预应力混凝土结构耐久性研究现状

陈　勇，房贞政

 （福州大学土木工程学院，福州350002）

摘要　本文对国内外预应力混凝土结构耐久性研究现状进行了分析和总结，认为有必要进行大量工作来研究预应力混凝土结构的耐久性，并建议短期借鉴混凝土结构的耐久性研究成果。

关键词预应力 混凝土结构 耐久性 研究现状

 

Keywords: prestressed   concrete structure   durability   present study

现代预应力混凝土结构与普通混凝土结构、钢结构相比，不仅其结构性能好而且经济、节材、节能，具有广阔的应用前景。近二十年来，预应力技术在我国的应用有了迅猛的发展，它已渗入到土木、建筑、水利及交通工程各个领域。预应力技术己成为建设大(大跨度、大空间结构)、高(高层、高耸结构)、重(重荷载结构)、特（特种结构，如海洋平台、核电站、储液池结构等以及在钢结构、基础工程、道路、地下建筑、结构加固等工程中的特殊应用)工程不可缺少的最为重要的一种技术。它不仅使结构性能优越，而且能发挥材料的潜能，具有较高的经济效益。

我国房屋建筑结构应用预应力技术的历史相对较短，有关预应力筋腐蚀造成整个结构破坏的例子极少，但预应力混凝土构件耐久性失效的事故时有发生，例如呼和浩特铁路局某仓库的一榀21m跨预应力混凝土梯形屋架的突然倒塌等。然而随着服役期的增长，运量的不断提高，加之设计中对耐久性考虑的不周及施工质量的缺陷，桥梁结构的耐久性问题显得更为突出^[1]。据铁道部1994年统计，我国正在运营的有病害桥梁共6137座，占总数的18.8%，其中预应力混凝土桥梁2675座。在全国各地建成、在建或拟建了一大批大型桥梁，它们的使用寿命都在100年以上，而钢筋（指普通钢筋和预应力钢筋）的腐蚀则是结构设计使用期内一个不容回避的问题。

据统计，建筑业消耗了全世界40%的能源和资源，节约能源和资源是执行可持续发展战略方针的重要内涵。预应力混凝土结构作为我国土木、水利和交通工程中应用最为广泛和最具潜力的一种结构，加强其耐久性研究，对我国推行可持续发展战略将有积极意义。

1）GB 50010-2002

《混凝土结构设计规范 GB 50010-2002》适用于房屋和一般构筑物的钢筋混凝土、预应力混凝土以及素混凝土承重结构的设计。它没有阐述裂缝对耐久性的影响。提出50年结构混凝土耐久性的基本要求：最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量和最大碱含量。100年的结构混凝土耐性要求除了对上述要求更严格外，还增加了保护层厚度、抗冻、抗渗、钢筋环氧树脂涂层等措施，对于预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。

2）ACI 318-95

　　《混凝土结构规范ACI 318-95》广泛应用于混凝土结构设计，虽用一整章（第四章）的篇幅来阐述耐久性，但没有阐述裂缝对耐久性的影响。而且通过限制混凝土中最大水灰比、最低混凝土强度和最大氯离子浓度来阻止钢筋腐蚀。

3）AASHTO LRFD

AASHTO LRFD桥梁设计规范考虑裂缝使用极限状态（第5.5.2条），5.7.3.4条中阐述了裂缝控制的具体措施，5.12部分阐述可以采用普通钢筋环氧覆盖或镀锌、预应力钢筋和后张管件阻止氯离子的腐蚀。

4）CAN3-A23.3-M84

《加拿大标准协会混凝土结构设计规范CAN3-A23.3-M84》中的裂缝控制方法与ACI318-95相同。没有明确地给出裂缝宽度限值，第10.6.4条裂缝主要通过布置普通受弯钢筋来控制。第18.9.3.3条阐述了由于部分预应力构件裂缝宽度计算的不确定性和预应力钢筋较易腐蚀，有必要对部分预应力构件限制更严格。

5）Ontario Highway Bridge Design Code-1991

OHBDC中8-11部分阐述了混凝土结构耐久性最低要求，该部分强调钢筋防腐的重要性。通过混凝土保护层和涂层来提高耐久性。不同的构件在不同的环境条件下混凝土保护层厚度要求不同。需对钢筋、锚具、体外张拉管道及其配件采用涂层来抵制含有化学物质的水侵蚀作用。

6）1990年CEB-FIP规范

1990年CEB-FIP规范的7.4部分阐述裂缝作为一种极限状态。抗裂设计应使裂缝不会影响结构功能、耐久性和外观。该标准通过分析程序或经验公式来计算极限允许裂缝宽度。

7）British Standard CP110

《英国标准协会CP110混凝土结构应用规程》阐述了裂缝作为一种极限状态。2.2.3.2条认为混凝土开裂一般不会影响结构的外观或耐久性。

8）SIA Standard 162

《瑞士工程师和建筑师协会混凝土结构标准162》阐述了裂缝作为一种极限状态。SIA标准一般采用钢筋规格和布置形式来控制裂缝宽度，但没有明确规定如何计算裂缝宽度。

9）JSCE混凝土结构施工和设计标准

JSCE刊物SP-1《1986年砼结构施工和设计标准》第1部分（设计）阐述了裂缝作为使用极限状态。7.3部分建议控制裂缝以满足混凝土结构的功能、耐久性和外观要求，并规定如何计算表面允许极限裂缝宽度。

1．模型试验

1）Poston, R.W. ^[2]

Poston通过试验研究施加预应力桥面板试件在氯侵蚀性环境中腐蚀性能，以研究了全预应力和普通钢筋混凝土桥面板的耐久性。非预应力构件和部分预应力构件加载至出现表面裂缝宽度达0.38mm，其余的预应力试件加载至使非预应力构件表面产生裂缝宽度达0.38mm时相应荷载而出现表面裂缝宽度仅0.051mm。用3.5%盐水溶液试件浸泡2天，然后干燥9天，持续17个循环或历时8个月。短期暴露试验结果表明：（1）非预应力钢筋的腐蚀在弯曲裂缝附近开始出现，范围延伸至6~10倍钢筋（裸）直径，其中环氧包裹的钢筋腐蚀的程度和速率非常小。（2）对于非预应力和预应力构件加载到产生裂缝宽度0.38mm，腐蚀的程度和速率相近，裂缝宽度达0.051mm时预应力构件中没有观察到钢筋腐蚀。（3）预应力对未开裂混凝土区的氯离子渗入影响很小。（4）混凝土保护层厚度影响。

2）Moore, D.G., Klodt, D.T., and Hansen, J. ^[3]

作为大型试验的一部分，Moore等进行了先张拉预应力梁的腐蚀试验。实验的目的在于研究：（1）钢筋和混凝土间孔隙的影响；（2）混凝土保护层的影响；（3）活荷载的影响；（4）混凝土中一定大小受拉裂缝的影响；（5）偶然超载的影响（荷载减小开裂使得裂缝闭合）。

试验梁共16根，水灰比为0.40，混凝土保护层厚度从12.7mm~50mm，采用3.5%NaCl溶液浸泡，试验持续10个月。试验结果表明：（1）开裂梁腐蚀最严重的，裂缝宽度达0.1mm时观察到锈坑腐蚀；（2）由偶然超荷引起的裂缝经10个月后愈合，在这些裂缝处未发现腐蚀发展；（3）开裂前，荷载大小对钢筋蚀影响不大；（4）未开裂构件中，保护层大于38.1mm的构件未发现腐蚀，小于19mm的构件均发现腐蚀。

3）Perenchio, W.F., Fraczek, J., and Pfiefer, D.W. ^[4]

Perenchio等进行8根梁试验研究环氧包裹绞线和裂缝对先张拉预应力构件耐久性的影响。其中4个构件在靠近受拉面一侧的绞线用环氧包裹，另一侧则裸露；2个构件全部环氧包裹；2个构件全部裸露。试件在弯矩作用下表面出现裂缝，平均裂缝宽度为0.254mm。试验期间对构件背靠背成对进行加载并维持裂缝大小。用15%NaCl溶液浸泡3.5天接着干燥3.5天，试验持续10个月。实验结果表明：（1）裂缝宽度0.254mm的梁开始腐蚀时间提前，腐蚀程度严重，且构件中未开裂部分钢筋也有较大腐蚀；（2）本研究未得出极限裂缝宽度；（3）混凝土保护层厚度为25mm不能阻止构件开裂或未开裂部分中钢筋腐蚀；（4）暴露期间环氧包裹的绞线未发现腐蚀现象。

4）J. S. West, C. J. Larosche, B. D. Koester, J. E. Breen, M. E. Kreger^[5]

J. S. West等共进行了27根后张预应力梁和10根后张预应力柱长期耐久性试验以研究后张预应力通过控制裂缝来提高耐久性以及腐蚀保护措施，试验时间持续近三年。试验结果表明：后张预应力可以有效地控制裂缝，可以提高耐久性，开裂的试件腐蚀较为严重且试件中开裂腐蚀比未开裂处严重；采用了多种力筋腐蚀测试方法，并揭示力筋腐蚀的经时模型；可以通过采用粉煤灰、高性能混凝土和环氧涂层等措施来提高耐久性。

5）吕志涛等课题组^[6]

东南大学吕志涛等开展预应力混凝土结构在不同应力水平下的碳化试验，研究在碳化侵蚀环境下应力状态、水灰比、保护层厚度等因素对混凝土碳化速率的影响（碳化时间为90天），并借鉴已有的研究成果，建立混凝土碳化深度预测模型；开展预应力混凝土结构在不同应力水平下的氯离子侵蚀试验，研究在盐雾侵蚀环境下受力状态及水灰比等因素对氯离子传输速率的影响（盐雾中NaCl浓度为 5%）；分析预应力混凝土结构裂缝状态下力筋腐蚀的机理，揭示裂缝及其开展宽度与力筋腐蚀间的关系。

2.实际工程拆下的损伤构件试验

1）Timonthy等^[7]

Timonthy等从Fargo的一座桥下拆下一根后张预应力混凝土梁研究34年后的状况。进行了无损和材料试验接着凿开后张构件，仅发现后张绞线、金属管道和锚具局部锈蚀。

2）Y.Labia等^[8]

美国内华达州大学Y.Labia等在1996年5月完成了美国国家科学基金资助项目“整体预应力混凝土箱形梁的评估和修补”，在该项目中共完成了三批预制后张跨度为21.33 m的箱形梁的测试。研究内容有：①测试预应力混凝土桥梁的强度和适用性能,以与现行规范公式进行比较。通过研究发现这些梁测量的极限荷载与规范预计值吻合较好,但是延性和预应力损失与规范预计值差别较大。②测试预应力筋的修补方法和评估在设计疲劳荷载和重复施加的静荷载作用下的预应力梁强度。研究发现超载将明显降低梁的疲劳寿命，通过研究发现预应力筋损伤的主要原因是由于车辆超载和腐蚀。

综上所述，世界范围内有关预应力混凝土结构耐久性方面的研究很少，国外可见于文献的试验只有寥寥几个，且大部分试验为短期试验时间不超过三年，国内关于预应力混凝土方面的试验几乎为零，尚需进行大量的工作，建议短期借鉴混凝土结构的耐久性研究成果。

 

 

[1] 万德友,张煅等，我国铁路桥梁及墩台状态评估技术现状与展望，中国铁道学会桥梁病害诊断及剩余寿命评估学术研讨会，大连，1995，5

[2] Poston R.W.，“Improving Durability of Bridge Decks by Transverse Prestressing”，Doctor of Philosophy Dissertation，The University of Texas at Austin，December 1984

[3] Moore, D.G.，Klodt, D.T.， and Hansen, J.，“Protection of Steel in Prestressed Concrete Bridges”，NCHRP Report 90，1970

[4] Perenchio, W.F.，Fraczek, J.，and Pfiefer, D.W.，“Corrosion Protection of Prestressing Systems in Concrete Bridges”，NCHRP Report 313，February 1989

[5] J. S. West，C. J. Larosche，B. D. Koester，J. E. Breen，and M. E. Kreger，“State-of-the-Art Report about Durability of Post-Tensioned Bridge Substructures”，Research Report 1405-1，October 1999

[6] 张德锋，预应力混凝土结构耐久性研究：[学位论文]，南京：东南大学

[7] Timoth J. Dickson, Habib Tabatabai, David A. Whiting, Ph.D.，“Corrosion Assessment of a 34-Year-Old Precast Post-Tensioned Concrete Girder”，PCI Journal，November-December 1993：44-51

[8] Labia, Y.V.，Saiidi, M.，and Douglas, B.，“Evaluation and Repair of Full-Scale Prestressed Concrete Girders”，CCEER-96-2，University of Nevada，Reno，NV，May 1996