)在控制工程質(zhì)量及工程驗收方面提供參考。

1 緩黏結(jié)劑固化性質(zhì)評價指標的建立

緩黏結(jié)預應力鋼筋中的緩黏材料一般由兩類材料構(gòu)成，一類是超緩凝砂漿，一類是環(huán)氧樹脂。由超緩凝砂漿構(gòu)成的緩黏結(jié)預應力鋼筋由于較難控制張拉時間，在工程中應用較少。由高分子環(huán)氧樹脂構(gòu)成的緩黏結(jié)預應力鋼筋可以使得張拉時間延遲3到6個月甚至更長，便于控制張拉時機。張拉結(jié)束后環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑經(jīng)過一兩年硬化反應，工程竣工時緩黏結(jié)劑的力學性能能夠達到工程要求，因此環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中應用越來越廣泛。

目前我國的規(guī)程技術(shù)標準從工程應用角度出發(fā)，將環(huán)氧樹脂類緩黏結(jié)預應力鋼筋從材料制備到工程應用根據(jù)時間劃分為兩個時期，第一時期為張拉適用期，第二時期為固化期[7]。規(guī)程雖然給出環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑制備時的黏度值以及完全固化后的力學性能要求，但沒有給出緩黏結(jié)劑標準張拉適用期以及固化過程中的物理評價指標，這給工程質(zhì)量控制以及工程驗收帶來了不便。作者參閱國內(nèi)外相關(guān)資料、考察緩黏結(jié)劑在固化過程中的物理變化，結(jié)合我國緩黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，建立緩黏結(jié)劑在張拉適用期和固化過程中的黏度和邵氏硬度雙評價指標。

圖2表示的是標準張拉適用期180d、完全固化時間720d的溫度敏感型緩黏結(jié)劑硬化進程。圖中橫坐標為緩黏結(jié)劑從制備完成后所經(jīng)歷的時間，單位為天；縱坐標分別為評價標準張拉適用期的稠度和評價緩黏結(jié)劑固化程度的邵氏硬度。左側(cè)表示的稠度指標，其值越大表明緩黏結(jié)劑流動性越好，張拉預應力鋼筋時摩擦引起的預應力損失就越小。右側(cè)表示的邵氏硬度指標，隨著時間增長邵氏硬度增加，硬度值越大，緩黏結(jié)材料的力學性能越好。

圖2 溫度敏感型緩黏結(jié)劑硬化過程中的物性雙評價指標

由圖2可知，在標準張拉適用期內(nèi)，緩黏結(jié)劑為可流動的液態(tài)，隨著時間增長流動性逐漸變差，最后凝固。研究表明，隨著時間的增加，稠度逐漸降低，當緩黏結(jié)劑的稠度等于300Pa·s時，張拉預應力鋼筋因摩擦所引起的預應力損失與張拉無粘結(jié)預應力鋼筋相當，為此稠度300Pa·s為界限值，當大于300Pa·s時適合張拉緩粘結(jié)預應力鋼筋，而小于300Pa·s時因由摩擦造成的損失較大，故可認為錯過了張拉時機。另外在工程應用中我們發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑的稠度受溫度影響較大，當外界的溫度高于25℃時，會加速緩黏結(jié)劑的稠度降低，縮短張拉適用期；當外界的溫度低于10℃時，會延緩緩黏結(jié)劑的稠度降低，延長張拉適用期，進而影響緩黏結(jié)劑的固化時間。因此在工程中，應嚴格檢測張拉施工時緩黏結(jié)劑的稠度，做好現(xiàn)場檢測記錄，作為工程質(zhì)量驗收的重要指標。

張拉結(jié)束后，緩黏結(jié)劑在預應力混凝土結(jié)構(gòu)中處于密封狀態(tài)，隨時間逐漸由流動的液體變成堅硬的固體。從環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑逐漸硬化時物理性質(zhì)變化的角度出發(fā)，采用邵氏硬度來描述和評價緩黏結(jié)劑的固化程度。在以往的研究中表明，當邵氏硬度D達到20時緩黏結(jié)劑具有一定的強度，當邵氏硬度D達到80時，緩黏結(jié)劑變成堅硬的固體，其力學性能到達技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的要求。

圖3表示的是我們在建筑工程應用該技術(shù)時，采用邵氏硬度計測得環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑在不同固化階段的邵氏硬度值以及硬化狀態(tài)。圖3(a)和圖3(b)是在實驗室升溫加速固化緩黏結(jié)劑時測得的試驗結(jié)果。圖3(c)和圖3(d)是模擬某實際工程緩黏結(jié)預應力筋張拉后，緩黏結(jié)劑處于密封狀態(tài)，在實驗室采用同等條件下常溫密封處理后在工程驗收前6個月及工程驗收時測得的結(jié)果。當緩黏結(jié)劑的邵氏硬度達到十幾時，材料由液體變成了可塑的黃色固體，當邵氏硬度達到47.5時，緩黏結(jié)劑的顏色變淡，硬度增加。常溫密封后的環(huán)氧樹脂緩黏結(jié)劑邵氏硬度達到61時，呈現(xiàn)黑色的固體，整體上質(zhì)感堅硬但表面較軟且有刻痕線條。當邵氏硬度達到80時，刻痕線條變淺，表面和整體質(zhì)感堅硬。

圖3 緩黏結(jié)劑不同狀態(tài)下的邵氏硬度值

硬化過程中，工程上主要考慮緩黏結(jié)劑與預應力鋼絞線之間粘結(jié)強度的變化。依據(jù)相關(guān)試驗研究成果[8]得常溫型緩黏結(jié)劑黏結(jié)強度與邵氏硬度之間的關(guān)系如圖4所示。曲線分為兩階段，第一階段：緩黏結(jié)劑隨邵氏硬度的增大，黏結(jié)強度呈曲線增長，當硬度為20D時黏結(jié)強度達到2MPa，該黏結(jié)強度相當于普通圓形鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度值。第二階段：緩黏結(jié)劑隨邵氏硬度的增大黏結(jié)強度線性增長，當硬度達到80D時，粘結(jié)強度達到4MPa，該黏結(jié)強度相當于螺紋鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度。這兩個階段黏結(jié)強度與邵氏硬度之間的關(guān)系可由如下公式表達：

(1)第一階段：

τ=a·Db(0

(1)

其中：τ為黏結(jié)強度(MPa)；D為邵氏硬度；a和b為系數(shù)，分別為a=0.1828，b=0.79912

(2)第二階段：

τ=e·D+f (20

(2)

其中：e和f為系數(shù)，分別為e=1/30，f=4/3。

圖4 常溫型緩黏結(jié)劑黏結(jié)強度-邵氏硬度之間的關(guān)系曲線

2 緩黏結(jié)劑完全固化所需要時間的預測

緩黏結(jié)劑的硬度、黏結(jié)強度隨固化時間及溫度的增加而增加，在相同時間內(nèi)環(huán)境溫度越高緩黏結(jié)劑的固化速度越快，黏結(jié)強度增加得也越快?；谝酝芯靠芍?，緩粘結(jié)劑固化硬度與環(huán)境溫度及時間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通過線性回歸分析的方法構(gòu)建的完全硬化所需要的時間-黏結(jié)強度-溫度之間的關(guān)系如下：

N=τe(-αT+β)

(3)

其中，N為邵氏硬度達到80所需要的時間(d)；α為溫度影響系數(shù)；β為硬化系數(shù)；τ為緩黏結(jié)劑完全固化時的黏結(jié)強度(4MPa)；T為緩粘結(jié)劑所處的環(huán)境溫度(℃)。緩黏結(jié)劑α和β取值與材料類型有關(guān)，參考日本緩粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)設(shè)計施工技術(shù)指南，四種類型緩黏結(jié)劑α、β值如表1所示。

表1 25℃恒溫環(huán)境各種類型緩粘結(jié)劑

當環(huán)境溫度隨季節(jié)變化時，在式(3)的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計學方法考慮溫度影響，給出溫度變化情況下緩黏結(jié)劑的黏結(jié)強度及所需時間預測，公式如下：

∑(yi/e(-αTi+β))≥τ

(4)

其中：Yi為在某一個溫度Ti下暴露的時間，單位為天；Ti為外界溫度(℃)。

3 我國各城市應用緩黏結(jié)預應力技術(shù)緩黏結(jié)劑完全固化所需時間預測

為了緩黏結(jié)預應力技術(shù)在不同地區(qū)應用時便于工程驗收，本節(jié)以哈爾濱、長春、沈陽、北京以及上海五個城市為例，采用邵氏硬度預測分析緩黏結(jié)劑完全固化所需要的時間以及各時期固化狀態(tài)。

表2為五個城市在1971～2010年期間統(tǒng)計得到的月平均溫度結(jié)果。

根據(jù)式(4)預測的各城市所應用緩黏結(jié)劑完全固化所需時間如表3所示。在嚴寒的北方緩黏結(jié)劑的固化時間較長，在熱帶亞熱帶地區(qū)緩黏結(jié)劑的固化時間較短，由此可知溫度對緩黏結(jié)劑完全固化時間影響較大。

4 不同季節(jié)張拉緩黏結(jié)預應力鋼筋各固化期時緩黏結(jié)劑固化狀況及黏結(jié)強度預測

在不同季節(jié)進行緩粘結(jié)預應力鋼筋的張拉，緩粘結(jié)劑經(jīng)過半年、1年、2年、3年后的固化狀況及黏結(jié)強度的預測如表4所示，表中括號內(nèi)的數(shù)值表示邵氏硬度。當張拉施工季節(jié)分別選在春夏兩季時，半年后緩黏結(jié)劑的固化程度好于在秋冬季施工，第1年的緩黏結(jié)劑的黏結(jié)強度或邵氏硬度值較小，第2年黏結(jié)強度或邵氏硬度值增長的較快，到第3年，在不同城市應用該技術(shù)，緩黏結(jié)劑均達到完全固化，粘結(jié)強度達到4MPa。

表2 各大城市40年統(tǒng)計的月平均溫度(溫度單位：℃)(根據(jù)1971～2010年資料統(tǒng)計)

表3 各城市有效粘結(jié)強度及達到完全固化時間(d)

表4 張拉時機不同，半年、1年、2年、3年后的黏結(jié)強度τ/MPa(硬度D)

5 結(jié)論

(1)建立了緩黏結(jié)預應力技術(shù)在張拉期及固化期的評價指標來控制施工質(zhì)量及工程驗收。在張拉期間采用稠度來控制張拉期，稠度小于300Pa·s時不宜進行緩黏結(jié)預應力鋼筋的張拉。固化期間以邵氏硬度描述緩粘結(jié)劑的物理性質(zhì)，既能評價緩黏結(jié)劑在固化過程中的硬化性質(zhì)，又能反映緩黏結(jié)劑固化后的力學性能。

(2)給出了緩黏結(jié)劑的固化時間—黏結(jié)強度—溫度的關(guān)系，通過分析可知，在嚴寒地區(qū)應用該技術(shù)緩黏結(jié)劑的固化時間較長，在熱帶亞熱帶地區(qū)應用時緩黏結(jié)劑的固化時間較短。同時張拉施工時的季節(jié)不同，也會影響緩黏結(jié)劑初期的固化進程。