缓粘结预应力混凝土技术研究

张志彬

1 预应力混凝土技术简述

在预应力混凝土结构中,人们使用先张法预应力技术和后张灌浆有粘结预应力技术,后来开发了后张无粘结预应力混凝土技术和后张体外预应力技术等。现在最新的也是最有前途的是后张缓粘结预应力混凝土技术。而缓粘结预应力体系在相当程度上吸取了两者的优点,同时又弥补了两者的不足,扬长避短,是目前国际上预应力技术研究方向的一个热点。

2 传统后张预应力混凝土结构性能特点

在后张预应力混凝土体系中,按设计和施工方法的不同可分为两大类,即无粘结预应力混凝土和有粘结预应力混凝土。

在有粘结基础上发展起来的无粘结预应力结构体系具有空间灵活、施工简便、摩阻系数小等优点,能解决一些有粘结不好解决的问题,但它也有一定的缺点,力学结构性能上主要表现在极限强度、裂缝、能耗和延性、连续破坏四个方面。

而在有粘结预应力体系中,其具有承载力大,抗疲劳性能好等优点,但施工工艺较为复杂,隐蔽工程施工质量要求比较高,构件形状和体积都较无粘结笨重,工期长,在一些工程上的使用也受到了限制。并且预应力筋直接接触混凝土的结构方式也降低了它的耐腐蚀性能。

3 缓粘结预应力材料及其工艺的特点

缓粘结预应力筋是一种新的预应力筋粘结形式,缓粘结筋技术是一种在预应力筋的张拉前具有无粘结筋的特点,而后期又具有有粘结筋使用效果的预应力工艺,综合了无粘结筋施工简便与有粘结筋安全可靠的两方面各自的优点,缓粘结筋的作用机理是在预应力筋与护套之间,填充一种特殊的缓凝材料,这种材料在正常温度下,在一定时间内是几乎无凝结的。这样使其在工程现场进行安装、张拉时可完全采用无粘结筋预应力技术、设备和工序。以后经过预定时间,缓凝材料开始逐渐硬化,并达到相当的粘结和抗压强度,对预应力筋产生握裹、保护作用,使得预应力筋和混凝土构件粘结为一体,具备较好的自锚能力,从而后期又具备了有粘结筋的使用效果。可见它综合了无粘结筋与有粘结筋各自的优点,既具有无粘结筋的施工迅速、空间小巧、布索自由、使用方便、无需孔道的设置和压浆过程繁杂工艺的优点,又具有有粘结筋在后期使用上的特点和耐久性高、抗腐蚀能力强等优点的一种预应力崭新技术。

4 缓粘结预应力钢绞线的研制

4.1 缓粘结填充剂的试验研究

4.1.1 缓粘结预应力钢绞线涂层胶粘剂材料

缓粘结预应力钢绞线用的胶粘剂,应有一定的粘度和对钢绞线有较好的附着性,涂敷在钢绞线上后,对钢绞线的间隙有较好的填充性。胶粘剂的填料和主剂应有较好的相容性和悬浮性。胶粘剂的主剂和固化剂反应时,在主剂的分子间通过固化反应产生交联,胶粘剂在全部固化过程中,不会产生水和其他小分子的化合物。固化后的胶粘剂不会产生气泡和多孔等缺陷,其固化时收缩率很低。固化后的胶粘剂是一种无嗅、无味的坚硬固体,其耐碱性能良好,对人体和环境均无害,其耐热性、绝缘性均良好。

缓粘结预应力钢绞线涂层用的胶粘剂,根据使用要求选用了不同的配比,其使用期限与使用环境的温度、湿度等有密切的关系,根据使用要求,胶粘剂从配制到完全固化,可分为三个月到十几个月几种类型。

4.1.2 胶粘剂固化后的力学性能

缓粘结涂料固化后的强度如表1所示。

表1 缓粘结涂料固化后的抗折强度

4.2 缓粘结预应力钢绞线的生产工艺

4.2.1 缓粘结预应力筋生产工艺流程

放线→胶粘剂→涂敷→挤塑→水冷却→牵引→收线。

4.2.2 生产工艺

缓粘结预应力筋用的钢绞线应符合GB/T 5224-2003标准,胶粘剂涂敷时,将钢绞线在放线盘上固定,通过定位装置使胶粘剂涂敷装置的进出口和挤塑机的进出口在同一直线上。胶粘剂通过传动机送到涂敷装置中,当钢绞线经过时,胶粘剂均匀的涂敷在钢绞线上,并将其包裹。

缓粘结预应力筋的聚乙烯外套由挤塑机进行包塑,当涂有胶粘剂的钢绞线进入挤塑机后,塑化后的聚乙烯材料通过机头的芯模和口模,将聚乙烯挤成管状,在口模外包裹在已涂有胶粘剂的钢绞线上,靠塑料管的热收缩包紧。

包塑好的缓粘结预应力筋从挤塑机头的口模出来后,立即进入冷却水槽冷却至常温,使热塑状态套管在冷水中快速硬化。

收线由牵引机与收线机同步转动完成,牵引机的牵引速度必须与挤塑机螺杆的转速相匹配,在生产过程中,牵引速度为8 m/min～13 m/min。收线机协助牵引机工作,把成品缓粘结预应力筋整齐地缠绕在收线盘上,以便于包装运输。

4.3 缓粘结预应力筋握裹力试验

握裹力试验示意图见图1,在放置时间较长,粘结作用最充分的一组中,握裹力测试结果是140.6 kN/cm2,147.8 kN/cm2和213.5 kN/cm2,其平均值为167.3 kN/cm2。

5 缓粘结预应力梁的荷载试验

5.1 简述

为检验缓粘结预应力筋的荷载作用下的力学性能,制作了预应力混凝土结构试验梁,其中包括使用缓粘结预应力筋的试验梁,也包括使用无粘结预应力筋的试验梁。在试验梁W-1中使用的预应力绞线是无粘结绞线。在试验梁H-1,H-3,H-7,XL-1和XL-2中使用的是缓粘结预应力钢绞线。

荷载试验中,每根梁都用百分表测量梁挠度;用电阻应变仪测量纯弯曲段沿梁高度应变变化;XL-1梁还量测了缓粘结预应力筋随荷载改变而应变的相应变化数值和梁跨中部位受拉非预应力钢筋的应变数据。

试验加荷采用千斤顶三分点加荷方式,荷载通过压力传感器来确定。在梁调平,仪表读到初读数后预压10 kN,在所有设备和仪表工作正常的情况下正式以每级5 kN的增量加荷,每级保持10min～15 min,接近裂缝出现时,将加荷增量适当减小,并注意观察裂缝的出现,记录测得的应变和挠度数值,当裂缝出现后,调大每级加荷的增量,观测裂缝的发展及分布状态。

5.2 试验结果数据分析

各试验梁的试验结果见表2。

表2 梁加荷载试验结果

通过试验中测得的挠度曲线可以看出,缓粘结预应力筋试验梁在加载过程中,挠度变化平缓,在75 kN以后才有所陡升。且和无粘结筋梁相比各级挠度数据较小,破坏荷载大,而无粘结预应力筋试验梁W-1,同样荷载下各级挠度数值都大于缓粘结梁,在60 kN以后就发生陡升,且卸载后的残余变形是缓粘结梁的1.8倍～2.2倍。

从破坏形态上看,无粘结梁的裂缝条数少,裂缝稀疏,宽度大,而缓粘结梁裂缝条数多,裂缝细小,类似于有粘结梁的破坏形态。

6 结语

通过对缓粘结和无粘结装配的试验梁的挠度、应变、裂缝等试验数据的分析可以看到,缓粘结预应力混凝土结构构件在缓粘结效能发挥作用之后,与无粘结预应力混凝土结构构件的力学性能发生了很大的差异。它所能承担的极限荷载明显高于无粘结预应力试验梁。粘结发挥效能之后的力学性能更趋向于有粘结,优于无粘结构件。

缓粘结预应力技术和材料是一种在预应力筋的张拉前具有无粘结筋的特点,而后期又具有有粘结筋使用效果的新技术,综合了无粘结筋施工便捷和有粘结筋安全可靠的两方面的优点,是预应力技术的新发展。

目前缓粘结预应力的研究还处于初期,其性能参数的试验依据有待于积累更多的实验数据,工艺操作也有待于进一步完善。

[1]施永林,杨建军.预应力混凝土内部锚固区计算[J].山西建筑,2008,34(15):51-52.