預應力鋼絞線與環氧砂漿粘結滑移性能研究

韋耀淋,謝 錦,朱 元,蘇 琦

(柳州歐維姆機械股份有限公司 柳州市 545006)

0 引言

橋梁拉索是橋梁的主要受力構件,而拉索通常由預應力鋼絲或預應力鋼絞線制成。常用的拉索形式主要有:鋼絲冷鑄錨拉索、鋼絲熱鑄錨拉索、鋼絞線夾片錨拉索以及鋼絞線整束擠壓成品拉索等類型。其中鋼絲冷鑄錨拉索主要依靠鋼絲和環氧砂漿粘結進行錨固,環氧砂漿即環氧樹脂砂漿,其力學性能穩定,粘結性能好,具有高穩定性,耐腐蝕性能優良[1-2]。從結構上看,預應力鋼絞線是由多根鋼絲絞合而成,相當于具備帶肋結構,理論上與環氧砂漿的粘結更具優勢。

預應力鋼絞線是由2、3、7或19根高強度鋼絲構成的絞合鋼纜,并經消除應力處理(穩定化處理),適合預應力混凝土及類似用途。預應力鋼絞線的主要特點是強度高和松弛性能好,另外展開時較挺直。在橋梁拉索領域,通常采用直徑15.2mm、強度1860MPa、由7絲鋼絲絞合而成的鋼絞線,文章針對該規格鋼絞線進行探討。

預應力鋼絞線表面可以根據需要增加鍍鋅層、鋅鋁合金層、包鋁層、鍍銅層、涂環氧樹脂等,文章針對預應力鋼絞線與環氧砂漿的粘結滑移性能進行研究,采用較小內腔的錨杯灌注環氧砂漿對鋼絞線進行握裹,通過鋼絞線的拉拔試驗,研究鋼絞線的破壞形態,分析不同涂層對其粘接性能的影響,為設計小直徑的鋼絞線冷鑄錨成品拉索提供參考借鑒。

1 粘結性能影響因素分析

對于鋼絞線而言,與帶肋鋼筋類似,鋼絞線與混凝土之間的粘結作用力包括化學膠結力、摩擦力和機械咬合力[3]?；瘜W膠結力是由水泥砂漿與鋼絞線表面的粘附作用產生的。在鋼絞線初步受拉階段,水泥砂漿與鋼絞線表面的粘結力和摩擦力占主要部分;隨著拉力逐步增加,當鋼絞線與水泥砂漿之間發生微小滑移時,化學膠結力很快喪失,此時,拉力由鋼絞線與水泥砂漿的機械咬合力來承擔[4]。

因此,鋼絞線和環氧砂漿的粘結性能主要有以下三個影響因素:

(1)環氧砂漿的強度。按照《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》(GB/T 18365—2018)中相關要求:冷鑄填料由環氧樹脂、固化劑、稀釋劑、增韌劑、填充料等組成。錨具錨固填料的試件強度在常溫下不應小于147MPa[5]。對于環氧砂漿的強度,文章采用固定的配比制作環氧砂漿,滿足現行規范要求即可,不作深入對比研究。

(2)鋼絞線表面防腐涂層類型。對于表面涂層的選擇,考慮常用的三種類型,光面、鍍鋅涂層和環氧涂層。光面鋼絞線多用普通后張預應力領域,鍍鋅鋼絞線多用于國外的橋梁工程,環氧噴涂鋼絞線多用于國內橋梁工程。文章所述的環氧涂層鋼絞線特指單絲涂覆環氧涂層鋼絞線,它由噴涂環氧涂層的7根鋼絲捻制而成,各鋼絲之間防腐層相互獨立,不易產生壞疽效應。

(3)錨固長度。參考現行設計規范《公路懸索橋設計規范》[6](JTG/T D65-05—2015),規范中給出了錨頭錨杯內鋼絲錨固長度的計算方法:

(1)

式中:lsae為主纜鋼絲在錨杯內的錨固長度(mm);fk為鋼絲抗拉強度標準值(MPa);λ為單根鋼絲與鑄體材料在單位面積上的附著強度;無試驗資料時,鑄體材料為熱鑄料,可取λ=25MPa;鑄體材料為冷鑄料,可取λ=18MPa;dw為鋼絲直徑(mm)。

將1860MPa強度級別Φ7mm直徑鋼絲參數代入后計算得出該鋼絲所需錨固長度為452mm。文章涉及的錨固對象為7絲鋼絞線,相當于具備帶肋結構,其機械咬合力較大,理論上與環氧砂漿的粘結更具優勢。故將鋼絲替換為鋼絞線后,考慮乘以0.7～0.9的修正系數,選取410mm和310mm兩種鋼絞線錨固長度進行試驗,尋求最優系數。

2 試驗過程

2.1 試驗準備

試驗內容主要是針對鋼絞線的拉拔試驗,試驗方法參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—1992),設計拉拔試驗方案見圖1。

圖1 拉拔試驗組裝示意圖

(1)鋼絞線下料。采用1860MPa級別Φ15.2鋼絞線,公稱破斷力Fptk為260.4kN,鋼絞線下料長度1.8m,分別是鍍鋅鋼絞線、環氧噴涂鋼絞線和光面鋼絞線,每種防腐類型鋼絞線各做3組,結合410mm和310mm兩種錨固長度,本次試驗試樣共計18組,試驗試件見圖2。

圖2 試驗試件

(2)準備環氧砂漿。配比環氧砂漿的鐵砂需經過除銹、防銹處理后方可使用。試塊、試件在灌注之前,要準備好干凈完好的模具以及灌注工裝,涂上硅脂以便脫模。環氧砂漿填料配方進行配料計算后,稱取環氧樹脂、固化劑、稀釋劑、增韌劑、鐵砂等原料加熱至60～70℃。

(3)灌注環氧砂漿。錨杯在灌注之前,應清除內壁雜物,用丙酮清洗干凈。將鋼絞線放入錨杯,安裝灌漿工裝后直立放置在振動臺上,在錨杯和鋼絞線縫隙中分數次緩慢灌注環氧砂漿,灌注過程需保持在振動臺上進行,以保證排除氣泡達到灌注密實,灌注完成后鋼絞線和錨杯保持對中固定,置于固化爐中進行固化。

(4)加熱固化。整個固化過程應嚴格控制溫度和時間,固化溫度為160～180℃,固化時間為8h,升溫和降溫時間不宜太快,否則易導致開裂等物理缺陷。固化完成后,取出試塊進行測試,試塊強度在160～170MPa之間,滿足規范要求。

2.2 試驗步驟

(1)試件安裝:將錨杯和鋼絞線穿過試驗臺座,螺母旋上錨杯,固定在臺座一端,另一端的鋼絞線采用單孔錨進行鎖緊錨固,試驗組裝情況見圖3。使用千斤頂型號:YCW150B,壓力傳感器型號:LC-3/2000kN。

圖3 試驗組裝情況

(2)整體張拉前,應對夾片進行預緊,同時保證各受力件的對中性。

(3)通過千斤頂緩慢施加力值,同時使用壓力傳感器記錄試驗最大力值。加載速度不宜超過200MPa/min,加載到0.8Fptk后,持荷時間不應少于10min,然后緩慢加載至破壞。

(4)重復以上步驟完成18組試驗。

3 結果與分析

試件出現兩種破壞形態,如圖4所示。

圖4 試件的兩種破壞形態

鋼絞線未達到單根公稱極限抗拉力(260.4kN),鋼絞線從錨頭中拔出,屬于鋼絞線滑脫破壞,未能滿足錨固性能要求,視為試驗未通過。

最大力值大于鋼絞線單根公稱極限抗拉力,鋼絞線自由段破斷,并且鋼絞線在錨頭中沒有發生滑移,試件滿足錨固性能要求,視為試驗通過。握裹力試驗結果見表1～表3。

表1 光面鋼絞線在環氧砂漿中的握裹力試驗

表2 環氧鋼絞線在環氧砂漿中的握裹力試驗

表3 鍍鋅鋼絞線在環氧砂漿中的握裹力試驗

由表1、表2、表3可見:

(1)錨固長度為310mm時,各組破壞形式主要為滑脫,未能滿足錨固性能要求。

(2)錨固長度為410mm時,各組的最大力值有所提高,環氧鋼絞線和鍍鋅鋼絞線的破壞形式主要為鋼絞線破斷,即鋼絞線與環氧砂漿的握裹力超過了鋼絞線的破斷力?？梢宰C明410mm為鋼絞線錨固長度的臨界值,將式(1)用于鋼絞線時,建議乘以0.9倍的修正系數。

(3)從不同試驗組滑移時的力值變化可以看出,在狹小空間內,難以保證環氧砂漿灌注的均勻性,錨杯豎直灌注時的不均勻一定程度上導致了滑脫力值的隨機性。

4 結語

文章針對鋼絞線與環氧砂漿的粘結滑移性能進行研究,在狹小空間對鋼絞線進行握裹,通過鋼絞線的拉拔試驗,研究鋼絞線的破壞形態,分析不同涂層對其粘接性能的影響,在初期設計鋼絞線冷鑄錨成品拉索時,可以從410mm錨固長度進行試驗探究,得出適宜的錨杯尺寸。另外需要適當增大錨杯內腔與鋼絞線之間的距離,以保證環氧砂漿灌注的均勻性與密實性,在滿足拉索錨固性能的前提下減小錨杯外徑,從而減小橋梁拉索橋面板錨點的開孔大小,以滿足橋梁結構設計需求。