王揮云
(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司 北京市 110106)
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(yù)應(yīng)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(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)氧樹脂緩黏結(jié)劑組成。環(huán)氧樹脂緩黏結(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
在過去的20多年,學(xué)者對緩黏結(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(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間經(jīng)驗公式,并結(jié)合我國各大城市全年氣溫變化預(yù)測緩黏結(jié)劑完全固化所需要時間,為在不同地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)在控制工程質(zhì)量及工程驗收方面提供參考。
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間,在工程中應(yīng)用較少。由高分子環(huán)氧樹脂構(gòu)成的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)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(jī)。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(yīng),工程竣工時緩黏結(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)用越來越廣泛。
目前我國的規(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(xué)性能要求,但沒有給出緩黏結(jié)劑標(biāo)準(zhǔn)張拉適用期以及固化過程中的物理評價指標(biāo),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(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程中的黏度和邵氏硬度雙評價指標(biāo)。
圖2表示的是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)程。圖中橫坐標(biāo)為緩黏結(jié)劑從制備完成后所經(jīng)歷的時間,單位為天;縱坐標(biāo)分別為評價標(biāo)準(zhǔn)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(biāo),其值越大表明緩黏結(jié)劑流動性越好,張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失就越小。右側(cè)表示的邵氏硬度指標(biāo),隨著時間增長邵氏硬度增加,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)劑硬化過程中的物性雙評價指標(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(dāng)緩黏結(jié)劑的稠度等于300Pa·s時,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時適合張拉緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋,而小于300Pa·s時因由摩擦造成的損失較大,故可認(rèn)為錯過了張拉時機(jī)。另外在工程應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)而影響緩黏結(jié)劑的固化時間。因此在工程中,應(yīng)嚴(yán)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(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(dāng)邵氏硬度D達(dá)到20時緩黏結(jié)劑具有一定的強(qiáng)度,當(dāng)邵氏硬度D達(dá)到80時,緩黏結(jié)劑變成堅硬的固體,其力學(xué)性能到達(dá)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的要求。
圖3表示的是我們在建筑工程應(yīng)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(yù)應(yīng)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(dāng)緩黏結(jié)劑的邵氏硬度達(dá)到十幾時,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,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(dá)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(dāng)邵氏硬度達(dá)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(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,當(dāng)硬度為20D時黏結(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,當(dāng)硬度達(dá)到80D時,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 緩黏結(jié)劑的硬度、黏結(jié)強(qiáng)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(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(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(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,在式(3)的基礎(chǔ)上,利用統(tǒng)計學(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)度及所需時間預(yù)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(℃)。 為了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在不同地區(qū)應(yīng)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(yù)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(yù)測的各城市所應(yīng)用緩黏結(jié)劑完全固化所需時間如表3所示。在嚴(yán)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。 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)測如表4所示,表中括號內(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,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(qiáng)度及達(dá)到完全固化時間(d) 表4 張拉時機(jī)不同,半年、1年、2年、3年后的黏結(jié)強(qiáng)度τ/MPa(硬度D) (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價指標(biāo)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(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(xué)性能。 (2)給出了緩黏結(jié)劑的固化時間—黏結(jié)強(qiáng)度—溫度的關(guān)系,通過分析可知,在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)緩黏結(jié)劑的固化時間較長,在熱帶亞熱帶地區(qū)應(yīng)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(jìn)程。2 緩黏結(jié)劑完全固化所需要時間的預(yù)測
3 我國各城市應(yīng)用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)緩黏結(jié)劑完全固化所需時間預(yù)測
4 不同季節(jié)張拉緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋各固化期時緩黏結(jié)劑固化狀況及黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測
5 結(jié)論