23宋玉普-缓粘结部分预应力混凝土梁的试验研究.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 缓粘结部分预应力混凝土梁的试验研究 宋玉普，张建玲，董梁 （大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连 116024） 提要 通过自行研制，配制出满足后张法有粘结预应力混凝土的缓凝砂浆，其初凝时间可达到15天、 28天抗压强度达到35MPa以上，试验得到了缓凝时间和养护温度之间的关系，并探讨了缓凝机理。通过手工方式制成了缓粘结预应力钢筋，通过对试验数据的分析，得到缓粘结预应力筋的静张拉摩阻力、偏差系数κ和摩擦系数μ，并完成了缓粘结部分预应力混凝土梁的浇筑。通过对13根缓粘结部分预应力混凝土梁等幅疲劳荷载作用下的试验研究，得出了部分预应力混凝土梁的疲劳破坏始于非预应力钢筋的疲劳断裂的结论，并得到了钢筋和混凝土的应变和梁跨中截面挠度随重复荷载循环次数的增加而增长的规律。并与同条件下通过灌浆完成的部分预应力混凝土梁的疲劳试验结果进行对比。 关键词 缓凝砂浆；缓粘结预应力筋； 部分预应力混凝土 1 引言 预应力混凝土的出现，是混凝土技术的一次飞跃。根据施工工艺的不同，预应力混凝土分为先张法和后张法两种。在后张法中，按预应力筋与周围混凝土是否有粘结，又可分为无粘结预应力混凝土和有粘结预应力混凝土两种。在后张无粘结预应力体系中，预应力筋具有布置灵活方便，施工工艺简便等优点。但由于预应力筋自由滑移，使应变沿全长几乎处处相等，易造成预应力筋和锚具的疲劳，还存在受拉区混凝土裂缝数量少，裂缝宽度大，钢筋易锈蚀，结构强度利用率低等缺点。后张有粘结预应力体系克服了无粘结预应力体系在工作中表现出来的缺点，但存在预留孔道对结构截面削弱大，需要预留孔道、压孔灌浆等繁琐而复杂的施工程序，且施工质量难以保证，常给结构的安全带来一些隐患。这两种预应力体系既有各自的优点，也有自身难以克服的缺点。缓粘结预应力把二者结合起来，扬长避短，实现了施工简便，结构安全可靠的统一。 2 缓凝砂浆的试验研究 缓粘结预应力混凝土是近二十年来出现的一种新型的预应力体系，其核心问题是包裹在预应力钢筋周围的缓凝材料，因此缓凝材料是缓粘结预应力体系能否实现的关键所在。 宋玉普，男，1944.10出生，工学博士，教授 目前国内外用于包裹预应力筋的缓凝材料有缓凝砂浆和缓凝涂料两种。缓凝涂料是一种树脂涂料，呈中性或碱性。缓凝砂浆是一种通过化学外加剂使水泥达到缓凝、长期保持塑性的水泥砂浆。缓凝砂浆不仅能满足缓粘结预应力体系的要求，还具有良好的耐久性、耐火性，以及取材容易、经济方便等优点。此外，缓凝砂浆与混凝土取材相似，因此有着几乎相同的温度膨胀系数和变形模量。因此，缓凝砂浆的问世，受到了工程界的高度关注。 2.1试验材料 本次缓凝砂浆试验采用大连市小野田水泥厂生产的华日牌52.5R普通硅酸盐水泥；厦门艾思欧标准砂有限公司出品的中国ISO标准砂；实验室用自来水；自行配制的复合缓凝剂，以及塑料波纹管，其内径比钢绞线公称直径大8mm-12mm。 2.2试验结果与分析 经过反复试配和大量的正交试验，得到了满足后张法有粘结预应力混凝土的缓凝砂浆，初凝时间可达到15天、 28天抗压强度达到35MPa以上。试验结果表明，缓凝砂浆的凝结硬化时间并不是随着复合缓凝剂掺量的增加而单调的延长。复合缓凝剂掺量过少，缓凝时间达不到混凝土具有75设计强度的时间，不能满足施工的要求；掺量过大，往往达不到进一步缓凝的目的，有时反而会缩短凝结时间，甚至出现促凝现象；在某些情况下，还可能导致砂浆的体积安定性不好，强度降低，甚至长期酥松不硬，毫无强度。 因此存在一个最优掺量，使得缓凝效果最好。 缓凝砂浆的缓凝时间不仅取决于复合缓凝剂的掺量，还与水泥凝结硬化前的平均养护温度有关。试验表明，缓凝砂浆的凝结时间随着平均温度的升高而缩短，而混凝土随着平均温度的升高，凝结时间缩短、早期强度提高。由此可见，对于缓粘结预应力体系，缓凝砂浆与其周围混凝土的凝结时间随着平均温度的变化情况是一致的，有利于缓粘结预应力筋的张拉。兰州铁道学院的王起才等人通过自行研制，开发出一种满足缓粘结预应力体系的超缓凝砂浆，超缓凝砂浆随着平均温度的升高，缓凝时间延长。由此可见，随着温度的变化，超缓凝砂浆的凝结规律与混凝土的凝结规律是相反的。因此，兰州铁道学院的王起才等人研制的缓凝剂更适应于高温环境中，而复合缓凝剂能适应气候的变化，便于在不同的温度环境中施工，应用领域更为广阔，市场潜力巨大，所带来的经济效益显著，具有良好的发展前景。 2.3缓凝机理的探讨 缓凝剂的作用机理十分复杂，至今尚未形成统一完美的解释理论。目前缓凝剂对水泥的作用机理一般可以归纳为四种假说吸附假说、络盐假说、沉淀假说和生成核抑制假说。这四种假说不是以同一类缓凝化合物作为研究对象。缓凝剂的种类不同，其作用机理存在很大差异。由于复合缓凝剂是几种化合物的复合，因此其缓凝机理更为复杂。 缓凝剂作用的实质是在水胶体系的水化过程中起到屏蔽的作用，达到延缓或阻止水化的目的。缓凝剂必须能阻止或延缓C3S和C3A的反应速度，尤其是C3S的反应速度，从而延缓水泥水化反映的诱导期（硅酸盐水泥水化过程按水化放热率一般分为五个阶段，即诱导前期、诱导期、加速期、减速期和稳定期），即延长水泥的初凝时间；或者通过吸附等作用阻止或延缓水泥水化产物相互吸附凝聚成连续网状的絮凝结构，从而延长了水泥浆体凝聚结构存在时间以及向结晶结构转化的时间。直到复合缓凝剂耗尽的时候，才能使反应正常进行，使缓凝砂浆凝结硬化而具有强度。 2.4缓粘结预应力筋张拉摩阻性能的试验研究 通过手工制成了52根缓粘结预应力筋（每根长约3.4m），完成缓粘结部分预应力混凝土梁24根，布筋形式既有直线布筋也有曲线布筋。主要研究了缓凝时间为15天，缓粘砂浆在第11天时，张拉预应力钢筋所需要克服的摩阻力。根据油泵和缓粘结预应力筋不同位置贴的应变片的读数变化，得出缓粘结预应力筋张拉时的静摩阻力、偏差系数κ和摩擦系数μ。 通过试验分析，可以得出以下结论 （1）摩阻力与缓凝砂浆的缓凝程度有关，随着缓凝时间的增加而增加。当缓凝砂浆终凝以后，即使钢绞线被拉断，也不能破坏与缓凝砂浆之间的粘结。 （2）静摩阻力大于动摩阻力。静摩阻力等于钢绞线刚刚被拉动时的张拉力，即，得到单位面积的静摩阻力为0.0700.164 MPa。 （3）通过被张拉钢绞线上不同截面处应变片的读数变化，可以计算出该截面预应力的摩擦损失， 即，其中为张拉端应变片的读数，为钢绞线上任意一点应变片的读数。根据，可得到直线布筋的孔道单位长度的偏差系数κ0.0344，进而可以得到曲线布筋的摩擦系数μ0.1719。 3 缓粘结预应力混凝土梁试验研究 目前，国内外对缓粘结预应力混凝土的研究主要停留在缓粘结筋的试验研究，以及少量的缓粘结预应力混凝土梁的静力试验研究，而对于缓粘结预应力混凝土疲劳性能的研究尚未见到报道。因此本文结合纵向课题“混合配筋部分预应力混凝土梁正截面疲劳性能研究”（20020141026），利用新技术，进行了缓粘结部分预应力混凝土梁等幅疲劳性能的试验研究，并与之进行对比。 3.1试验概况 根据预应力度的不同，将13根缓粘结部分预应力混凝土试验梁分为3组，每组试验梁采用相同的配筋和预应力度。每组试验梁中有一根用于静载试验，其他试验梁进行疲劳试验。每组疲劳试验中只改变梁的最大疲劳荷载，最小疲劳荷载不变。三组试件的外形尺寸、加载装置以及配筋情况详见图1、图2和表1，其中L2和L3组试验梁中钢绞线曲线配置的形式见图3。试验在大连理工大学结构实验室的1000kN MTS-810NEW电液伺服万能疲劳试验机上进行。 L2梁跨中、支座截面 L3梁跨中、支座截面 L1梁跨中、支座截面 图1 试件设计 图2 试件外形尺寸及加载简图 图3 曲线布筋图 试验梁混凝土强度和弹性模量见表2和表3,普通受力钢筋采用HRB400级钢筋，预应力钢筋采用1860级的7股钢绞线，箍筋和架力筋均采用HPB235级光圆钢筋，直径为8mm。其中箍筋间距在纯弯段内为200mm，其他区段为100mm。L1组和L2组试验梁张拉控制应力σcon取为0.75fptk，即为1395MPa。混凝土应变片布置在试验梁跨中上翼缘表面，钢筋应变片分别布置在加载点以及跨中截面处的普通钢筋和预应力钢绞线相应的位置上。L3组试验梁张拉控制应力σcon取为0.70fptk，即为1302MPa。 表1 试验梁的详细配筋情况和加载情况 梁 组号 根 数 配筋情况 说明 钢绞线 HRB400 PPR L1 4 1根 2Ф16 0.558 直线配置钢绞线 L2 4 3根 3Ф14 0.663 中间一根钢绞线为曲线配置 L3 4 2根1根 2Ф14 0.771 注1）PPR为预应力比率，PPR Mp/Mu Mp Apfpyhp-x/2，Mu Apfpyhp-x/2Asfyhs-x/2 2）曲线布筋的代数方程为y0.00019x2-0.45833x345 表2 静载试验结果 梁 编号 MPa MPa MPa 104MPa 极限弯矩（kN.m） 破坏形式 L1-7 43.07 61.42 3.76 3.878 145.0 146.17 弯曲破坏，纯弯段内钢筋屈服或混凝土被压溃 L2-4 50.49 60.36 3.49 3.788 256.0 240.41 L3-5 54.46 59.85 3.88 3.971 240.0 236.45 注和分别代表极限弯矩的试验值和设计值 表3 等幅疲劳试验结果 梁 编号 MPa MPa MPa 104MPa kN.m 万次 破坏形式 L1-2 55.10 64.36 3.67 4.161 0.40 27.75 171.1 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L1-3 43.07 61.42 3.76 3.878 0.35 40.25 300.0↑ 静力弯曲，受压区混凝土被压溃 L1-4 43.07 61.42 3.76 3.878 0.60 41.50 17.8 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L1-6 55.10 64.36 3.67 4.161 0.50 33.00 28.5 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L2-1 50.49 60.36 3.49 3.788 0.60 57.50 18.0 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L2-2 50.49 60.36 3.49 3.788 0.50 52.50 72.3 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L2-3 50.49 60.36 3.49 3.788 0.40 55.00 231.5 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L3-1 54.46 59.85 3.88 3.971 0.40 53.50 98.0 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L3-4 54.46 59.85 3.88 3.971 0.60 60.00 38.5 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 L3-6 54.46 59.85 3.88 3.971 0.50 47.50 66.2 疲劳弯曲，普通钢筋疲劳断裂 图4 梁L3-6受压区边缘混凝土、非预应力钢筋和跨中截面挠度在等幅疲劳荷载作用下的发展曲线 注300.0↑表示经历300万次的疲劳荷载作用，试验梁没有发生疲劳破坏 3.2试验结果及分析 13根缓粘结部分预应力混凝土梁的静载和疲劳荷载作用下的试验结果列于表2和表3。试验结果可以看出预应力比率PPR介于L1和L3之间的L2组梁，相应各组试验的疲劳寿命最高。也就是说对于允许开裂的部分预应力混凝土构件来说，并不是预应力比率PPR越大越好，因为过大的预应力比率将会导致如同脆性材料制造的构件那样，裂缝与破坏相继发生。理论上存在着一个最优的预应力比率PPR，使得开裂后的混合配筋部分预应力混凝土构件的疲劳性能最优。 试验结果表明，缓粘结部分预应力混凝土梁的静载破坏始于受拉钢筋的屈服，然后加载点内侧混凝土被压溃；疲劳破坏始于非预应力钢筋的疲劳断裂，疲劳断裂发生在纯弯段内某条主裂缝所在的截面处。在破坏形式上，缓粘结部分预应力混凝土梁与传统通过灌浆浇筑的后张有粘结部分预应力混凝土梁的破坏形态没有明显差异，梁的破坏都是始于非预应力钢筋的疲劳断裂。由此可见，部分预应力混凝土梁的疲劳寿命主要取决于非预应力受拉钢筋的疲劳寿命。 部分预应力混凝土梁的疲劳破坏始于非预应力钢筋的疲劳断裂。对于非预应力钢筋配置在预应力钢筋下部的试验梁，主要是因为非预应力钢筋更靠近受拉边缘，荷载作用下相应的应变更大；对于预应力钢筋和非预应力钢筋配置在同一有效高度上的试验梁，非预应力钢筋首先发生疲劳断裂的原因主要有以下两点预应力和非预应力钢筋的外形不同，表面特征不同，它们与混凝土之间的粘结性能不同。表面比较光滑的预应力钢筋与混凝土之间的粘结性能相对较差，裂缝截面处，钢筋内应力集中较小；表面相对比较粗糙且带横肋的非预应力钢筋，与混凝土之间的粘结性能较好，相比之下，裂缝截面处，应力集中相对较大，因此，非预应力钢筋更容易发生疲劳断裂。预应力和非预应力钢筋的屈服强度不同。预应力钢筋屈服强度远远超过非预应力钢筋的屈服强度，即使扣除有效预应力以外的强度也远大于非预应力钢筋的强度，因此，在疲劳荷载作用下，非预应力钢筋更容易发生疲劳破坏。 对于梁L1-3，经300万次疲劳荷载的重复作用仍没有破坏，之后进行静载压坏，得到梁L1-3的剩余静承载力为181.0 kNm，要高于未经疲劳荷载作用的试验梁L1-7的静承载力145.0 kNm。除了试件本身的差异性和离散性，也说明经历疲劳荷载作用后，构件的极限静载强度几乎没有降低，甚至有所提高，这与已有的研究结果相符。 试验结果表明，受压区边缘混凝土的应变、纵向钢筋以及梁跨中截面挠度随疲劳荷载重复次数的增加基本符合“三阶段”的发展规律。图4给出梁L3-6受压区边缘混凝土、非预应力钢筋和跨中截面挠度在等幅疲劳荷载作用下的发展曲线。 通过疲劳寿命的对比可以得出，取相同的疲劳荷载水平，即疲劳荷载上限均取0.5或0.35，下限均取0.05，缓粘结部分预应力混凝土梁与传统通过灌浆浇筑的后张法有粘结部分预应力混凝土梁相比，疲劳寿命较高。另外，试验发现缓粘结预应力混凝土梁的裂缝分布较均匀，裂缝宽度较小，挠度较小。这是因为与净浆相比，缓凝砂浆具有强度高，收缩小，与预应力钢筋粘结咬合力高等优点，另外，施工工艺的优越性也使得缓粘结预应力混凝土能更好的同周围的混凝土协调变形，有效的阻值裂缝的出现和发展，减缓材料以及构件变形的增长，从而延长疲劳寿命。 4 结论与展望 1配制出能满足缓粘结预应力体系要求的缓凝砂浆，缓凝时间可达15天，而且28天抗压强度超过35Mpa。缓凝砂浆随着周围温度的升高，缓凝时间缩短。并解释了缓凝机理。摩阻力与缓凝砂浆的缓凝程度有关，随着缓凝时间的增加而增加。静摩阻力大于动摩阻力，得到缓粘结预应力筋张拉时单位面积的静摩阻力以及偏差系数κ和摩擦系数μ。 2 对于允许开裂的部分预应力混凝土构件来说，并不是预应力比率PPR越大越好，理论上存在着一个最优的预应力比率PPR，使得开裂后的混合配筋部分预应力混凝土构件的疲劳性能最优。 3 部分预应力混凝土梁的寿命主要取决于非预应力受拉钢筋的疲劳寿命。经历疲劳荷载作用后，构件的极限静载强度几乎没有降低，甚至有所提高。 4 受压区边缘混凝土和非预应力钢筋的应变，跨中截面挠度在等幅疲劳荷载作用下，随着疲劳荷载重复次数的增加基本符合“三阶段”的发展规律。 5 通过对比发现，缓粘结部分预应力混凝土梁与通过灌浆制成的后张法有粘结部分预应力混凝土梁相比，疲劳寿命较高，裂缝分布较均匀，裂缝宽度较小。 缓粘结预应力混凝土是最近出现并迅速发展起来的一种新型预应力体系，但是，其许多特性现在尚处于试验阶段，有待于进一步完善。另外，手工制作的缓粘结预应力筋很难大批量应用于实际工程，以及缓凝时间不能根据实际情况随意控制，这些也是缓粘结预应力混凝土不能广泛应用的重要原因。缓粘结预应力筋与无粘结预应力筋在制作工艺上基本接近，因此可以机械化成批生产，这样既能被实际工程广泛应用，又能降低成本，节省人力，提高效率，保证质量。这对于推动预应力混凝土技术的发展，保障结构安全可靠，有着积极的意义。 参考文献 [1] JGJ70-90建筑砂浆基本性能试验方法 [2] GB 50119-2003混凝土外加剂应用技术规范 [3] GB 50010-2002.混凝土结构设计规范[S]. 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