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预应力钢筋锈蚀机理和构件裂缝宽度限值

日期:2017-4-24作者:佚名编辑:wangli点击次数:253
销售价格:免费论文论文编号:lw201011031402475721论文字数:2768 
论文属性:职称论文论文地区:中国论文语种:中文 

[摘要]美、英等国早在20世纪60年代就开始了大气和腐蚀环境下预应力钢筋的耐久性研究,我国的相关研究与国外基本同步,本院在20世纪70年代就开始了冷拔低碳钢丝耐久性问题的研究工作,进行了大气与腐蚀环境条件下预应力钢筋的长期性能观测试验,提出了预应力钢筋锈蚀机理和构件裂缝宽度限值。

1 关于预应力钢筋耐久性问题对于预应力混凝土中钢筋的适用性或耐久性评价,不能只靠其力学性能。除了对强度和延伸率指标作出应有的要求外,还要掌握预应力钢筋本身的其他特性,诸如耐腐蚀性、表面敏感性、疲劳应力等。就钢筋品种而言,普通热轧钢筋在敏感性试验中,对于表面损伤,弯曲、疲劳的敏感度反应较低,而冷拔低碳钢丝,冷轧带肋钢丝,冷拔螺旋肋钢丝、刻痕钢丝、热处理钢筋等对试验敏感度反应较高,特别是在疲劳腐蚀环境和高低温长期交变作用下,材料的性能退化和脆性敏感作用尤为明显,对于高强度的预应力钢筋来说,伴随着锈蚀还可能发生氢脆和应力腐蚀。预应力钢筋混凝土结构无论是采用后张法还是先张法工艺,在大多数情况下,预应力钢筋均与不同形式的腐蚀相联系,这包括灌浆及混凝土中的氯化物、硫化物等化学有害物质,当锚具及套管的施工挤压变形使钢筋产生表面损伤时,则可能出现很强的局部坑蚀和大面积锈蚀,形成应力腐蚀,极大地降低钢筋断面受拉承载能力和延性,导致产生局部氢脆现象。

2 长期暴露试验与观测结果长期暴露试验是研究钢筋混凝土耐久性问题的主要方法之一。中国建研院自1974年起根据国土分布和气候特点,在贵阳、济南兰州武汉、海南等地分别设立了长期暴露试验点,试验构件统一制作分别存放于各试验点的室内与室外两种环境中。这项试验与同期国外研究相比有如下特点:①构件龄期长,距今已有近40年;②数量多,共有259个梁构件(尚不包括其它形式构件数量);③试验具有极强的地域代表性,涵盖了温热、高寒、干燥等不同环境地区。根据贵阳试验点长期观察试件的破型记录,当室内相对湿度76% ~94%环境条件下, 3年期预应力构件裂缝处冷拔丝的钢筋锈蚀机率达75%,而在室外暴露同期破型试件的锈蚀机率为100%,锈蚀造成的钢筋断面损失可达37%,较热轧粗钢筋严重。在对龄期达19年的冷拔丝长观构件的破型观测发现,b5钢丝破型腐蚀清洗后残余截面直径仅3. 5mm,断面损失达51%。锈蚀造成的断面损失以每年2. 6%的梯度增加。预应力钢丝的快速试验采用干湿循环、盐水浸泡和人工碳化三种方法,试验表明,冷拔丝的锈蚀速度较热轧粗钢筋快,试验后冷拔丝和高强钢丝的强度损失较大,约为粗钢筋的3倍。

3 预应力钢筋混凝土耐久性调查1)贵州都匀桥梁厂用高强钢丝制作的带裂缝预应力轨枕,室外存放3年,5条裂缝宽度为0.14~0.22mm,裂缝处钢丝均已锈蚀。2)贵阳某厂镀锌车间1989年建成使用, 1995年检查发现在靠近酸洗池附近的构件,尤其是屋架和预应力屋面板大量受腐蚀。经加固处理5年后再次检测发现修补后的混凝土构件仍旧腐蚀严重,处于酸洗池上方的屋架及预应力屋面板混凝土疏松脱落锈蚀钢筋断面损失达50%以上,构件已临近失效边缘。3)浙江嘉兴预应力圆孔板耐久性调查(浙江省建科院)结果表明:在一般室内环境下的圆孔板,平均使用年限9年板中钢丝发生锈蚀。相同使用年限下,室内潮湿环境的较一般室内环境严重。对于有腐蚀气体的化工印染室内环境则锈蚀十分严重,并出现因锈蚀膨胀引起混凝土保护层开裂等现象。4)塘沽芦台洞预应力电杆,因为混凝土保护层开裂,热处理钢丝长期处于碱腐蚀环境中、导致数据电杆倾倒造成事故,其使用年限仅7年。5)贵阳西南工具厂预应力混凝土屋盖,在进行屋面防水处理时发现,使用仅8年的预应力混凝土屋面板,露筋锈蚀现象严重,板面裂缝贯穿,造成雨水渗漏,需作加固处理。

4 预应力混凝土结构耐久性特点
4.1 预应力构件的截面预应力混凝土构件通常具有截面高度小、保护层薄、钢筋直径小、单根张拉控制应力较高、张拉工艺造成的应力偏差值较大等特点。尽管预应力混凝土构件设计中一般不允许出现裂缝,但实际上在制作、运输、安装时仍会有裂缝发生,特别是冷拔丝预应力圆孔板,由于混凝土保护层仅10mm,裂缝的出现破坏了混凝土的钝化膜作用,加快钢筋的电化学腐蚀过程。
4.2 晶格结构变化对钢筋锈蚀的影响金属材料在经过冷拔、冷轧等工艺处理后,其内部晶格组织发生畸变,从而改变材料性能,而加工过程造成的钢筋表层的氧化膜破坏,张拉过程造成的钢筋表面挤压损伤,尤其处于潮湿、有腐蚀介质作用以及在掺有氯化物或对钢筋有腐蚀的其它外加剂作用环境时,这就使得钢筋在应力状况下受腐蚀的速度比非应力情况下快得多。
4.3 化学侵蚀作用影响预应力构件电子环境作用影响通常受到的化学侵蚀为盐类和酸类侵蚀,硫酸盐侵蚀会使混凝土表面泛白,随后开裂和剥落,超饱和浓度的硫酸盐溶液在孔隙中结晶也会导致混凝土开裂、酸对混凝土的蜕化作用主要是与硅酸盐水泥水化产物中的氢氧化钙起作用以及与骨料的化学反应而影响混凝土性能。如果酸或盐溶液能通过裂缝或孔隙到达预应力钢丝表面,则引起钢丝的锈蚀严重削弱钢丝的承载力和延性,造成预应力松弛或锚固失效。而锈蚀引起的体积膨胀反过来造成混凝土新的开裂和剥落,给预应力构件的正常使用造成极大危害。
4.4 耐久性年限分析本院在1986年对预应力构件本地区的耐久性年限作出过调查,其结果与浙江院建科院基本相同。但由于受贵州地区酸雨潮湿环境以及施工工艺水平相对落后的影响,钢丝锈蚀程度明显较华东地区严重。按照混凝土保护层完成碳化和钢丝失去“钝化膜”作用所需的时间推算构件的耐久年限分析,在一般室内环境下,预应力混凝土圆孔板仅有67%能达到50年使用年限要求,而在室内干湿交替环境下仅15%能达到50年要求。对于处于化学腐蚀气体与高湿度环境中的预应力构件其耐久性年限仅为5~20年。针对存在的冷拔丝配筋构件耐久性普通不足的情况,应采取适当措施,并重视由于锈蚀所引起的预应力钢丝松弛带来的结构失效问题。

5 结语
1)长期观测试件破型试验发现预应力冷拔低碳钢丝(冷拔丝钢筋、冷轧带肋钢筋、高强碳素钢丝等)比在相同环境下的普通热轧钢筋锈蚀严重,其截面强度损失和断面损失率较高。2)钢筋在应力状态下的腐蚀速度要比在非应力状态下快得多,这种应力腐蚀比一般腐蚀更危险,它不同于钢筋的坑蚀和均匀锈蚀,而是以裂缝的形式出现,伴随着脆断现象发生。3)预应力混凝土构件的耐久年限受混凝土碳化速度和钝化时间影响,当在潮湿和腐蚀气体环境中,由于混凝土保护层厚度及裂缝影响,预应力混凝土圆孔板实际使用寿命远小于50年。4)预应力混凝土构件因钢筋锈蚀产生的事故断裂后果极其严重,应充分重视。当务之急是解决目前在腐蚀环境使用中的预应力构件的防护处理措施。

参考文献:
[1] BS7543: 1992建筑物及建筑构件、产品与组件的耐久性指南[S].
[2] 陈肇元.混凝土结构的耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.


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