鄒洪波 ，羅小勇，周奇峰

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 湖南工程學院 建筑工程學院，湖南 湘潭，411104)

無黏結(jié)預應力混凝土技術(shù)是建設部“八五”、“九五”及2010發(fā)展綱要科技計劃重點推廣項目之一，是我國建筑工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)方向。無黏結(jié)預應力技術(shù)屬于后張法的一種，具有無需留孔灌漿、孔道摩擦小、易形成跨度曲線、施工簡便等優(yōu)點，在國內(nèi)外已廣泛應用。然而在其不斷推廣的過程中對其耐久性的研究卻相對落后。我國在1993年就發(fā)布了JGJ/T 92—93(《無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》)為行業(yè)標準[1]，其中沒有涉及耐久性方面的問題。我國于2004年對原規(guī)程進行了修訂，修訂后的規(guī)程(JGJ 92—2004)給了一些提高無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的技術(shù)措施[2]，但沒有考慮凍融循環(huán)對無黏結(jié)預應力結(jié)構(gòu)耐久性的影響。一般認為預應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)對后張法預應力混凝土橋梁的耐久性問題不能忽視[3]。對于預應力混凝土的耐久性，現(xiàn)在的研究集中于混凝土，對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]等問題已有相關(guān)的研究。而對于預應力筋耐久性問題的研究幾乎沒有?；炷梁皖A應力筋由于溫度變化下的膨脹系數(shù)不一樣，在反復凍融循環(huán)下，必然會導致預應力筋，特別是高應力狀態(tài)下的無黏結(jié)預應力鋼絞線的應力損失。一些學者進行了大量的試驗觀測與分析，提出了總預應力筋損失近似估算值[12]。美國混凝土學會與土木工程學會(ACI-ASCE)第423委員會于1958年提出的“預應力混凝結(jié)構(gòu)設計建議”對混凝土彈性壓縮、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)進行了規(guī)定[13]。但都沒考慮凍融次數(shù)對預應力損失的影響。同時無黏結(jié)預應力鋼絞線的耐久性完全依靠保護層的保護，在凍融循環(huán)作用下保護層是否仍然有足夠的保護作用，鋼絞線是否有足夠抵抗腐蝕的能力，這些都有待研究。本實驗目的是為了了解預應力鋼絞線在凍融循環(huán)下的預應力損失和凍融循環(huán)下鋼絞線及其保護層的抗腐蝕能力。

1 凍融循環(huán)下的預應力損失實驗

1.1 實驗設計

制作 2根無黏結(jié)預應力鋼絞線混凝土試件(編號DY)。試件所用混凝土強度等級為 C40，試件尺寸(長×寬×高)為100 mm×100 mm×400 mm。采用原材料為：425號普通硅酸鹽水泥；中河沙，細度模數(shù)為2.60；碎石，最大骨料粒徑15 mm。28 d齡期下測得混凝土強度等級為C41。鋼絞線采用1×7 標準型，公稱直徑為15.2 mm。采用后張法無黏結(jié)預應力混凝土試件，在張拉端安裝測力計，用以控制初始的張拉應力及測量鋼絞線在不同的凍融循環(huán)次數(shù)的預拉力。試件如圖1所示，鋼絞線實際應力水平如表1所示。凍融循環(huán)試驗按照 GBJ 82—85(《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》)中抗凍性能試驗的快凍法進行。在規(guī)定的凍融次數(shù)后測量鋼絞線的預拉力損失值。

1.2 實驗結(jié)果及分析

圖1 DY試件Fig. 1 DY specimen

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

試件凍融過程中鋼絞線有效預拉力隨凍融次數(shù)的變化曲線見圖2。由圖2可以看到：當混凝土所受的壓應力較大時(DY1)，鋼絞線預拉力隨混凝土的凍融次數(shù)增加而降低；當混凝土所受的壓應力較小時(DY2), 鋼絞線預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。吸水率的增加會導致混凝土的體積、應變的增加，這種體積、應變的改變?nèi)绻艿筋A壓力的限制，必然反過來對施加的預應力產(chǎn)生影響。經(jīng)ASTM C671改進后形成的“受凍混凝土試件臨界膨脹試驗標準”檢驗過的大量混凝土試件也表明：混凝土試件伸長率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增加[15]。凍融循環(huán)對預應力鋼絞線預應力損失影響，可以概括為以下幾個因素：(1) 凍融循環(huán)過程中混凝土伸長率的改變必然會影響其鋼絞線的預應力改變；(2) 混凝土在凍脹作用下發(fā)生劣化，對鋼絞線的支撐作用將下降，從而導致預應力鋼絞線產(chǎn)生的應力損失；(3) 凍融對預應力鋼絞線的腐蝕有著加速作用,鋼絞線受腐蝕后其截面會減少，加在結(jié)構(gòu)上的預應力必然會受到損失；(4) 鋼絞線和混凝土由于存在熱膨脹差，在溫度變化時必然也會引起預應力損失。當壓應力較小時，壓力對混凝土的伸長約束較小，混凝土吸水產(chǎn)生的縱向伸長導致鋼絞線預應力的增加(即因素(1)超過了因素(2)～(4)的預應力損失)，鋼絞線預應力也就隨混凝土的凍融次數(shù)增加而增加；當壓應力較大時，壓力足以制約混凝土在凍融循環(huán)下的伸長，此時因素(2)～(4)的預應力損失超過了因素(1)的預應力的增長，情況則與之相反。由以上分析可知：混凝土的壓應力水平是影響無黏結(jié)預應力鋼絞線在凍融下預應力損失變化趨勢的主導因素，它有一個臨界值，超過這個臨界值，預應力隨凍融次數(shù)增加而降低，低于這個臨界值，預應力隨凍融次數(shù)增加而增加。根據(jù)實驗結(jié)果平均值，偏于安全考慮，這個臨界值暫取0.4fc。

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

1.3 凍融循環(huán)下無黏結(jié)預應力鋼絞線預應力損失模型

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

根據(jù)試驗結(jié)果回歸分析(見圖 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所對應的混凝土應力水平。因此，凍融循環(huán)下鋼絞線的預拉力損失可表示為：

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)后鋼絞線的預拉力損失；F0為鋼絞線的初始有效預拉力，用混凝土應力水平表征；fc為混凝土軸心抗壓強度。

需要指出的是：在實際工程中，無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼絞線張拉控制應力在(0.40～0.75)fptk之間，本試驗中由于實驗條件有限，試件尺寸短小，鋼絞線控制應力并未滿足此要求，但混凝土的應力水平能滿足實際工程應力水平，實驗結(jié)果仍具有指導意義。

2 凍融循環(huán)下鋼絞線及其保護層的抗腐蝕能力實驗

2.1 實驗設計

為檢驗保護層的抗腐蝕能力，設計3組(每組3段，每段長250 mm)無黏結(jié)預應力鋼絞線放置在凍融箱里進行凍融，以模擬凍融循環(huán)對鋼絞線防護層性能的影響：第 1組(編號 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凍融循環(huán)對防腐油脂性能影響；第 2組(編號 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凍融循環(huán)對防腐油脂性能影響；第3組(編號XS)無黏結(jié)預應力鋼絞線，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鋼絞線的腐蝕情況。

如表2所示，為研究多因素對無黏結(jié)預應力鋼絞線腐蝕的影響，設計2組預應力構(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，并分別將其編號為CTXP(常態(tài)下預應力構(gòu)件中的鋼絞線)和 DYXP(凍融狀態(tài)下預應力構(gòu)件中的鋼絞線)，分別檢測編號為XP，DYXP和CTXP鋼絞線的質(zhì)量, 衡量不同因素對鋼絞線的腐蝕影響程度。

2.2 實驗結(jié)果及分析

本試驗鋼絞線經(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)試件基本無腐蝕，而 XP(聚乙烯套管破損)試件與XS(無聚乙烯套管和油脂保護)試件都有輕微腐蝕，其中XS試件表面出較大的腐蝕面，見圖4。由圖4可見：只要鋼絞線能受到防腐油脂的有效保護，鋼絞線就能避免受到腐蝕(如試件 XW)，但油脂對中心絲未做涂覆，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)。對油脂涂覆到中心絲的問題，已有專家提出該項要求，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，但從力學性能角度，一旦中心絲與邊緣絲被潤滑脂填充，帶來的是后張過程中中心絲與邊緣絲張力不均，將會影響應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，按每米標準長度重量換算鋼絞線的初始重量必須知道每段的準確長度，因為切割鋼絞線兩端難以保持完全平整，以長度換算鋼絞線的初始重量也行不通?？紤]到本試驗中鋼絞線的銹蝕是微量的，計算鋼絞線腐蝕質(zhì)量損失率時采用銹蝕后的鋼絞線質(zhì)量代替凍融前鋼絞線的質(zhì)量，這樣也不會帶來計算上較大的偏差。

3組試件經(jīng)200次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率計算值見圖5。圖5反映了不同因素下鋼絞線的銹蝕情況。試樣設計及其編號見表2。若將表2中檢測到無黏結(jié)預應力鋼絞線(XP)的腐蝕情況計為因素1對鋼絞線的腐蝕影響，鋼絞線(CTXP)的腐蝕情況計為因素2對鋼絞線的腐蝕影響，鋼絞線(DYXP)的腐蝕情況計為因素3對鋼絞線的腐蝕影響。依據(jù)設置的試驗條件知：因素1反映凍融對鋼絞線腐蝕的影響，因素2反映預應力對鋼絞線腐蝕的影響, 因素 3反映凍融+預應力雙因素對鋼絞線腐蝕的影響(見表2)。

表2 試驗試件設計及其編號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、預應力、凍融＋預應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。由于試驗中常態(tài)下的鋼絞線的預應力(約0.18fptk)不大，應力腐蝕影響很小，試驗結(jié)果主要表現(xiàn)在溫度對鋼絞線的腐蝕影響上，可見低溫(或負溫)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。凍融試驗的溫度是在?17～8 ℃之間變化的，試驗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，比單獨凍融和預應力下鋼絞線腐蝕率之和還大，可見多因素下的鋼絞線腐蝕率不是各因素的簡單疊加，各因素的相互影響作用是大于單獨因素的簡單疊加的。在應力狀態(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入鋼絞線的微裂縫腐蝕鋼絞線，腐蝕沿裂縫深入，應力再促進裂縫發(fā)展，應力越大，鋼材受腐蝕的速度越快。

3 結(jié)論

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

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

(3) 在凍融和預應力共同作用下，無黏結(jié)鋼絞線的腐蝕率大于各因素單獨作用時腐蝕率的簡單疊加，這點應在無黏結(jié)鋼絞線耐久性設計時加以考慮。

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