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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 预应力钢绞线的测试技术 伍军，张留洪 （新华金属制品股份有限公司，江西新余 338001） 提 要 本文的目的是概述预应力混凝土用钢绞线的主要测试项目、方法和经验，主要涉及到拉伸性能、松弛性能以及锈蚀的判定，对实际操作有一定的指导作用。同时，简要介绍了一些特殊试验的方法。 关键词 低松弛预应力钢绞线，测试，预应力 1 概述 自从上世纪八十年代低松弛预应力钢绞线引入我国后，在生产及应用方面实现了高速发展，推动了我国的现代预应力技术的发展。在此期间，钢绞线试验技术得到了提高和推广，但是实践中仍存在一些测试技术问题。产品标准GB/T 5224引用了GB/T 228，但这个标准并未提供专门的测试技术。就钢绞线的拉伸试验来说，GB/T 228未提供清楚适用的测试方法，未考虑钢绞线的高强度和多丝结构对测试结果的影响。不少人没有意识到，通过计量认证的材料实验室不一定具备测试预应力钢绞线的条件，问题不在于计量控制，而在于测试技术，尤其是夹持技术。 不恰当的测试技术会导致一些问题，在预应力钢绞线的测试中常见如下问题 a） 破断力、延伸率异常低，断在夹具内、标距以外，断口处有明显咬痕并呈45度斜角； b） 破断力异常低，单根断在标距以内，缩颈明显； c） 夹具打滑； d） 屈服力异常低和延伸率偏低； e） 弹性模量的测量结果偏差大； f） 表面锈蚀无法确定能不能使用； g） 松弛率偏高。 如何克服上述测试过程中的问题，本文将从试验原理、试验操作及其操作细节方面给予阐述。同时对一些特殊试验，如偏拉伸试验、拔出试验以及氢脆敏感性试验做简要介绍。 伍军，男，1975.4出生，工学硕士，新华金属制品股份有限公司钢绞线厂生技部经理 2 钢绞线的分类和相关标准 表1中按结构及表面特征对预应力钢绞线做了分类。 表2为常用的产品及测试方法标准，其中GB/T 228标准没有提供针对钢绞线产品特点的测试方法。 表1 预应力钢绞线的分类 分 类 方 式 类 别 按结构 3丝、7丝、19丝 按表面特征 无涂层（含模拔）、镀锌、镀锌铝合金、涂环氧、无粘结 表2 预应力钢绞线常用的产品和测试方法标准 标准类别 中国 美国 国际 产品标准 GB/T 5224-2003 ASTM A416/A416M ISO 6934 拉伸试验方法标准 GB/T 228（存在不足） ASTM A370 A7 ISO 15630-3 松弛试验方法标准 GB/T 10120-1996 ASTM E 328 ISO 15630-3 3 拉伸试验的夹持技术 3.1 为什么需要特殊的拉伸试验夹具 钢绞线是由七根高强钢丝绞合而成，并连续经过被称为“稳定化”的热张拉处理。高强钢丝中沿轴线分布的纤维状组织，使其性能在轴向和径向有明显区别。如果夹具设计后安装得不恰当，会导致局部侧压应力过高，出现剪切断裂，而不是拉伸断裂。实践中发生过许多次因夹具不合适导致异常断裂的情况，这种情况下测试结果会明显偏离实际值。 钢绞线试验夹具除了要保证夹持稳定外，还必须使压力尽量均匀地分布在一定长度内，避免明显的咬伤和因测试技术问题带来的异常断裂方式。 3.2 实践中常用的钢绞线试验夹具 图1 工具锚咬断的钢绞线 锚具 此类夹具有工作锚、工具锚和类似工具锚的试验夹具。工作锚的保证效率是95，用工作锚做测试时结果经常会大幅度地偏离实际值。用质量优良的工具锚做钢绞线试验时，测试效果稍微好一些，但仍很频繁地出现图1所示的断裂方式，强度及延伸数据都会低于实际值。有专门用于钢绞线试验的工具锚，但与具有标准装置的实验室对比时，仍有结果波动幅度加大，易产生图1所示异常断裂的问题。张拉时使用的工具锚的效率系数要求低于95，更不能用于试验。因此ASTM A370的A7部分的A7.3.8条规定了“不推荐使用预制厂张拉绞线用的锚夹具来做拉伸检验。”在绞线上包裹几层铝箔，可以改善用工具锚做测试的结果。 带齿的长夹具 有些钢绞线材料试验机会配备这种夹具，夹具长度在180-240毫米之间。齿高一般不超出一毫米，梯形或菱形，不采取任何措施直接用于测试时，强度值一般不难达到实际值的99。如果齿形较粗大，测试钢绞线时结果只能达到实际值的70-85，离散度也比实际要大很多。使用这种夹持方式做钢绞线试验时，几乎100会出现45斜面断口。 带齿的长夹具，并采取缓冲性措施 ASTM A370的A7部分的A7.3.3条规定了 标准的Ｖ形细齿夹具，使用缓冲材料，夹具和试样间加一些材料减小齿的刻痕效应，可用材料包括铅箔、铝箔、砂布、BRA垫片等。材料的类型和厚度决定于齿的形状、状态和粗糙情况。新华股份根据多年对ASTM A370测试方法的研究，采用长度160mm以上的Ｖ形细齿夹具，配以铝片作为缓冲材料，铝片内侧胶涂金刚砂，增加与绞线的摩擦，使夹紧力与拉力的合力在全长均匀分布。实践证明，测试结果接近实际值的99甚至100。出色的夹持装置使侧压力在出口处最低，往里逐渐增加，夹块随拉伸过程同步跟进顺利，且退出便利。 3.3 一些证实夹具问题的实际数据 以下表3至表4中的数据是15.20mm、1860级的钢绞线在不同实验室采用不同技术进行的测试对比。可以看出夹具的长度对测试结果有非常明显的影响，缓冲材料、牙齿设计细节也起到一定作用。有的实验室采用了有微小角度的非平行夹具，试验效果不错，但很容易磨损导致角度差变化，使测试效果下降。表5是采用45毫米长标准锚具对同一卷钢绞线测试的数据，可见锚具测试的结果离散度很大，标准偏差比出厂数据大3倍，只有个别结果达到标准测试装置的试验结果，说明这种技术不适合测试钢绞线。 表3 不同夹持方式的测试对比（1996年） 编号 检测单位 平均破断 力kN 平均延 伸率 拉伸试验的 夹持方式 60490 n3 新华金属制品有限公司 268.0 5.4 180毫米细齿/垫铝 国家建筑钢材质量监督检验中心 268.2 5.7 140毫米细齿/垫铝 42312/42313 n3 新华金属制品有限公司 267.7 4.9 180毫米细齿/垫铝 国家建科院结构所 267.3 5.6 240毫米细齿/渐增夹紧 96/5 n15 新华金属制品有限公司 267.4 5.3 180毫米细齿/垫铝 东南大学结构室 264.8 3.6 70mm长的工具锚 4 引伸计及伸长率的测试 伸长率取最大力时的伸长值，而不是断裂时的值，更不是断裂后的值。采用引伸计测量伸长率需要注意标准所要求的精度等级。有关分级的标准及标定要求可参考GB/T 12160单轴试验用引伸计的标定和ASTM E83引伸计的检定和分级规范的标准操作。如果采用简易软管测伸长率，需要两人配合，技术掌握得好的时候测量精度可以达到0.2左右。不同的产品标准对标距有不同的要求GB/T 5224要求标距不小于500mm；ASTM A416要求标距不小于610mm。实际上很少人采用这么长的引伸计测定伸长率。早期有机械引伸计，美国有人尝试光学引伸计。因为装卸、读数不便，且易损坏并没有多少人在用。 采用小标距电子引伸计要与位移传感器结合，这种伸长率的测试方法是电子引伸计完成1总伸长时的应力的测试之后，切换到位移传感器采集到达最大力时的位移量，然后根据初始标距及两个传感器的测量数据自动计算出最大力时的延伸率。 表4 中国建筑科学院结构所用新华股份的绞线做的测试对比数据（1996） 夹具类型 夹具长度 试验数量 平均拉力 平均延伸率 绞线专用 240毫米 9 270.06kN 5.98 绞线专用 115毫米 9 268.39kN 5.77 锚具 45毫米 9 266.56kN 4.66 表5 河南漯河-驻马店高速公路的某试验室的测试数据（1999年） 编号 破断力kN 均值 标准偏差 92334-2 255.6 245.0 262.0 260.9 267.8 247.0 256.4 8.17 5 屈服力的测试 屈服力由规定非比例伸长力或规定总伸长力来表示。当前多数检测机构都采用配备微机的材料试验机，能够很容易地测试屈服力。有试验室因操作或技术问题，得出最大力力值正常而屈服力异常低的结果，这往往与引伸计的使用不当有关。没有微机检测设备的材料试验机测Fp0.2是比较麻烦的。GB/T 228-2002中的图解法、逐级加力法可用，但正确绘制力-延伸曲线图十分重要，否则测试结果误差很大。有的产品标准（如国标）虽然要求测Fp0.2，但也可以Ft1代替，美标只要求测Ft1。测Ft1比测Fp0.2简单，即使没有微机检测设备，GB/T 228允许直接读出引伸计显示达到1总伸长时的力。没有引伸计时，还可以用简易软管读出1总伸长时的力，但误差可能会大一些。如果只是想粗略的知道屈服力，可以在加载过程中以指针停滞点位置的力值作为一个估计值。 6 最大力的测试 只要夹具正常，测试最大力不需任何特殊技术。通常可以根据断裂的方式、断口形态及位置对试验效果进行评估。当然断7根是最好的，证明受力均匀，测得的结果完全是7根的真实合力。断1根或6根以下只要确认夹持没问题、断在标距以内，并且是缩颈性断口，试验就是有效的。断在标距以内的非缩颈性断口可能是因为试样表面有原料缺陷，也可能试样在取样时受到机械损伤或热损伤。未全部一起断裂与装夹效果、试样中的残余应力、试样的弯曲有关。如果没有发现明显的材料缺陷，当钢丝断口为缩颈时，最大力值才是准确的。图2是正常的缩颈性断口。 图2 七根断裂缩颈断口 7 弹性模量的测试 所有绞线产品标准都不将弹性模量作为交货条件，但弹性模量对张拉计算是必需的。如果能准确的测量和记录应变及力值，应用图解法或软件计算可以测得绞线的弹性模量。如果引伸计的标定、安装存在问题，测量结果的精确度会不够，另外计算时应避开初始的非直线段，这个阶段存在的原因是绞线存在一个结构完全收紧的过程，即存在着结构变形。 图3引伸计出现跳动时的变形曲线 测量弹性模量应注意以下情况 l 引伸计的精度。应采用不低于GB/T 12160-2002单轴试验用引伸计的标定所要求的一级精度的引伸计，且按其要求进行标定。 l 引伸计的安装。安装引伸计时，引伸计的变形轴线与试样轴线应平行，否则测出的应变值偏小。当引伸计的变形轴线与试样轴线存在大于8的偏差时，用简单的三角函数可计算出位移的相对误差将大于1，超出了GB/T 12160-2002单轴试验用引伸计的标定所要求的一级引伸计的系统误差最大允许偏差1的范围。当然，这时所测得的弹性模量偏差将很大。 l 引伸计刀口打滑。使用磨损和试样非正常断裂易使应变计刀口变钝，拉伸时出现细微打滑，试验员不易发现，导致测量不准。必须经常检查。 l 夹具和试验机机架在加力过程中的振动，会使应变计刀口跳动，将明显改变弹性阶段的应力-应变曲线的直线性（图3），使弹性模量测得值偏差大。 l 最终弹性模量值的计算应采用实测截面积而不是公称截面积，否则偏差较大。实际上，实测截面积是根据实测米重和钢的比重计算的，所以实测米重的准确度直接影响截面积的准确度，进而影响弹性模量的准确度。 l 确定加装引伸计时的初荷大小。如果标准未准确规定的话，应加破断力的10左右。如果软件设计回避了弹性模量的不准确的初始阶段，则不是问题。 l 相对单根的预应力钢丝，预应力绞线的弹性模量更低，弹性模量一般在195GPa10 GPa范围，明显超出时通常是测试问题造成。 8 松弛的测试 松弛试验是在保持恒温和恒应变的情况下，测量应力随着时间的推移的减少值。通常用松弛率R来衡量产品的松弛性能，松弛率的定义是 R[б0-бτ/ б0]100 其中б0为初始应力，бτ为时间τ时的应力。 目前主要有两种类型的松弛试验机一类是杠杆式自动减荷立式松弛试验机，另一类是压力传感器型电子式试验机。试验机最重要的要求是能保证试样的应变基本恒定，美标ASTM E328要求为2.5x10-6mm/mm ，国标GB 10120要求为5x10-6mm/mm。其次两端夹头的同轴度要求为ASTM E328要求两侧弹性应变读数之差小于15；GB 10120要求偏心率不大于15。夹具摩擦过大可使松弛读数出现偏大的假象。与拉伸试验一样，松弛试样的夹持问题，对松弛结果的影响也是非常大的。 试验过程中的关键要求如下 （1）保持温度的恒定标准要求温度控制在202℃，温度越高松弛越大。温度起伏过大时，杠杆式试验机不能回复反映真实应力，如果对试验分析缺乏经验，无法准确判断试验结果。 （2）严格按照程序加载标准的加载程序为在3至5min均匀施加初载，全部初载后1min开始读数。太快或太慢都会明显影响试验结果，这是因为在加载期就有较快的松弛过程。加载过程标准化，测试结果才具有可比性。 （3）试验数据处理产品标准规定了1000h的松弛数据，同时允许用短时间数据推算1000h的松弛数据。不同的标准对短时间规定略有不同，国标GB/T 5224要求是100小时，ASTM A416要求是200h。对于具有丰富经验的生产厂家来说，采用更短试验时间也可以有效地控制松弛性能，通常短时试验推算时区至少从1小时、最好从4h后开始，最短至48h、最好至120h，推算的试验数据样本数不得少于5组。 合理选择推算公式也很重要。现主要有如下两种推算公式，单对数预测值比实际小，双对数预测比实际值大。当两方程都有较好的拟合质量时，建议采用双对数方程。推算时区一般从4小时开始。 单对数法R1a1k1lnT 双对数法lnR2a2k2lnT 其中R为松弛率，T为时间（单位小时），a、k为与试验条件和材料性能有关的常数。 9 外观的鉴定 低松弛钢绞线在生产和运输中要妥善保护，防止损伤和生锈。存放时，一定要在干燥通风的环境下，避免出现严重的锈蚀情况。在产品标准中规定，钢绞线允许有轻微的浮锈，但不得锈蚀成目视可见的锈蚀麻坑。从产品使用角度看，轻微的浮锈有助于绞线与混凝土的结合力，但是严重的锈蚀，甚至出现麻坑，会影响产品性能，使产品变脆。客户通常对生锈的绞线的使用有一定的顾虑，Sason[6]的文章提出的锈蚀分级及图片可以帮助鉴别和处置。Sason的文章中对锈蚀分为六级（见图四），对级别的评判，必要时可以测定局部腐蚀点的深度来评判。对于核电安全壳和斜拉索等重要应用，最多只允许第二种锈蚀。 有锈情况 除锈效果 可 接 受 临界状态 不 可 接 受 图4 钢绞线锈蚀判定图示 10 一些特殊试验方法 偏拉伸试验 这种试验测试钢绞线对侧压应力的敏感性。GB/T 5224阐述了偏拉伸试验的原理和方法，偏拉角度为200.5度。偏拉伸试验中，不能出现任何滑移，对加载速度应符合标准要求，而且试验中绞线应断裂在心轴处。试验后计算偏斜拉伸系数D，常规使用的钢绞线D≤28；用于斜拉索的钢绞线D≤20。 拔出试验 设计中，经常会关心钢筋与混凝土的粘结强度，从而确定基本锚固长度。通常用拔出试验来确定两者之间的粘结强度，拔出试验是以粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时的数据来确定粘结强度。基本锚固长度是一种临界状态，是钢筋达到屈服的同时发生粘结破坏时地状态。在ASTM C234给出了试验方法。这个结果对于先张应力具有重要意义。 氢脆敏感性试验 对于钢绞线的氢脆敏感试验，并没有相应的标准。通常是采用常规的氢脆试验加以改造，这里介绍两种试验方法 方法一FIP给出了一种测定预应力钢材的氢脆开裂的试验将试样在张拉状态下浸入硫氰酸铵溶液中（溶液浓度20，温度501℃，拉力为70-80公称抗拉强度），测定断裂时最小和平均的浸入时间。这种方法可以作为一种筛选的方法，对于没有达到规定的最小断裂时间的钢筋应不使用。对于钢绞线，应对试验装置进行一定的改进。 方法二慢应变速率试验，该方法在很多标准中都有，如ISO 7539-7、GB/T 15970.7以及ASTM G129。它是使暴露到特定环境中的试样承受逐渐增加的应变，按照已知的参数确定其敏感性。光滑试样通常使用的变形速率范围为10-3-10-7s-1。可以通过与惰性环境下的数据进行比较测得氢脆敏感性指数。 参 考 文 献 [1] ISO 6934 预应力混凝土用钢，1991 [2] ASTM A416 预应力混凝土用无涂层七丝钢绞线，2005 [3] ASTM E328 材料和结构的应力松弛试验方法，2002 [4] ASTM A370 钢产品机械性能测试方法和定义，2002 [5] ISO 15630-3 混凝土加强及预应力用钢检验方法第三部分预应力用钢，2002 [6] Sason A.S. uation of Degree of Rusting on Prestressed Concrete Strand. PCI Journal37 ,199225-30