80刘文华-缓粘结预应力钢绞线的试验研究和工程应用.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 缓粘结预应力钢绞线的试验研究和工程应用 刘文华 朱 龙 王树义 （天津港湾工程研究所） （天津钢线钢缆集团有限公司） （天津市恒久预应力材料有限公司） 提 要本文叙述了缓粘结预应力钢绞线用的涂层胶粘剂的力学性能，缓粘结预应力钢绞线的生产工艺和该缓粘结钢绞线在预应力筋张拉作业中的m、k值测定结果及工程应用实例。并得出结论该缓粘结钢绞线可满足预应力工程的要求，是今后预应力筋的发展方向。 关键词缓粘结预应力钢绞线 涂层胶粘剂 力学性能 生产工艺 m、k值 工程结构中的钢筋混凝土和预应力混凝土结构与钢结构相比价廉、节能，且便于制造，在有侵蚀介质的环境中使用，其腐蚀轻、维修费用低，使用寿命长。因此，长期以来钢筋混凝土和预应力混凝土结构被广泛地应用于工业与民用建筑、水利、电力、港口、道路桥梁等工程结构中。 预应力混凝土结构中，采用高强度预应力钢筋可节约钢材、降低工程造价，是近代工程结构发展的趋势。用其制作的工程结构具有强度高、断面小、重量轻、跨度大等特点，对改革当前一些工程结构中的大跨度、高层数、深基重载的建筑结构和一些高压容器等均有较显著的技术经济效益，故长期以来得到国内外工程界的普遍重视，并争相应用。有些预应力混凝土结构，工作于有氯化物或其它腐蚀介质的环境中，如海港码头、海上采油设施和一些化学工程的厂房及污水处理厂中的某些工程结构等，这些结构构件必然会受到较重的腐蚀。多年来对预应力高强度钢材的腐蚀和混凝土的耐久性的研究，一直被工程技术界列为预应力混凝土结构的主要研究课题，以探索预应力钢筋应力腐蚀的因素及规律，寻求较妥善的防护对策。在预应力钢筋应用于腐蚀介质环境中的防护方面，采用过将预应力筋表面镀层或喷涂一些防腐蚀材料涂层的方法，以期达到防腐蚀的效果。 后张无粘结和有粘结预应力筋的张拉作业相比较，减少了预埋管道和灌浆作业。无粘结预应力筋中防腐油脂和护套，可起到一些防腐作用。在无粘结预应力混凝土结构中，一旦锚具锚固失灵，结构的预应力即完全丧失。我国是地震多发地区，强地震发生时，很容易使锚具失效，这使无粘结预应力技术设计者和使用者担心，限制了无粘结预应力技术的应用范围。天津市恒久预应力材料有限公司在多年生产无粘结预应力筋技术的基础上，结合国外产品开发经验的信息，研制了一种先期是流动的（相当于油脂），一定时间后能缓慢凝固的胶粘剂，相当于有粘结预应力筋，同时开发研制出了缓粘结预应力钢绞线生产设备，试制出了缓粘结 刘文华，1939年出生，高级工程师 预应力钢绞线。 缓粘结型的胶粘剂，从配制到固化大约有十几个月，在结构混凝土浇注及预应力钢绞线张拉作业时，涂层胶粘剂尚没有固化，其张拉作业和无粘结预应力钢绞线相同。胶粘剂固化前具有良好的粘结性，一定的流动性和对钢绞线较好的附着性，它和钢绞线结合时，可将钢绞线内的空隙填充并将其紧密地封裹。由于涂层胶粘剂封裹住钢绞线，固化前腐蚀介质很难介入，对钢绞线起到保护作用。胶粘剂在固化过程中，几乎没有体积上的变化，它和预应力钢绞线及外包的聚乙烯套牢固地粘结在一起，阻断了外界腐蚀介质到达预应力钢绞线的道路，起到了对钢绞线的防腐作用。胶粘剂是偏碱性的，对预应力钢绞线的防腐蚀是有益处的。 这种缓粘结预应力钢绞线既有无粘结预应力筋所具有的摩擦系数小，不用预埋管和灌浆作业、施工方便等优点；胶粘剂经过一定时间固化后，由于护套表面压有波纹，使缓粘结预应力钢绞线相当于有粘结预应力筋。 几年来对缓粘结预应力钢绞线所用的胶粘剂，结合其性能要求进行了试验研究。对胶粘剂所用的材料、配比组成和固化时间，胶粘剂对钢绞线的粘附力和固化后的力学性能做了一些试验研究工作，从中筛选出胶粘剂合理的配比，确定出批量生产的制造工艺。胶粘剂现已在天津市恒久预应力材料有限公司批量生产，供一些缓粘结预应力钢绞线的生产厂家应用。天津市第二预应力钢丝有限公司，在无粘结预应力钢绞线生产的基础上，通过改进生产设备和生产工艺，结合工程应用进行了批量生产。江阴华新钢缆有限公司配合试验研究和工程实验，批量生产了缓粘结预应力钢绞线。 1 缓粘结预应力钢绞线涂层胶粘剂材料的实验研究 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涂层材料为胶粘剂。由金属在腐蚀介质中的腐蚀理论知，在应力状态下的预应力钢绞线，若处于中性或碱性介质中，受腐蚀的可能性就较小。由此可知，缓粘结预应力钢绞线所用的胶粘剂，其组成材料应是属于中性或碱性的。目前研制的缓粘结预应力钢绞线胶粘剂，完全符合上述性能要求。 胶粘剂在固化剂的作用下固化，在固化过程中，伴随着固化剂的化学作用，胶粘剂不仅有较好的内聚力，而且和被粘结物表面产生很强的粘结力。胶粘剂在整个固化过程中，不会放出水和其它小分子的化合物，故胶粘剂在固化过程中不产生气泡和内部多孔的缺陷，其收缩率也很低。固化后的胶粘剂是一种坚硬的物质，它无臭、无味，耐碱和大部分溶剂作用良好，对人体、环境无害。其耐热性、绝缘性、硬度和柔韧性均较好。 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温度、湿度等有密切关系，根据使用的要求，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。 1.2 胶粘剂固化后的力学性能 胶粘剂的固化时间、强度和组成胶粘剂材料的品种、掺量有关，也和胶粘剂应用的环境、湿度等有关，根据不同的使用要求，胶粘剂的固化时间和固化后的强度差异，在配制时选用不同成分的配比。胶粘剂固化后的力学性能的测定，参照胶粘剂和港口工程材料的实验方法，将胶粘剂做成水泥胶砂强度测定的试件，测定其抗折强度和抗压强度。在自然条件下固化的试样，其抗折强度和抗压强度的测定结果如表1和表2所示。 表1 缓粘结胶粘剂固化后的抗折强度 试件 编号 试件尺寸（mm） 破坏荷载 （kN） 抗折 强度 （MPa） 试件 编号 试件尺寸（mm） 破坏 荷载 （kN） 抗折 强度 （MPa） l B h l b h Ⅰ-2-1 160 39.5 39.4 15.4 37.7 Ⅱ-1-1 160 39.2 38.9 21.2 53.6 Ⅰ-2-2 160 39.1 39.4 18.8 46.5 Ⅱ-1-2 -- -- -- -- -- Ⅰ-2-3 160 40.7 39.3 16.9 40.3 Ⅱ-1-3 160 39.0 38.5 22.3 57.2 Ⅰ-2-4 160 40.3 39.2 13.4 32.5 Ⅱ-1-4 160 39.0 40.5 12.5 29.3 Ⅰ-2-5 160 40.9 39.5 15.5 36.4 Ⅱ-1-5 160 39.0 39.5 13.7 33.8 Ⅰ-2-6 160 40.5 39.5 17.2 40.8 Ⅱ-1-6 160 39.0 39.8 14.4 35.0 Ⅰ-3-1 160 41.0 39.4 13.7 32.3 Ⅱ-2-1 160 40.0 38.7 10.0 25.0 Ⅰ-3-2 160 41.7 39.1 17.5 41.2 Ⅱ-2-2 160 40.4 38.5 14.0 35.1 Ⅰ-3-3 160 39.6 39.0 15.3 38.1 Ⅱ-2-3 160 41.8 38.5 16.7 40.4 Ⅰ-3-4 160 37.1 38.8 15.3 41.1 Ⅱ-2-4 160 43.5 39.1 12.2 27.5 Ⅰ-3-5 160 35.7 38.8 13.7 38.2 Ⅱ-2-5 160 43.7 39.1 14.5 32.6 Ⅰ-3-6 160 36.7 38.9 17.8 48.1 Ⅱ-2-6 160 44.9 38.6 10.8 24.2 Ⅰ-4-1 160 40.2 39.3 22.5 54.4 Ⅱ-3-1 160 31.7 39.2 11.0 33.9 Ⅰ-4-2 160 40.3 39.2 19.9 48.2 Ⅱ-3-2 160 31.9 38.7 10.0 31.4 Ⅰ-4-3 160 39.6 39.3 21.5 52.7 Ⅱ-3-3 160 32.8 38.5 11.6 34.0 Ⅰ-4-4 160 39.5 39.1 20.1 49.9 Ⅱ-3-4 160 40.1 39.0 12.6 31.0 Ⅰ-4-5 160 39.2 39.2 24.5 61.0 Ⅱ-3-5 160 39.3 39.0 11.7 29.4 Ⅰ-4-6 160 40.0 39.2 16.8 41.0 Ⅱ-3-6 160 40.0 38.8 13.7 34.1 由表1数据，计算出抗折强度的平均值为39.1 MPa。 表2 缓粘结胶粘剂固化后的抗压强度 试件 编号 试件尺寸（mm） 破坏 荷载 （kN） 抗压 强度 （MPa） 试件 编号 试件尺寸（mm） 破坏 荷载 （kN） 抗压 强度 （MPa） l b l b Ⅰ-2-1 62.5 39.5 287 116.3 Ⅱ-1-1 62.5 39.4 258 104.8 Ⅰ-2-2 62.5 39.1 294 120.3 Ⅱ-1-2 -- -- -- -- Ⅰ-2-3 62.5 40.7 290 114.0 Ⅱ-1-3 62.5 39.3 134 54.6 Ⅰ-2-4 62.5 40.3 282 112.0 Ⅱ-1-4 62.5 39.0 274 112.4 Ⅰ-2-5 62.5 40.9 272 106.4 Ⅱ-1-5 62.5 39.0 254 104.2 Ⅰ-2-6 62.5 40.5 273 107.9 Ⅱ-1-6 62.5 39.0 246 100.9 Ⅰ-3-1 62.5 41.0 238 92.9 Ⅱ-2-1 62.5 40.0 175 70.0 Ⅰ-3-2 62.5 41.7 258 99.0 Ⅱ-2-2 62.5 40.4 280 110.9 Ⅰ-3-3 62.5 39.6 246 99.4 Ⅱ-2-3 62.5 41.8 284 108.7 Ⅰ-3-4 62.5 37.1 251 106.1 Ⅱ-2-4 62.5 43.5 227 83.5 Ⅰ-3-5 62.5 35.7 293 131.3 Ⅱ-2-5 62.5 43.7 224 82.0 Ⅰ-3-6 62.5 36.7 293 127.7 Ⅱ-2-6 62.5 44.9 225 80.2 Ⅰ-4-1 62.5 40.2 294 117.0 Ⅱ-3-1 62.5 31.7 200 101.0 Ⅰ-4-2 62.5 40.3 270 107.2 Ⅱ-3-2 62.5 31.9 223 111.9 Ⅰ-4-3 62.5 39.6 295 119.2 Ⅱ-3-3 62.5 32.8 218 106.3 Ⅰ-4-4 62.5 39.5 296 119.9 Ⅱ-3-4 62.5 40.1 241 96.2 Ⅰ-4-5 62.5 39.2 295 120.4 Ⅱ-3-5 62.5 39.3 237 96.5 Ⅰ-4-6 62.5 40.0 293 117.2 Ⅱ-3-6 62.5 40.0 243 97.2 由表2数据，计算出抗压强度的平均值为104.4 Mpa。 2 缓粘结预应力筋的生产工艺 预应力筋采用1860Mpa级的低松弛钢绞线，用挤压涂塑工艺外包聚乙烯外套管，内涂缓粘结预应力筋的胶粘剂，经挤出机成型机后，塑料包裹层一次成型在钢绞线上。 2.1 生产工艺 缓粘结预应力筋生产工艺流程放线 胶粘剂涂敷 挤塑 初冷 压波 水冷 牵引 收线。 当生产光面缓粘结预应力钢绞线时，没有冷却水初冷水槽及压波机 缓粘结预应力筋用的钢绞线应符合GB/T 5224-2003标准规定，胶粘剂涂敷时，将钢绞线在收线盘上固定，通过定位装置将其和胶粘剂涂敷装置的进出口，挤塑机的进出口定位在同一直线上。胶粘剂通过传动机送到涂敷装置中，当钢绞线通过时，胶粘剂将钢绞线均匀地封裹。 缓粘结预应力筋的聚乙烯外套由挤塑机进行包塑。当涂有特种涂料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，在口模外包覆在已涂有特种涂料的钢绞线上，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，立即进入冷却水槽进行初冷，然后经压波机，在塑料护套表面压出波纹，再次进入冷却水槽冷却至常温，使热塑状态套管在冷却水中快速结晶硬化，形成表面有波纹状的缓粘结预应力筋。光面缓粘结预应力筋是从挤塑机口模出来后，立即进入冷却水槽冷却至常温，使热塑状态的套管在冷却水中快速结晶硬化。 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，在本工艺过程中，牵引速度为8～13m/min。收线机协助牵引机工作，并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。 2.2 缓粘结预应力筋摩擦性能的测定 缓粘结预应力筋摩擦性能关系着预应力筋在张拉工艺中摩擦阻力的计算，必须进行认真测定。测定时先是在一块5000 mm2000 mm200mm，强度等级为C40的混凝土板中，分别铺设了2根直线形和3根包角分别为p/6、p/3、和p/2的曲线形的缓粘结预应力筋，利用YC-25型千斤顶和LRB-1型传感器测定k和m值的大小。通过若干次测定，得到k值和m值分别为0.00527和0.122。后来又在一块6000 mm1100 mm300mm，强度等级为C50的混凝土板中，分别铺设了6根直线形和18根弦高400mm，3根弦高为300mm的曲线形的缓粘结预应力筋，通过若干次测定，得到k值和m值分别为0.003和0.2左右。这次实验中，在不同龄期内张拉缓粘结预应力筋，随着时间的延续，k值是有变化的，从15d到60d，k值由0.003变化至0.009，m值无明显变化，仍维持在0.2左右。 3 缓粘结预应力筋在工程上的应用 3.1 天津力神电池有限公司新建厂房，在三层底板采用了Φj15.20，fptk＝1860Mpa的低松弛预应力钢绞线作预应力筋，它布置在Lbh＝7200059300180mm的板中。沿长度方向上，按设计图纸要求采用间隔300mm布置单根长度为62.3m的缓粘结预应力钢绞线。预应力筋的张拉锚固，采用两端对称张拉的工艺方法，在预应力张拉作业中，测定了缓粘结预应力钢绞线的摩阻系数m的值。预应力筋张拉施工完成后，测定了板的起拱情况，通过与设计计算相比较，测定结果与设计计算相吻合。此工程由机械部第五设计院设计，天津市建筑科学研究院负责施工。 3.2 山西阳高污水处理厂的1＃和2＃沉淀池氧化沟池壁中，采用由Φj15.20，fptk＝1860Mpa的低松弛预应力钢绞线做成的缓粘结预应力筋。两池外半径均为25915mm，池高4800mm，壁厚250mm，每座池壁内沿其高度每隔150～200mm铺设一道由4根长度为43.30m的缓粘结预应力钢绞线组成的预应力筋锚固在沿圆周间隔90的8个锚固肋上。预应力筋张拉作业，采用同一道四根缓粘结预应力钢绞线同步张拉，每根预应力筋两端张拉的工艺施工。在预应力张拉作业中，选出几根预应力筋测定其摩阻系数m值的大小均在0.2左右。1＃和2＃沉淀池氧化沟池壁中，的168根缓粘结预应力筋，在张拉锚固作业中，其实测张拉伸长值均在253～278mm，与理论计算伸长值265.6mm相比较，其差值与理论计算伸长值的比均在－4.7％～＋4.7,符合有关技术标准6％的要求。此工程由华北市政工程设计院设计，西北预应力施工公司施工。 3.3 常州富都商贸酒店公寓工程中，采用预应力技术控制温度裂缝，在工程的第十六层中，用Φj15.24，fptk＝1860Mpa的低松弛预应力钢绞线做成的缓粘结预应力筋，其长度分别为33.1m、27.6m和19.2m，采用直线布置，两端翘起在板面上张拉锚固。整个工程中，共用9根缓粘结预应力钢绞线做预应力筋，控制板的裂缝，9根缓粘结预应力筋张拉锚固作业效果均良好。此工程由东南大学预应力公司设计施工。 4 结语 4.1 缓粘结预应力钢绞线所用的胶粘剂，从其配比组成、固化机理都是可行的。胶粘剂固化后的力学性能，完全可以满足当前预应力混凝土结构的要求。 4.2 缓粘结预应力筋的主筋是技术成熟的预应力钢绞线，其生产工艺基本上是从无粘结预应力钢绞线生产设备演化过来的，进行批量生产是可行的。 4.3 由于胶粘剂的工作粘度较大，它对钢绞线的粘附力也较大，则缓粘结预应力筋的摩擦系数k、m值的测定结果比无粘结钢绞线稍大。 4.4 缓粘结预应力钢绞线所用的胶粘剂，从其制备到完全固化有一段时间，在工程应用中，可按不同的工程要求，提供固化时间不同的涂料。