電絕緣預(yù)應(yīng)力錨固體系在30 m T 梁中的應(yīng)用研究

劉平偉 張勝利 李紅遠

(廣西工學(xué)院鹿山學(xué)院，廣西柳州 545616)

0 引言

本文試驗梁所在項目是廣西玉林至鐵山港高速公路，它位于廣西壯族自治區(qū)東南部，北起玉林市北流市西瑯白墳垌的南面，與岑溪至興業(yè)高速公路相接，終點位于北海市鐵山港區(qū)，與北海至鐵山港一級公路相接。本項目全長約174.076 km，設(shè)計時速為120 km/h，雙向四車道高速公路。由于K162+255白沙頭港大橋是跨海大橋，橋區(qū)為侵蝕河谷地貌，地勢平坦開闊，地表水，地下水發(fā)育，微地貌為河道和蝦塘，容易遭受海水氯離子的腐蝕，梁板中的鋼絞線比其他普通梁板更容易被海水中氯離子腐蝕，所以選用跨海大橋的30 m T梁能更好地驗證電絕緣錨固體系的可靠性和安全性。試驗梁位于白沙頭港大橋預(yù)制T梁廠內(nèi)，白沙頭港大橋梁板設(shè)計為30 m預(yù)制T梁，采用后張預(yù)應(yīng)力法施工，整個體系采用先簡支后連續(xù)。

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以其安全性、可靠性、耐久性在公路、鐵路方面得到廣泛應(yīng)用，而采用常規(guī)的傳統(tǒng)金屬波紋管道和普通錨具施工的預(yù)應(yīng)力筋，容易受到周圍環(huán)境氯化物、材料的氫脆、金屬電解質(zhì)、雜散電流、微動疲勞、電接觸等等腐蝕而發(fā)生脆性破壞。

在2005年，F(xiàn)IB(國際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會)就對后張預(yù)應(yīng)力筋的耐久性問題作了規(guī)定，并根據(jù)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)耐腐蝕性能的大小分成了三種體系:PL1——傳統(tǒng)的金屬孔道;PL2——塑料波紋管孔道;PL3——塑料波紋管+電絕緣錨具(EIT)，指出對于在PL1體系中預(yù)應(yīng)力筋易受到的六大因素的腐蝕:來自周圍環(huán)境的氯化物(氯離子);雜散電流(直流電);金屬溶解電解質(zhì);材料的氫脆;微動疲勞;電接觸。在PL1體系中這些腐蝕因素難以用無損技術(shù)進行檢測，最終銹蝕引發(fā)結(jié)構(gòu)的瞬間破壞，嚴重的影響結(jié)構(gòu)的安全性和可使用年限。

采用PL3體系能很好的防止和監(jiān)測預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕問題，并且有以下幾大優(yōu)勢:

1)整個系統(tǒng)密封性能好，避免氯化物侵蝕預(yù)應(yīng)力筋;

2)隔絕雜散電流接觸預(yù)應(yīng)力筋;

3)允許檢測，可采用無損檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行控制和監(jiān)測;

4)增強結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

在國外，通過試驗室試驗以及工程應(yīng)用，在意大利以及瑞士的應(yīng)用證明在后張預(yù)應(yīng)力中使用電絕緣型錨固體系是成功的，該體系用簡單以及可靠的測量手段為結(jié)構(gòu)的腐蝕防護提供了可靠的信息。而在瑞士從1993年起至今約有120座結(jié)構(gòu)(主要是橋梁)安裝了電絕緣型錨固體系，國家鐵路局(Swiss Federal Railway authorities)和交通部Swiss department of Transport(針對直流電軌道方面)要求必須使用電絕緣型錨固體系。

1 電絕緣預(yù)應(yīng)力錨固體系

電絕緣預(yù)應(yīng)力錨固體系是由電絕緣型錨具、塑料波紋管和無損檢測系統(tǒng)組成。電絕緣預(yù)應(yīng)力錨固體系將預(yù)應(yīng)力筋和錨具與外圍混凝土隔離開來，最大程度上保證了預(yù)應(yīng)力筋不被腐蝕，并且可以在任意時刻用快速的無損檢測方法來檢測預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕情況，保證了橋梁結(jié)構(gòu)在服役年限內(nèi)的完整性，這是與普通預(yù)應(yīng)力錨固體系的最大區(qū)別。

1.1 電絕緣型錨具

電絕緣型錨具由普通錨板、夾片、螺旋筋和ZH型電絕緣錨墊板組成，而ZH型電絕緣錨墊板由芯板、近乎電絕緣的高性能混凝土和塑料喇叭管組成。芯板為中空鑄鐵或鑄鋼件，其與工作錨板接觸，并將預(yù)應(yīng)力傳遞給外周的高性能混凝土;高性能混凝土強度在150 MPa以上，有效地包絡(luò)住芯板，并將預(yù)應(yīng)力安全地傳遞、分散給預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件;喇叭管為電絕緣性和耐久性好的塑料件，起著連接塑料波紋管道，隔絕鋼絞線和外部鋼筋聯(lián)系的作用。圖1為OVM公司開發(fā)的ZH型錨墊板產(chǎn)品。

圖1 ZH型電絕緣錨墊板

1.2 塑料波紋管

塑料波紋管的作用是封閉和隔絕了預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋的聯(lián)系，在錨具附近波紋管的連接非常重要，這將是保證鋼絞線被密封和絕緣性的重要因素，因此在塑料波紋管、通氣孔和排漿孔的連接需要非常的小心。塑料波紋管的另一大優(yōu)勢是摩擦系數(shù)減小了，傳統(tǒng)的金屬管道摩擦系數(shù)為0.3，而塑料波紋管為0.14，摩損現(xiàn)象顯著地減少了。

塑料波紋管有以下優(yōu)異性能:

1)提高預(yù)應(yīng)力筋的防腐保護，可防止氯離子入侵而產(chǎn)生的腐蝕;

2)不導(dǎo)電，可防止雜散電流腐蝕;

3)密封性能好，不生銹;

4)提高預(yù)應(yīng)力筋的耐疲勞性能。

1.3 可隨時監(jiān)測的無損檢測系統(tǒng)

此無損檢測系統(tǒng)最大的優(yōu)點是無傳感器，鋼絞線和混凝土中的鋼筋即是傳感器;在結(jié)構(gòu)整個壽命期間任何時候都可迅速測量其電阻，實現(xiàn)其質(zhì)量控制。電阻值在灌漿完成后是不斷的增大，一旦減少時就等于預(yù)警腐蝕產(chǎn)生。檢測所用的儀表是便攜式LCR電橋表。

本試驗采用PL3體系來監(jiān)測預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕問題。根據(jù)FIB(國際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會)建議檢測系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 檢測系統(tǒng)工作原理圖

按照FIB建議，預(yù)應(yīng)力筋張拉灌漿完成后，隨著時間的推移，動態(tài)電阻值越來越大，呈上升趨勢，一旦有下降的趨勢則是預(yù)示著預(yù)應(yīng)力筋有腐蝕，開始了早期預(yù)報提示。

2 試驗梁的制作

試驗梁的制作工藝:

梁肋鋼筋綁扎→模板安裝→翼緣板鋼筋綁扎→澆筑混凝土→拆模養(yǎng)生→張拉(強度達到設(shè)計要求)→壓漿。

鋼筋的制作要按照圖紙設(shè)計要求，保證主筋搭接長度滿足要求，焊縫要均勻飽滿，骨架筋和水平筋安裝位置要準確，間距均勻，波紋管定位鋼筋位置要準確，這些都是保證梁板以后安全性、耐久性的重要因素，必須加以控制，鋼筋經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗合格后方可進行下道工序。

模板要采用定型鋼模板，模板拼裝平整度要滿足規(guī)范設(shè)計要求，相鄰模板拼裝接縫不大于2 mm，模板底角支撐要滿足牢固、穩(wěn)定性的要求，施工時安排專人檢查，如發(fā)現(xiàn)底角支撐有松動，應(yīng)立即進行加固。

翼緣板鋼筋綁扎好后，經(jīng)檢驗合格后，然后進行導(dǎo)線的預(yù)埋，所選用的導(dǎo)線為1 mm2的銅線。導(dǎo)線預(yù)埋的方法是先在梁體一端翼緣板鋼筋處選擇兩根鋼筋，用砂紙打磨除掉鋼筋上的浮銹，剝掉導(dǎo)線上的絕緣皮，把裸露的銅絲纏繞在打磨好的鋼筋上，然后用錫焊焊接導(dǎo)線，焊接完畢后把AB膠水均勻地涂在導(dǎo)線焊接處，保證粘結(jié)牢固，最后用絕緣防水膠帶包裹導(dǎo)線連接處。這樣處理的目的是可以防止導(dǎo)線接觸不良、潮濕、脫落等問題的出現(xiàn)，有效地避免非絕緣性因素造成的影響。然后用同樣的方法預(yù)埋另一端(見圖3)。

圖3 T梁翼緣板導(dǎo)線預(yù)埋的試驗梁

電絕緣型錨墊板要安裝在梁的端部，安裝時要先把錨墊板用螺栓固定在端頭鋼模板上，將塑料連接管按缺口對著灌漿口推進到錨墊板內(nèi)孔，直到配合緊密(見圖4)。

混凝土的澆筑采用攪拌站集中拌合，混凝土運輸車運輸混凝土，混凝土坍落度控制在10 cm～12 cm，澆筑過程中應(yīng)該注意混凝土的和易性，發(fā)現(xiàn)混凝土中有骨料離散的現(xiàn)象，應(yīng)廢掉不得再次使用，這是保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。澆筑應(yīng)從梁體一端到另一端，澆筑完成24 h后拆模，拆模后要覆蓋水養(yǎng)，養(yǎng)生要達到規(guī)范規(guī)定時間。

圖4 預(yù)埋電絕緣錨墊板的試驗梁

張拉時采用油表讀數(shù)和伸長量雙重控制，張拉完成后切掉端頭多余鋼絞線，然后在鋼絞線上預(yù)埋導(dǎo)線，方法和翼緣板鋼筋預(yù)埋導(dǎo)線類似。

壓漿采用真空壓漿，施工過程控制漿體稠度為30 s～50 s，壓漿完成后，等到漿體強度達到設(shè)計要求時才能移運和吊裝。

3 試驗數(shù)據(jù)

本次試驗選用9片T梁做試驗梁，8片試驗梁是采用PL3體系，1片試驗梁采用PL2體系。每片梁的波紋管采用的是85 mm的內(nèi)徑，每個孔道的鋼絞線是10根，鋼絞線采用的是公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，導(dǎo)線接在錨具端頭鋼絞線任意兩根上，每片試驗梁翼緣板和電絕緣錨具處都接導(dǎo)線。每片試驗梁長度29.6 m，重量達70 t左右(見圖5)。檢測所用儀器為1 kHz頻率的便攜式LCR電橋表(見圖6)，檢測時導(dǎo)線翼緣板鋼筋導(dǎo)線和錨具處鋼絞線導(dǎo)線分別連接LCR電橋表兩端。

圖5 預(yù)埋導(dǎo)線的試驗梁

圖6 LCR電橋表

從試驗結(jié)果來看，隨著壓漿時間的增長，漿體和混凝土都逐漸變干，電阻值呈增大的趨勢(見圖7)。但是，也有部分孔道電阻值在20 Ω以下，說明預(yù)應(yīng)力筋和混凝土中的鋼筋有接觸，錨具與塑料波紋管的接頭處絕緣防護沒有做好，導(dǎo)致鋼絞線和混凝土中的鋼筋接觸。這也提醒以后要更加注意安裝施工。試驗梁端部電絕緣錨具導(dǎo)線預(yù)埋見圖8。

圖7 試驗梁部分孔道阻值變化趨勢圖

從圖7中看出孔道鋼絞線電阻值呈增大的趨勢，偶爾有下降的波動，分析可能原因是導(dǎo)線端頭被氧化，測阻值時沒有打磨導(dǎo)線氧化部位，導(dǎo)致阻值有下降波動。

圖8 試驗梁端部電絕緣錨具導(dǎo)線預(yù)埋

4 結(jié)語

1)電絕緣型錨墊板和塑料波紋管在工程中的運用，提高了鋼絞線的防護能力，并且通過一種簡單有效可行的辦法來監(jiān)測鋼絞線腐蝕的可能性。

2)隨著時間的推移，試驗測得它們之間的電阻值是逐漸增大的。

3)建議OVM.M15ZH型電絕緣錨墊板進一步優(yōu)化，增強錨墊板的絕緣防護能力。

4)電絕緣錨固體系在30 m T梁中的應(yīng)用，經(jīng)試驗間隔檢測電阻，證明是成功的，為下一步更廣泛的推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

［1］M.Della Vedova，B.Elsener，L.Evangelister.Corrosion Protection and Monitoring of Electrically Isolated Post-Tensioning Tendons［C］.Proceedings of the Third European Conference on Structural Control，3ESCS，2004:12-15.

［2］Measures to ensure the durability of post-tensioning tendons in bridges，guideline of the Swiss Federal Roads Authority and Swiss Federal Railways［M］.Edition，2001.