王揮云

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司 北京市 110106)

0 引言

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是近二十年在我國(guó)土木建筑工程中發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它克服了無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能差的缺點(diǎn)，同時(shí)也改善了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工藝復(fù)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(yù)應(yīng)力鋼筋由圖1所示的預(yù)應(yīng)力鋼絞線、帶有刻痕的高密度聚乙烯套管和環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑組成。環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑在緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋制備到預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉前，處于可流動(dòng)的液體，便于預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。張拉完成后，緩黏結(jié)劑經(jīng)過(guò)一、兩年的硬化反應(yīng)變成具有一定黏結(jié)強(qiáng)度的固體物質(zhì)，使得緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)性能，適用于有抗震要求的地區(qū)[2]。

圖1 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋各部分組成

在過(guò)去的20多年，學(xué)者對(duì)緩黏結(jié)劑的制備、緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的加工、張拉施工過(guò)程中應(yīng)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(xué)性能等進(jìn)行了一系列的研究[3-6]，為該技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了科學(xué)理論基礎(chǔ)。但是在工程應(yīng)用中，由于緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)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(guò)程中緩黏結(jié)劑究竟處于何種狀態(tài)，用什么指標(biāo)反映其力學(xué)性質(zhì)，以及在外界溫度變化的情況下如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)緩黏結(jié)劑完全固化時(shí)間等問(wèn)題困擾著該技術(shù)的工程質(zhì)量控制及驗(yàn)收。

為此，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，采用邵氏硬度來(lái)描述緩粘結(jié)劑在固化過(guò)程中的物理性質(zhì)及與預(yù)應(yīng)力鋼絞線之間的黏結(jié)強(qiáng)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(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合我國(guó)各大城市全年氣溫變化預(yù)測(cè)緩黏結(jié)劑完全固化所需要時(shí)間，為在不同地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)在控制工程質(zhì)量及工程驗(yàn)收方面提供參考。

1 緩黏結(jié)劑固化性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)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(shù)脂。由超緩凝砂漿構(gòu)成的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋由于較難控制張拉時(shí)間，在工程中應(yīng)用較少。由高分子環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋可以使得張拉時(shí)間延遲3到6個(gè)月甚至更長(zhǎng)，便于控制張拉時(shí)機(jī)。張拉結(jié)束后環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑經(jīng)過(guò)一兩年硬化反應(yīng)，工程竣工時(shí)緩黏結(jié)劑的力學(xué)性能能夠達(dá)到工程要求，因此環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

目前我國(guó)的規(guī)程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從工程應(yīng)用角度出發(fā)，將環(huán)氧樹(shù)脂類緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋從材料制備到工程應(yīng)用根據(jù)時(shí)間劃分為兩個(gè)時(shí)期，第一時(shí)期為張拉適用期，第二時(shí)期為固化期[7]。規(guī)程雖然給出環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑制備時(shí)的黏度值以及完全固化后的力學(xué)性能要求，但沒(méi)有給出緩黏結(jié)劑標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期以及固化過(guò)程中的物理評(píng)價(jià)指標(biāo)，這給工程質(zhì)量控制以及工程驗(yàn)收帶來(lái)了不便。作者參閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料、考察緩黏結(jié)劑在固化過(guò)程中的物理變化，結(jié)合我國(guó)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)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(guò)程中的黏度和邵氏硬度雙評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2表示的是標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期180d、完全固化時(shí)間720d的溫度敏感型緩黏結(jié)劑硬化進(jìn)程。圖中橫坐標(biāo)為緩黏結(jié)劑從制備完成后所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為天；縱坐標(biāo)分別為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期的稠度和評(píng)價(jià)緩黏結(jié)劑固化程度的邵氏硬度。左側(cè)表示的稠度指標(biāo)，其值越大表明緩黏結(jié)劑流動(dòng)性越好，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失就越小。右側(cè)表示的邵氏硬度指標(biāo)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)邵氏硬度增加，硬度值越大，緩黏結(jié)材料的力學(xué)性能越好。

圖2 溫度敏感型緩黏結(jié)劑硬化過(guò)程中的物性雙評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖2可知，在標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期內(nèi)，緩黏結(jié)劑為可流動(dòng)的液態(tài)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)流動(dòng)性逐漸變差，最后凝固。研究表明，隨著時(shí)間的增加，稠度逐漸降低，當(dāng)緩黏結(jié)劑的稠度等于300Pa·s時(shí)，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋因摩擦所引起的預(yù)應(yīng)力損失與張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋相當(dāng)，為此稠度300Pa·s為界限值，當(dāng)大于300Pa·s時(shí)適合張拉緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，而小于300Pa·s時(shí)因由摩擦造成的損失較大，故可認(rèn)為錯(cuò)過(guò)了張拉時(shí)機(jī)。另外在工程應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑的稠度受溫度影響較大，當(dāng)外界的溫度高于25℃時(shí)，會(huì)加速緩黏結(jié)劑的稠度降低，縮短張拉適用期；當(dāng)外界的溫度低于10℃時(shí)，會(huì)延緩緩黏結(jié)劑的稠度降低，延長(zhǎng)張拉適用期，進(jìn)而影響緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間。因此在工程中，應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)張拉施工時(shí)緩黏結(jié)劑的稠度，做好現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄，作為工程質(zhì)量驗(yàn)收的重要指標(biāo)。

張拉結(jié)束后，緩黏結(jié)劑在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中處于密封狀態(tài)，隨時(shí)間逐漸由流動(dòng)的液體變成堅(jiān)硬的固體。從環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑逐漸硬化時(shí)物理性質(zhì)變化的角度出發(fā)，采用邵氏硬度來(lái)描述和評(píng)價(jià)緩黏結(jié)劑的固化程度。在以往的研究中表明，當(dāng)邵氏硬度D達(dá)到20時(shí)緩黏結(jié)劑具有一定的強(qiáng)度，當(dāng)邵氏硬度D達(dá)到80時(shí)，緩黏結(jié)劑變成堅(jiān)硬的固體，其力學(xué)性能到達(dá)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的要求。

圖3表示的是我們?cè)诮ㄖこ虘?yīng)用該技術(shù)時(shí)，采用邵氏硬度計(jì)測(cè)得環(huán)氧樹(shù)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(shí)驗(yàn)室升溫加速固化緩黏結(jié)劑時(shí)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果。圖3(c)和圖3(d)是模擬某實(shí)際工程緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉后，緩黏結(jié)劑處于密封狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室采用同等條件下常溫密封處理后在工程驗(yàn)收前6個(gè)月及工程驗(yàn)收時(shí)測(cè)得的結(jié)果。當(dāng)緩黏結(jié)劑的邵氏硬度達(dá)到十幾時(shí)，材料由液體變成了可塑的黃色固體，當(dāng)邵氏硬度達(dá)到47.5時(shí)，緩黏結(jié)劑的顏色變淡，硬度增加。常溫密封后的環(huán)氧樹(shù)脂緩黏結(jié)劑邵氏硬度達(dá)到61時(shí)，呈現(xiàn)黑色的固體，整體上質(zhì)感堅(jiān)硬但表面較軟且有刻痕線條。當(dāng)邵氏硬度達(dá)到80時(shí)，刻痕線條變淺，表面和整體質(zhì)感堅(jiān)硬。

圖3 緩黏結(jié)劑不同狀態(tài)下的邵氏硬度值

硬化過(guò)程中，工程上主要考慮緩黏結(jié)劑與預(yù)應(yīng)力鋼絞線之間粘結(jié)強(qiáng)度的變化。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究成果[8]得常溫型緩黏結(jié)劑黏結(jié)強(qiáng)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(qiáng)度呈曲線增長(zhǎng)，當(dāng)硬度為20D時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到2MPa，該黏結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)于普通圓形鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度值。第二階段：緩黏結(jié)劑隨邵氏硬度的增大黏結(jié)強(qiáng)度線性增長(zhǎng)，當(dāng)硬度達(dá)到80D時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到4MPa，該黏結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)于螺紋鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。這兩個(gè)階段黏結(jié)強(qiáng)度與邵氏硬度之間的關(guān)系可由如下公式表達(dá)：

(1)第一階段：

τ=a·Db(0

(1)

其中：τ為黏結(jié)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)間的預(yù)測(cè)

緩黏結(jié)劑的硬度、黏結(jié)強(qiáng)度隨固化時(shí)間及溫度的增加而增加，在相同時(shí)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(qiáng)度增加得也越快。基于以往研究可知，緩粘結(jié)劑固化硬度與環(huán)境溫度及時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通過(guò)線性回歸分析的方法構(gòu)建的完全硬化所需要的時(shí)間-黏結(jié)強(qiáng)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(dá)到80所需要的時(shí)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(shí)的黏結(jié)強(qiáng)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(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dāng)環(huán)境溫度隨季節(jié)變化時(shí)，在式(3)的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)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(qiáng)度及所需時(shí)間預(yù)測(cè)，公式如下：

∑(yi/e(-αTi+β))≥τ

(4)

其中：Yi為在某一個(gè)溫度Ti下暴露的時(shí)間，單位為天；Ti為外界溫度(℃)。

3 我國(guó)各城市應(yīng)用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)緩黏結(jié)劑完全固化所需時(shí)間預(yù)測(cè)

為了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在不同地區(qū)應(yīng)用時(shí)便于工程驗(yàn)收，本節(jié)以哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)、北京以及上海五個(gè)城市為例，采用邵氏硬度預(yù)測(cè)分析緩黏結(jié)劑完全固化所需要的時(shí)間以及各時(shí)期固化狀態(tài)。

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

根據(jù)式(4)預(yù)測(cè)的各城市所應(yīng)用緩黏結(jié)劑完全固化所需時(shí)間如表3所示。在嚴(yán)寒的北方緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間較長(zhǎng)，在熱帶亞熱帶地區(qū)緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間較短，由此可知溫度對(duì)緩黏結(jié)劑完全固化時(shí)間影響較大。

4 不同季節(jié)張拉緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋各固化期時(shí)緩黏結(jié)劑固化狀況及黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)

在不同季節(jié)進(jìn)行緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉，緩粘結(jié)劑經(jīng)過(guò)半年、1年、2年、3年后的固化狀況及黏結(jié)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)如表4所示，表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示邵氏硬度。當(dāng)張拉施工季節(jié)分別選在春夏兩季時(shí)，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(qiáng)度或邵氏硬度值較小，第2年黏結(jié)強(qiáng)度或邵氏硬度值增長(zhǎng)的較快，到第3年，在不同城市應(yīng)用該技術(shù)，緩黏結(jié)劑均達(dá)到完全固化，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到4MPa。

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

表3 各城市有效粘結(jié)強(qiáng)度及達(dá)到完全固化時(shí)間(d)

表4 張拉時(shí)機(jī)不同，半年、1年、2年、3年后的黏結(jié)強(qiáng)度τ/MPa(硬度D)

5 結(jié)論

(1)建立了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在張拉期及固化期的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)控制施工質(zhì)量及工程驗(yàn)收。在張拉期間采用稠度來(lái)控制張拉期，稠度小于300Pa·s時(shí)不宜進(jìn)行緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)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(píng)價(jià)緩黏結(jié)劑在固化過(guò)程中的硬化性質(zhì)，又能反映緩黏結(jié)劑固化后的力學(xué)性能。

(2)給出了緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間—黏結(jié)強(qiáng)度—溫度的關(guān)系，通過(guò)分析可知，在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間較長(zhǎng)，在熱帶亞熱帶地區(qū)應(yīng)用時(shí)緩黏結(jié)劑的固化時(shí)間較短。同時(shí)張拉施工時(shí)的季節(jié)不同，也會(huì)影響緩黏結(jié)劑初期的固化進(jìn)程。