预应力锚索防腐蚀技术研究现状及其发展趋势

收稿日期 :2005 -03 -17 作者简介 :魏志坚(1977 -), 女 , 湖南宁乡人 , 硕士研究生 , 主要从事水工结构研究 , E -mail :WZJ @mailsvr .hhu .edu .cn 。
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魏志坚 , 何四平 :预应 力锚索防腐蚀技术研究现状及其发展趋势
电化学腐蚀 , 是由于锚索表面与周围介质 , 如潮 湿空气 、电解质溶液等 , 发生电化学反应而引起的腐 蚀现象 。 腐蚀的过程涉及钢失去电子(氧化作用)的 过程(Fe ※Fe2 + +2e), 而失去的电子被另外的还原 反应消耗掉 , 例如氧和水的还原反应(O2 +2H2O + 4e- 4OH - , 2H2O +2e- H2 +2OH -)。氧化反应 一般称为阳极反应 , 而还原反应一般称为阴极反应 , 两个电 化学反 应对腐 蚀的 发生 是必不 可少 的 , 即 2Fe +O 2 +2H2O ※2F e2 + +4O H - ※2Fe(OH)2(铁 锈)。 氧化反应造成钢的实际损失 , 但还原反应必须 消耗由氧化反应释放的电子来维持电荷的中性 。 否 则 , 大量的负电荷将会在钢和电解质间快速形成并 且使腐蚀过程中止 。
由于钢材表面的电化学不均匀性 , 锚索所处的 工作环境并不是极为干燥 , 其表面往往存在着孔隙 液膜 , 外界的氧气通过连通的毛细孔道渗入 , 所以电 化学腐蚀比较容易发生 , 这是锚索中最常见的一种 腐蚀形态 。
应力腐蚀是锚索在拉应力和腐蚀性介质共同作
用下形成的脆性断裂 , 在一定的应力及侵蚀环境下 引起钢材变脆的一种腐蚀 。预应力锚索在高拉应力 作用下 , 钢绞线表面产生了微裂缝 , 在锚索索体结构 中存在多种薄弱带 , 为侵蚀性介质的入侵开辟了多 条通道 , 侵蚀性介质进入微裂缝腐蚀钢绞线 , 腐蚀沿 裂缝深入 , 应力再促进裂缝发展 。这种破坏与单纯 的机械应力破坏不同 , 它可以在较低的拉应力作用 下破坏 , 这种破坏又与单纯的电化学腐蚀破坏不同 , 它可以在腐蚀性介质很弱的情况下发生破坏 。
氢脆是预应力锚索在酸性与微碱性的介质中发
生脆性断裂的另一种类型 。氢脆与应力腐蚀的机理 完全不同 。 应力腐蚀发生在锚索的阳极 , 而氢脆发 生在锚索的阴极区域 。氢脆是由于钢筋吸收了原子 氢, 而使其变脆 , 所以称为氢脆。锚索在腐蚀过程 中 , 表面可能有少量氢气产生 , 在通常情况下 , 生成 的原子氢会迅速结成分子氢 , 在常温下是无害的 , 但 当这一过程受到阻碍时 , 氢原子就会向锚索内部扩 散而被吸收到金属内部的晶格中去 , 如果锚索内部 有缺陷存在 , 氢原 子很可能重新结 合成为氢分子 。 氢分子的生成产生很大的压力 , 出现“鼓泡”现象 , 使 锚索变脆 。产生氢脆的锚索在受到超过临界值的拉 力作用时 , 便会发生断裂 。
按 A 级进行防护
张拉后 15 d 内 , 按 C 级 进行耐久性防护
中等侵蚀性
张拉前按 A 级或 B 级进 行防护
张拉前按 A 级或 B 级进 行防护
张拉后按 C 级进行防护
强侵蚀性
张拉 前 按 B 级 进 行 防 护; 张拉后按 C 级 进行耐久
性防护
张拉前按 B 级进行防护 张拉后按 C 级进行耐久 性防护
2 锚索的腐蚀机理
预应力锚索在拉应力状态下长期处于围岩 、土 壤中 , 且大多要穿过地层破碎带或软弱夹层 , 工作环 境比较恶劣 , 必然受到地下水 、气体湿度和岩石成分 的影响 。预应力锚索的腐蚀都是钢绞线和锚具的金 属腐蚀 , 其腐蚀机理是相同的 , 有应力腐蚀 、氢脆 、化 学腐蚀和电化学腐蚀 4 种 。 其中最主要的是电化学 腐蚀和应力腐蚀 。
碱性环境防护是依靠水泥质注浆体对锚索提供 碱性环境 , 在这种环境下 , 锚索表面能生成致密的钝 化膜(2 ～ 6 nm 的 γFe2O3.n H2O ), 从而起到保护作 用 , 达到对锚索的保护目的[ 4] 。 安徽梅山水库预应 力锚索在封孔运行 8 年之后对锚孔进行现场剖析表 明 , 当水泥结石 pH 值大于 12 , 空隙率小于 14 %时 , 只要有 20 ～ 25 mm 厚的保护层 , 即具有足够的抗蚀 能力 。
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卷第 年第
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期 期
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红水河 ongShui Ri
ver
VNolo..234.,2N0o0
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预应力锚索防腐蚀技术研究现状及其发展趋势
魏志坚1 , 何四平2
(1 .河海大学水利水电工程学 院 , 江苏 南京 210098 ; 2 .中国水电工 程顾问集团昆明勘测设计研究院 , 云南 昆明 650051)
对于无粘结双层保护预应力锚索 , 一般情况下 认为此种锚索能够有效的防止腐蚀 , 但是和粘结式 锚索相比 , 无粘结双层保护锚索自由段的无粘结钢 绞线由于外涂防护油脂并套塑料管 , 钢绞线不和水 泥浆接触 。 油脂一般都是中性的甚至是偏酸性的 , 所以钢绞线长期处于 pH =7 的环境中 , 不会形成碱 性钝化膜 。 钢绞线主要依靠套管和油脂保护 , 一旦 套管和油脂老化失效 , 无法将钢绞线和外界环境隔 绝开 , 钢绞线将很快腐蚀而破坏 。 同时 , 由于无粘结 预应力锚索的钢绞线可以自由的滑动 , 整束钢绞线 的应力是相同的 , 只要任何一处受到局部的腐蚀破 坏 , 该根钢绞线所担负的荷载只得由该锚索的其它 钢绞线承担 , 这种荷载重分布会导致更多的钢绞线 失效 , 从而使整束锚索完全失效 。 在内锚固段 , 无粘 结锚索同样存在在锚索张拉过程中拉裂锚固端存在 浆体 , 从而使岩体和周围环境的有害物质进入腐蚀 钢绞线的问题 。 所以无粘结锚 索同样容易受 到腐 蚀 , 受到腐蚀产生的危害也较大 。
5 发展趋势
国际上对预应力锚索体的腐蚀破坏机理和防腐 处理方法进行了全面的研究 , 但由于预应力锚索在高 应力条件下的腐蚀过程比较复杂 , 故尚没有提出成熟
的防腐处理方法 。 目前 , 对锚索腐蚀问题调查工作做 得比较全面的文献记载是法国联邦预应力协会对 35 个锚固件腐蚀情况的调查 。 这一次调查的主要结果
化学腐蚀是锚索表面与气体或非电解质溶液接
触发生化学反应而引起的腐蚀 , 腐蚀过程中没有电 流产生 。
一般说来 , 预应力锚索的腐蚀绝大多数是电化 学机理产生的 , 同时 , 钢绞线长期处于高应力状态 , 应力因素造成的腐蚀也是不可忽视的 。
3 锚索的防腐蚀技术
防腐设计的目的是确保工程在有效服务年限内 锚索不被腐蚀和破坏 。 锚索的防腐方法主要有碱性 环境防护 、物理防护和电力防护等 。
由于工程造价等方面的原因 , 目前的防腐蚀主 要以前两种方法为主 。
根据国内外工程经验并参照有关国家标准 , 我 国水工预应力锚固设计规范(SL212 -98)对锚索的 防护制定了如表 1 的防护标准 。
表 1 预应力锚杆(索)的防腐防锈标准表
工作环境 无侵蚀性
预Hale Waihona Puke Baidu力锚杆(索)的工作时间
临时锚杆(索)2 年以下 永久锚杆(索)2 年以上
对于粘结式预应力锚索 , 锚索注浆采用二次注 浆工艺 , 即在锚固段与自由段连接处设置止浆环 , 先 进行锚固段注浆 , 在后强张拉后再进行自由段注浆 。 采用此种工艺锚固质量不易得到保证[ 6] , 并且锚索 全长仅有一层水泥浆体防护层 , 作为唯一的防腐蚀 系统 , 由于水泥浆极限拉伸值很小 , 与高强钢材的工 作应变不匹配 , 必然会出现相当宽的拉伸裂缝 。 裂 缝达到锚索表面 , 锈蚀就会发生 。而且锚索又是受 拉伸的高应力构件 , 在锚索表面总会有空穴或凹槽 , 其尖锐处就会有较高的应力集中 , 处于拉伸状态下 的应力腐蚀亦将是一种潜在的主要危险[ 7] 。 因此 , 如果锚索处于腐蚀性地层中 , 腐蚀就难以避免 。
1 概述
锚索是一种主要承受拉力的杆状构件 , 它是通 过钻孔将钢绞线或高强度钢丝固定于深部稳定的地 层中 , 并在被加固体表面通过张拉产生预应力 , 从而 达到使被加固体稳定和限制其变形的目的 。 预应力 岩土锚固技术 20 世纪初产生于英国 , 因其巧妙的利 用了预应力钢材的抗拉强度和调用并提高了岩土体 自身的强度及自稳能力 , 充分的挖掘了岩土体的潜 能 , 有效地节省了工程费用并有利于施工安全 , 成为 提高岩土工程稳定性和解决复杂困难岩土工程稳定 问题的最有效最经济的方法之一 。
索 。无粘结预应力锚索是将高强预应力钢绞线涂包 防腐蚀油脂并在外包裹塑料套管制成的无粘结钢绞 线束 , 在施工编索时只将内锚固段去掉套管并脱脂 洗油 , 其余部分的钢绞线始终处于油脂和套管的保 护中 , 全孔一次灌浆后 , 锚索自由段的钢绞线仍能与 孔内的水泥结石之间保持相对滑动 。 它与传统的有 粘结的锚索最大的不同在于自由段的钢绞线的保护 形式不同[ 2] 。从锚索锈蚀的角度来看 , 有粘结无保 护预应力锚索由于锚索和内锚固段全部在裸露状态 下被回填水泥浆体充填包裹 , 一旦回填砂浆体开裂 , 则在水的浸蚀下锚 索极易锈蚀 , 同时 , 在锚索张拉 时 , 锚固体靠近张拉端必然会出现拉裂缝 , 为地下水 对钢绞线的腐蚀创造了水力联系 。无粘结双层保护 预应力锚索在防腐蚀方面具有以下特点 :钢绞线表 面喷涂防腐材料 , 外层加设波纹管或塑料 , 钢绞线之 间充填防腐油脂 , 在双层保护的预应力锚索同孔壁 之间也用水泥浆灌注 , 以防波纹管老化失效或施工 过程中破损而造成预应力锚索的腐蚀[ 3] 。
一般而言 , 预应力锚索依据预应力钢绞线与水 泥结石体之间的联结情况分为有粘结预应力锚索和 无粘结双层保护预应力锚索 。 有粘结预应力锚索采 用无防腐层 、不镀锌的预应力钢绞线 。 锚索张拉锁 定后 , 对全孔进行封孔灌浆 , 使锚索与孔壁结合成整 体 , 锚索与被锚固介质之间无相对滑动 , 即传统的锚
我国岩土预应力锚固技术始 于 20 世纪 60 年 代 , 1964 年安徽梅山水库坝基加固中首次成功的使 用了大吨位预应力锚索 。 70 年代起 , 该项技术在我 国的国防 、水电 、矿山等领域逐步开始使 用 。 80 年 代以来 , 随着人们对锚索技术研究的深入和锚固技 术认识的逐步提高 , 以及相应技术的发展 , 促进了锚 索大量应用于工程 。 随着设计和施工经验的不断积 累 , 相关的技术规范开始出现 , 在锚固机理 、试验设 备和施工工艺等研究方面都取得了较大进展[ 1] 。
摘 要 :从预应力锚固技术的发展应用开始 , 提出了预应 力锚索 的防腐 蚀问题 , 介绍 了预应 力锚索 的腐蚀 机理 、目 前的防腐蚀技术及其存在的问题 , 并阐明了预应 力锚索防腐蚀技术的发展趋势 。 关键词 :预应力锚索 ;腐蚀机理 ;防腐蚀技术 ;发展趋势 中图分类号 :T U761.1+3 文献标识码 :A 文章编号 :1001 -408X(2005)03 -0080 -03
物理防护是在锚索体上直接覆盖塑料等材料 , 从而阻止外部腐蚀性物质与锚索体的接触 , 对无粘 结双层保护预应力锚索 , 目前国内所采用的是在锚 索体材料上套装波纹管 、P VC 管或 钢管 , 而在国外 所采用的双层防护锚索除在锚索体材料上套装塑料 管外 , 还有两层波纹管防腐层 。
电力防护是使锚索体形成一个电路 , 并使锚索 体表面极化成阴极的保护方法 , 所以又称阴极保护 , 通常是为保护大批锚索而采用的方法 。
注 :A 级防护材料 :液态防护 , 如石灰水 、防腐油 ;B 级防护材 料 : 塑态防护 , 如凝胶 、树脂或防锈油 脂等 ;C 级防护 材料 :刚性防护 , 如 水泥浆或水泥砂浆[ 5] 。
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红水河 2005 年第 3 期
4 存在的主要问题
目前国内使用的锚索型式有粘结式锚索 、普通 拉力型无粘结锚索 、双层保护拉力型无粘结锚索 、压 力分散型无粘结锚索 、拉力分散型锚索 、自由式单孔 多锚头锚索等 。 研究各种不同的锚索型式是为了改 善锚索的受力状态和锚固端的应力集中问题以及增 加锚索的抗腐蚀能力 。