谈预应力钢丝和钢绞线的防腐镀（涂）层
摘要:预应力钢绞线在高压力状态下服役,应力腐蚀将直接影响其使用寿命从而影响建筑工程的寿命。叙述了预应力钢绞线及其防腐种类,通过各种防腐镀(涂)层的概要分析认为:从建筑工程的安全角度出发,目前国内应用光面钢绞线,无粘结钢绞线,镀锌钢绞线必须由制造厂、设计、施工等多方面严加控制。才能确保工程质量万无一失。
关键词: 预应力钢绞线 防腐
金属腐蚀给国民经济带来的损失是相当惊人的,据统计,每年世界上由于腐蚀而报废的金属材料相当于年产量的1/3.更重要的是金属腐蚀而造成构件破坏的价值和影响,远比金属本身价值大得多。预应力钢材是在应力和腐蚀复合作用下的应力腐蚀(属电化腐蚀范畴),其特点是在金属内部先形成裂纹,内裂纹发生后便形成应力集中,加速裂纹的发展。因此预应力钢丝和钢绞线用钢的防腐是至关工程质量寿命的重大问题,影响应力腐蚀的因素主要由内外两种组成,诸如金属的成分和状态,载荷的性质和大小,金属应力的周围条件和介质的物化特性等。从钢材的内部条件上,要求该类钢材必须经过炉外精炼,已纳入YB/T146-1998的标准条款,并在疏、磷、铜杂质含量上加以严格控制,在盘条的表面缺陷上也加以严格控制。本文仅从金属伪外界防腐条件加以分析,并要求确实可行的防腐措施,以减少预应力钢材因腐蚀造成先期失效而带来的巨大损失。
一、预应力钢材的防腐镀(涂)层钢材总是在腐蚀介质的条件下服役,因此隔离(或减缓)钢基的介质腐蚀是钢材生产厂的义不容辞的职责。按保护层的种类,可分为非金属保护层(称为涂层),化学保护层和金属保护层(称为镀层)三类。
1.非金属保护涂层预应力钢材的非金属涂层主要有塑料,环氧树脂和防腐油脂三种,由于其工艺装备比较简单,投资低,易于上马。但非金属涂层的抗老化问题尚未解决,且其力学性能较金属镀层低得多。因此,应用范围受到限制。
2.化学保护层通过化学法,在金属表面形成保护层,如锌层的钝化、铝层的氧化。铁基的磷化等。该类保护层往往不是作为单一的钢材保护层,而是与金属镀层兼并使用。
3.金属保护镀层在电化腐蚀中,处于阳极的金属首先被溶解,为此在钢丝表面镀以较铁活泼的金属,如锌、铝等。在腐蚀介质的环境中,使锌首先被溶解而保护铁基,称为阳极镀层保护。阴极保护(如镀锡)在预应力钢材极少应用。由于镀锌(或锌-铝合金)在金属防腐中具有良好的结果和成熟的工艺装备。因此也被预应力钢材广泛使用。鉴于预应力构件的"氢脆"争议,曾一度推广受阻,直到1992年12月,国际预应力联合会专业委员会(E.I.P)报告[1],才作定论,继而法国于1993年12月颁布了国际上第一个产品标准,预应力热镀锌圆钢丝和钢绞线(NFA35-035)确定以热镀锌作为唯一的镀层方法,我国相继于1997年颁布了桥梁缆索用热镀锌钢丝标准(GB/T17101-1997)。使我国预应力钢材防腐技术进入国际先进水平行列。
二、预应力钢绞线的防腐镇(涂)层及初步分析预应力钢绞线由单根钢丝捻制而成,镀层钢绞线是由镀层钢丝捻制而成。因此对于单根钢丝的防腐镀(涂)层不另作分析。仅对钢绞线分析后可覆盖钢丝的范围。
1.光面钢绞线的防腐分析光面钢绞线作为最早推广的预应力建筑钢材,已在国际上得到广泛应用。我国在近十年内才得到迅速发展。与传统的钢筋混凝土一样,是把应力从混凝土结构转移到钢结构上来,以至钢也被认为是混凝土的一个组成部分。而钢与混凝土的结合就是通过钢材表面握裹足够数量的混凝土来获得的,简单地增加钢承载的横断面,并不会使承载握裹面积相应增加。而预应力混凝土是充分利用混凝土抗压性能是抗拉性能十倍的优点,把其抗拉载荷转移到抗压载荷上来的一种优良设计方法,因而其应用迅速发展。
预应力钢筋中预应力产生有先张法和后张法两种,用先张法的钢绞线,被直接埋置在混凝土中,因握裹在无腐蚀元素的环境中,并且具有有效覆盖保护层,就不大可能出现有关腐蚀问题。但基本条件是保持原始碱度不变(或pH值不小于9)。这就要求在钢筋附近的孔隙空间不超过14%及混凝土具有合适的覆盖保护层。该资料还指出了混凝土中的氯化物会弓愧钢的氢脆,目前美国氯离子的含量限
后张法的预应力钢绞线现通常有两种方法:一是把钢筋插入一个预制管中,进行预应力张拉,接着再将保护性材料(一般用砂浆)填充孔道和密封锚固端。二是采用无粘结钢绞线(后作分析),就预制管中插入钢绞线的后张法而言,其腐蚀事故通常与在有腐蚀介质环境中施工有关。环境和轻型填料中的硫化物,填充砂浆中的氯化物、填充砂浆孔隙空间过大,锚固端密封不实,都是造成腐蚀损坏的隐患。所有这些,已引起国内学者的足够重视。呼吁要加强预应力技术行业的管理,规范预应力工程市场,制定出行之有效的预应力工程施工和设备材料生产的行业规章制度,以及资质批准的规定,以确保工程质量,防止重大事故的发生[3].就当前光面钢绞线直径偏面减小的误导倾向,提出我们的看法,供各方工程建设人员深思。对制造厂来讲,随着原料结构的改善,负偏差生产已不是制造厂的技术水平问题。即使1860MPa的φ15.24mm钢绞线,减少到φ15.lmm,其米重仅减少1.8%,但对工程质量的隐患是无可估量的,因为高强度钢绞线是在高应力腐蚀的条件下服役,加大预应力钢材的断面是工程安全措施之一,美国ASTMA416-94a规定,强度级别从1720MPa提高到1860Mpa
2.无粘结钢绞线的防腐分析无粘结钢绞线作为后张法预应力钢筋使用,是国际上较新应用的技术。它是在浇注混凝土前预先安装在张拉位置的无粘结钢筋束。养护后再作预应力张拉,使混凝土造成预先的压应力,因钢绞线与混凝土之间被润滑脂与塑料所隔离,通过钢绞线与混凝土直接粘结的塑料护套相对位移,实现张拉的操作,润滑脂为这种位移提供方便,使钢绞线与混凝土元粘结而命名。由于张拉的锚固端必须清除塑料与润滑脂,其暴露端也就成了腐蚀的重大突破口。
据1982年调查报告,美国每年使用20万吨预应力钢材而言,40%的事故发生在采用后张法暴露在用盐消除冰冻而造成的高浓度氯化物环境的结构上。环境中硫化物会引起钢筋韧性降低。造成无粘结钢绞线腐蚀的主要原因是混凝土用来封闭锚具和修补破损面专用灰浆中存有氯化钙。于是提出四条保护措施:无粘结加工前防止钢绞线腐蚀,选用良好的防潮润滑脂、选用高密度聚乙稀(或聚丙稀),钢束出入口有必要开槽的地方,应用砂浆填满,接着用树脂粘合剂涂覆密封,砂浆中不能有氯化物,硫化物或其他有害物质。作者对几百根受腐蚀钢绞线分析表明,几乎所有的腐蚀都是由于锚固端密封不当,氯化物和硫化物环境或塑料封口损坏所致[2]我国无粘结钢绞线的应用时间较晚,建设部JG3006-93,JG3007-93对无粘结钢筋和油脂都作了具体规定,基本能满足国际上对该类产品的防腐要求。但在实施过程中,就FIP提出的四条措施中,三条与制造厂有关(一条与施工方有关)的条件加以分析,还存在不少差距。
(1)钢绞线的防腐措施重视不够。
现钢绞线生产厂,对光面钢绞线缺少防腐措施,一般都按先张法或预留通道的后张法生产(美标也无特殊要求),在与水泥直接接触时,轻微锈蚀对工程质量影响不大。但对无粘结的防锈特殊要求认识不足,甚至不少小企业以外购钢绞线进行无粘结加工制造,原始光面钢绞线的锈蚀不加关注,只要加工完以后(外面已无法检测)作无粘结钢绞线成品供货。
(2)对防腐润滑脂管理不严该专用润滑脂作为防腐的重要原料,必须纳入建设部宏观管理的范畴,要建立许可证管理制度。现该油脂的生产厂和使用厂,对其出厂检验和复验的管理没有严格按JG3007进行,大的使用企业复验时外委送检。油脂制造厂是否按标准"每釜作出厂检验",其数据可靠性和质量控制是否严密,有待调研。我公司曾在油脂桶中发现大量积水和未调和的块状物质及其他杂质,因此,必须把油脂纳入原料质量管理的重要合格分承包方来对待,否则后患无穷。
对油脂涂覆到中心丝的问题,曾有建筑专家提出该项要求,我们认为,这种要求从防腐的角度是合理的,可减少钢丝间隙中水分渗入的可能,但从力学性能角度,一旦中心丝与边缘丝被润滑脂填充,带来的是后张过程中,中心丝与边缘丝张力不均,将会影响应力的均匀性和松驰性能,尚须综合考虑,必须以标准立法加以实施。
(3)重视塑料护套的选用和保护塑料护套用料,必须用高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯、切忌用含氯的聚氯乙烯。其色母料也必须用中性的添加剂。以保护它具有较高的化学稳定性。鉴于塑料护套容易破损,因此必须要在运输、仓储使用中加以保护,塑料护套不是"遮羞布",是无粘结钢筋防腐的重要手段,有的加工单位用含氯的再生塑料,后患无穷。
3.镀锌钢绞线的防腐分析镀锌作为钢材的优良防腐镀层,已被国际所公认,由于在预应力构件中"氢脆"的争议,直到1992年才被统一,把热镀锌作为预应力钢材唯一的镀锌方法,并纳入标准条款之中,排除了电镀锌的应用。在施工和应用现场,由于锌-铁和刚搅拌好的砂浆易起反应,对氢脆较为敏感的预应力钢材容易出现断裂,因此,必须避免镀锌钢绞线与水泥砂浆直接接触,便可降低断裂的危险。
锌-铝合金,是国际