緩粘結預應力混凝土技術研究

張志彬

1 預應力混凝土技術簡述

在預應力混凝土結構中,人們使用先張法預應力技術和后張灌漿有粘結預應力技術,后來開發了后張無粘結預應力混凝土技術和后張體外預應力技術等。現在最新的也是最有前途的是后張緩粘結預應力混凝土技術。而緩粘結預應力體系在相當程度上吸取了兩者的優點,同時又彌補了兩者的不足,揚長避短,是目前國際上預應力技術研究方向的一個熱點。

2 傳統后張預應力混凝土結構性能特點

在后張預應力混凝土體系中,按設計和施工方法的不同可分為兩大類,即無粘結預應力混凝土和有粘結預應力混凝土。

在有粘結基礎上發展起來的無粘結預應力結構體系具有空間靈活、施工簡便、摩阻系數小等優點,能解決一些有粘結不好解決的問題,但它也有一定的缺點,力學結構性能上主要表現在極限強度、裂縫、能耗和延性、連續破壞四個方面。

而在有粘結預應力體系中,其具有承載力大,抗疲勞性能好等優點,但施工工藝較為復雜,隱蔽工程施工質量要求比較高,構件形狀和體積都較無粘結笨重,工期長,在一些工程上的使用也受到了限制。并且預應力筋直接接觸混凝土的結構方式也降低了它的耐腐蝕性能。

3 緩粘結預應力材料及其工藝的特點

緩粘結預應力筋是一種新的預應力筋粘結形式,緩粘結筋技術是一種在預應力筋的張拉前具有無粘結筋的特點,而后期又具有有粘結筋使用效果的預應力工藝,綜合了無粘結筋施工簡便與有粘結筋安全可靠的兩方面各自的優點,緩粘結筋的作用機理是在預應力筋與護套之間,填充一種特殊的緩凝材料,這種材料在正常溫度下,在一定時間內是幾乎無凝結的。這樣使其在工程現場進行安裝、張拉時可完全采用無粘結筋預應力技術、設備和工序。以后經過預定時間,緩凝材料開始逐漸硬化,并達到相當的粘結和抗壓強度,對預應力筋產生握裹、保護作用,使得預應力筋和混凝土構件粘結為一體,具備較好的自錨能力,從而后期又具備了有粘結筋的使用效果。可見它綜合了無粘結筋與有粘結筋各自的優點,既具有無粘結筋的施工迅速、空間小巧、布索自由、使用方便、無需孔道的設置和壓漿過程繁雜工藝的優點,又具有有粘結筋在后期使用上的特點和耐久性高、抗腐蝕能力強等優點的一種預應力嶄新技術。

4 緩粘結預應力鋼絞線的研制

4.1 緩粘結填充劑的試驗研究

4.1.1 緩粘結預應力鋼絞線涂層膠粘劑材料

緩粘結預應力鋼絞線用的膠粘劑,應有一定的粘度和對鋼絞線有較好的附著性,涂敷在鋼絞線上后,對鋼絞線的間隙有較好的填充性。膠粘劑的填料和主劑應有較好的相容性和懸浮性。膠粘劑的主劑和固化劑反應時,在主劑的分子間通過固化反應產生交聯,膠粘劑在全部固化過程中,不會產生水和其他小分子的化合物。固化后的膠粘劑不會產生氣泡和多孔等缺陷,其固化時收縮率很低。固化后的膠粘劑是一種無嗅、無味的堅硬固體,其耐堿性能良好,對人體和環境均無害,其耐熱性、絕緣性均良好。

緩粘結預應力鋼絞線涂層用的膠粘劑,根據使用要求選用了不同的配比,其使用期限與使用環境的溫度、濕度等有密切的關系,根據使用要求,膠粘劑從配制到完全固化,可分為三個月到十幾個月幾種類型。

4.1.2 膠粘劑固化后的力學性能

緩粘結涂料固化后的強度如表1所示。

表1 緩粘結涂料固化后的抗折強度

4.2 緩粘結預應力鋼絞線的生產工藝

4.2.1 緩粘結預應力筋生產工藝流程

放線→膠粘劑→涂敷→擠塑→水冷卻→牽引→收線。

4.2.2 生產工藝

緩粘結預應力筋用的鋼絞線應符合GB/T 5224-2003標準,膠粘劑涂敷時,將鋼絞線在放線盤上固定,通過定位裝置使膠粘劑涂敷裝置的進出口和擠塑機的進出口在同一直線上。膠粘劑通過傳動機送到涂敷裝置中,當鋼絞線經過時,膠粘劑均勻的涂敷在鋼絞線上,并將其包裹。

緩粘結預應力筋的聚乙烯外套由擠塑機進行包塑,當涂有膠粘劑的鋼絞線進入擠塑機后,塑化后的聚乙烯材料通過機頭的芯模和口模,將聚乙烯擠成管狀,在口模外包裹在已涂有膠粘劑的鋼絞線上,靠塑料管的熱收縮包緊。

包塑好的緩粘結預應力筋從擠塑機頭的口模出來后,立即進入冷卻水槽冷卻至常溫,使熱塑狀態套管在冷水中快速硬化。

收線由牽引機與收線機同步轉動完成,牽引機的牽引速度必須與擠塑機螺桿的轉速相匹配,在生產過程中,牽引速度為8 m/min～13 m/min。收線機協助牽引機工作,把成品緩粘結預應力筋整齊地纏繞在收線盤上,以便于包裝運輸。

4.3 緩粘結預應力筋握裹力試驗

握裹力試驗示意圖見圖1,在放置時間較長,粘結作用最充分的一組中,握裹力測試結果是140.6 kN/cm2,147.8 kN/cm2和213.5 kN/cm2,其平均值為167.3 kN/cm2。

5 緩粘結預應力梁的荷載試驗

5.1 簡述

為檢驗緩粘結預應力筋的荷載作用下的力學性能,制作了預應力混凝土結構試驗梁,其中包括使用緩粘結預應力筋的試驗梁,也包括使用無粘結預應力筋的試驗梁。在試驗梁W-1中使用的預應力絞線是無粘結絞線。在試驗梁H-1,H-3,H-7,XL-1和XL-2中使用的是緩粘結預應力鋼絞線。

荷載試驗中,每根梁都用百分表測量梁撓度;用電阻應變儀測量純彎曲段沿梁高度應變變化;XL-1梁還量測了緩粘結預應力筋隨荷載改變而應變的相應變化數值和梁跨中部位受拉非預應力鋼筋的應變數據。

試驗加荷采用千斤頂三分點加荷方式,荷載通過壓力傳感器來確定。在梁調平,儀表讀到初讀數后預壓10 kN,在所有設備和儀表工作正常的情況下正式以每級5 kN的增量加荷,每級保持10min～15 min,接近裂縫出現時,將加荷增量適當減小,并注意觀察裂縫的出現,記錄測得的應變和撓度數值,當裂縫出現后,調大每級加荷的增量,觀測裂縫的發展及分布狀態。

5.2 試驗結果數據分析

各試驗梁的試驗結果見表2。

表2 梁加荷載試驗結果

通過試驗中測得的撓度曲線可以看出,緩粘結預應力筋試驗梁在加載過程中,撓度變化平緩,在75 kN以后才有所陡升。且和無粘結筋梁相比各級撓度數據較小,破壞荷載大,而無粘結預應力筋試驗梁W-1,同樣荷載下各級撓度數值都大于緩粘結梁,在60 kN以后就發生陡升,且卸載后的殘余變形是緩粘結梁的1.8倍～2.2倍。

從破壞形態上看,無粘結梁的裂縫條數少,裂縫稀疏,寬度大,而緩粘結梁裂縫條數多,裂縫細小,類似于有粘結梁的破壞形態。

6 結語

通過對緩粘結和無粘結裝配的試驗梁的撓度、應變、裂縫等試驗數據的分析可以看到,緩粘結預應力混凝土結構構件在緩粘結效能發揮作用之后,與無粘結預應力混凝土結構構件的力學性能發生了很大的差異。它所能承擔的極限荷載明顯高于無粘結預應力試驗梁。粘結發揮效能之后的力學性能更趨向于有粘結,優于無粘結構件。

緩粘結預應力技術和材料是一種在預應力筋的張拉前具有無粘結筋的特點,而后期又具有有粘結筋使用效果的新技術,綜合了無粘結筋施工便捷和有粘結筋安全可靠的兩方面的優點,是預應力技術的新發展。

目前緩粘結預應力的研究還處于初期,其性能參數的試驗依據有待于積累更多的實驗數據,工藝操作也有待于進一步完善。

[1]施永林,楊建軍.預應力混凝土內部錨固區計算[J].山西建筑,2008,34(15):51-52.