控制体外预应力混凝土结构的技术措施

【关键词】控制；体外；预应力；混凝土；结构；技术措施 

体内预应力结构由于预应力筋设置于混凝土内部，降低了混凝土的浇筑质量，而且管道灌浆的施工质量也难以保证，这些因素使得体内预应力结构的耐久性容易出现问题。体外预应力结构在耐久性方面有其独有的优势：体外预应力筋设置于混凝土外，不影响混凝土的振捣密实，而且索设置于混凝土体外，便于检测、重新张拉和更换。体外索的检测可以预防破坏事故的发生，而索的重新张拉及索的更换，可以保证力筋的应力水平及结构的可靠性，延长了结构的寿命，使其在寿命期内经济性优于体内预应力混凝土结构。 

1 体外预应力筋腐蚀破坏原理 

1.1 体外预应力筋的腐蚀机理 

同普通混凝土结构的钢筋腐蚀一样，体外预应力筋的腐蚀也是一个电化学反应过程：由于预应力筋某两点处的材质和环境的差异，分别引起两点间的电位差，不同电位的区段之间形成阳极和阴极，阳极反应和阴极反应的进行将导致预应力筋破坏。预应力筋表面有一层氧化膜，由于应力作用、氯离子穿透等引起锕筋表面钝化膜脱落，裸露的钢筋表面处于活化状态，在腐蚀环境中，钢筋便发生阳极反应，铁原于失去电子变成铁离子，进入溶液。 

1.2 应力腐蚀断裂和氢脆 

与普通混凝土结构的钢筋不同体外预应力筋长期处于高应力状态，在特定的腐蚀环境中很容易出现应力腐蚀，在腐蚀过程中会产生氢脆现象。应力腐蚀一般是指金属在拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下发生脆性断裂。在这种腐蚀过程中，应力阻止裂缝尖端形成保护膜，在应力下裂缝尖端保护膜不停破裂，露出滑移台阶，裂缝尖端表面活性上升，在腐蚀介质中形成小阳极和大阴极的应力腐蚀电池，其裂缝尖端为阳极，金属表面为阴极，这种腐蚀电池加大了快速阳极溶解，使裂缝向深度发展直至断裂。应力腐蚀是金属结构危害最大的破坏之一，其腐蚀速度远大于无应力状态，有可能在毫无预兆的情况下发生脆断。 

氢脆是指氢原子扩散到裂缝尖端的金属内部，使这些部位的金属变脆，在同拉应力共同作用时产生脆断。氢也会引起金属塑性降低，开裂和断裂，因而又称为氢损伤。在应力作用下氢会在结构缺口和裂缝尖端的三向拉应力区集合，应力强度愈高局部聚集的氢越多，在拉应力共同作用下，体外预应力筋脆断。 

1.3 疲劳腐蚀机理 

金属的疲劳腐蚀系指构件在交替变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂。其形成的破坏比单纯的交变应力或单纯的腐蚀作用造成的破坏严重得多。腐蚀疲劳破坏可以在很低应力下发生，也没有一定的腐蚀介质，而且在钢筋的活化区、纯化区都会发生。由于体外预应力筋在锚固端之间没有受到约束，在活荷载作用下可能产生独立于梁的振动，处理不当预应力筋更容易发生疲劳腐蚀而失效破坏。 

2 混凝土的质量劣化 

同普通混凝土结构一样，体外预应力混凝土结构的质量劣化原因主要有以下几种。 

2.1 混凝土的热胀冷缩 

混凝土也具有热胀冷缩，浸水膨胀，失水收缩的特点，当混凝土处于温湿度交替急骤变化时，其表面及内部的体积变化不协调，从而出现裂缝，降低结构的整体强度。 

2.2 碱集骨料反应 

碱一骨料反应是组成混凝土中的水泥、外掺合料、外加剂或拌合水中的可溶性碱和混凝土的空隙中，以及集料中能同碱反应的活性成分在混凝土的使用期逐渐发生的一种化学反应。该反应引起的开裂破坏是整体性的。 

2.3 混凝土的碳化 

混凝土碳化是指空气中的co2引起混凝土中性化的过程，如果体外预应力混凝土结构没有配置体内主筋，碳化过程对结构的受力性能影响很小。此外表面可磨损、空隙中的盐类结晶、冻胀循环也会造成混凝土质量的劣化。 

3 体外预应力筋及锚具的防护 

体外预应力筋是体外预应力混凝土结构的主要受力构件，它是通过锚具将预应力传递给主体结构，它们的耐久性是决定结构耐久性。为此，必须采取必要措施保护体外预应力筋及锚具。 

3.1 对预应力筋的防护 

与体内预应力筋不同，体外预应力筋没有混凝土保护层，钢索直接暴露在自然环境中，且预应力筋又是对腐蚀极其敏感，若防护不当极容易腐蚀破坏，将造成巨大损失，目前对体外索的防腐保护大体可分为三类。 

3.1.1 裸露预应力筋束镀锌或涂层保护 

对钢筋表面镀锌实际是一种牺牲阳极用阴极保护法，在腐蚀介质中锌原子失去电子变为阳离子而出现腐蚀，从而使阴极的钢筋受到保护。这种方法造价低、结构简单，但缺点也多；镀锌温度达400℃左右，会造成钢绞线或钢丝强度降低；由于镀锌是牺牲阳极保护，可能引起氢产生氢脆加速破裂，尤其在不含氧的非氧化性酸环境中发生；钢丝直接暴露在大气中，容易碰撞损伤，不利体外预应力筋防腐；镀锌防腐污染环境。 

3.1.2 套管加填充材料防腐 

这种方法是在索的外面加套管，待张拉完预应力筋后，在套管内灌注填充材料，其中索可以是镀锌钢丝或钢绞线、涂环氧涂层钢绞线、裸钢丝或钢绞丝。这种防腐系统增加了两层防腐屏障(填充材料和套管)，因此防腐性能优于第一种，但造价也较高。 

3.1.3 采用单股无粘结钢绞线 

单股无粘结钢绞线是将钢绞线挤入pe套管并内充油脂而形成，它自身具有防护系统，可以不用管道而单独使用，也可以外面加套管，并充入灌浆材料构成具有多重防护功能的防护体系。无粘结钢绞线直接在工厂生产，不仅提高质量，而且提高钢绞线在运输、存储、安装过程的耐腐蚀性。单股无粘结钢绞线外加套管的结构，无论采用刚性灌浆材料还是非刚性灌浆材料，均可进行索力调整及单根索或整束索更换。 

3.2 体外预应力筋的减振和锚固处理 

体外预应力筋仅在锚固和转向块处受到约束，当梁受到活载作用时，转向块(锚固端)间的预应力筋就可能产生独立于梁的振动，如果体外索的固有频率和梁的固有频率接近，就可能发生共振。共振不仅影响梁的正常使用，甚至导致体外索断裂，梁破坏，因此，应采取构造上的措施来避免体外索和梁发生共振，即避免体外索与梁的固有基本频率相近。 

参考文献 

[1]王强.建筑物的结构设计[m].上海：上海科学技术出版社，2006. 

[2]中国建筑科学研究院.混凝土实用手册[m].北京：中国建工出版社.2001