缓粘结预应力研究综述
0 引言
作为20世纪20年代诞生的新型结构形式, 预应力混凝土比普通钢筋混凝土更能充分地发挥材料性能, 提高构件的抗裂性和结构刚度, 自重更小且耐久性更佳, 现已成为当今世界上最常用的土木工程结构形式之一
由于目前的施工技术并不能保证灌浆完全密实且检测手段有限, 后张有粘结预应力混凝土的施工质量很难把控。英国对20世纪50~80年代的后张预应力混凝土桥进行调查, 发现超过80%的后张有粘结预应力桥存在明显灌浆孔洞, 且1967~1992年英国和比利时有3座后张预应力混凝土桥因灌浆问题而导致预应力钢束锈蚀发生了突然破坏。近年来, 在国内拆截桥梁的过程中也同样发现了大量灌浆孔洞及因此而产生的预应力筋锈蚀现象 (图1) 。对此, 国内外就改善施工工艺及寻找替代的结构体系展开了许多相关研究。
在发生英国桥梁事故的背景下, 日本于20世纪80年代参考美国采用环氧树脂涂覆索表面的技术, 开发了ECF (epoxy coated&filled) 钢绞线
我国最早的缓粘结预应力研究始于20世纪90年代初。与日本不相同的是, “缓粘结” (retard-bonded) 这一概念是我国提出的, 而日本则将这一技术称为“预灌浆” (pre-grouted) 。虽然两国学者分别从受力性能和制作工艺这两个角度命名这一新技术, 但其主要的本质理念相同。现在我国对缓粘结预应力已有近30年的研究历史, 在缓粘结预应力体系的材料、力学性能和施工工艺等各个方面均有相应的成果。日趋成熟的缓粘结预应力技术也逐渐被行业认可, 目前针对这一新型结构出台了相应规范
1 缓粘结材料
缓粘结预应力能够同时发挥无粘结与有粘结预应力优点主要是凭借其独特的缓粘结材料实现的, 故缓粘结材料是这一新型预应力体系发挥作用的核心, 如何研发制备出合适的缓粘结材料一直是缓粘结预应力的热点问题。
目前缓粘结预应力体系中用于钢束和护套之间的缓粘结材料有缓凝砂浆和环氧树脂两种, 前者为水泥基材料, 后者为环氧基材料。国内早期的研究主要是围绕缓凝砂浆, 而现在环氧树脂的相关研究及实际工程应用也有所增加。缓粘结材料的主要研究集中在使用性能及力学性能方面。
1.1 缓凝砂浆
我国缓凝砂浆的研究起步相对较早, 较环氧树脂早10年应用于实际工程中, 其最早应用在1994年上海成都路的部分高架桥中
缓凝砂浆的固结时间及强度增长有很强的温度敏感性, 其主要施工性能的优劣及后期力学性能发挥的程度直接与温度相关。王起才等
虽然缓凝砂浆较早应用于缓粘结预应力中, 但其固结时间较短, 当温度低于20℃时可能会在30d内发生固结, 即预应力张拉之前便会与混凝土粘结住, 从而对张拉预应力造成较大损失。故期望通过调整配比来延缓其固结时间, 从而延长施工适用期。较多学者曾尝试用焦磷酸钠、柠檬酸、酒石酸等不同的材料作缓凝剂
现有试验表明以缓凝砂浆为缓粘结材料制成的缓粘结预应力筋可以基本满足预应力体系的要求, 但是缓凝砂浆的固结时间不利于存储和施工调配。故批量生产难度高, 难以实现工厂化生产, 一般是在现场边配制边制作。并且由于缓凝砂浆自身强度和现有制备工艺的限制, 所需外包预应力钢铰线的缓凝砂浆厚度比较大, 因此对混凝土截面有较大削弱。鉴于以上两个弊端, 缓凝砂浆在运输、搬运和铺设等施工过程中存在着许多不便, 影响了其在实际工程中的推广应用。
1.2 环氧树脂
日本在20世纪80年代便采用环氧树脂作为缓粘结材料, 首次于1988年试验性地应用于京阪神房地产署町大厦中
我国最早在2004年的天津力神锂离子电池扩建工程的混凝土框架中应用了环氧树脂
以环氧树脂为主的缓粘结材料是将提供主要胶粘性能的环氧树脂配以调整粘度的稀释剂、控制固化周期的固化剂、填料和其他改性材料
环氧树脂的固结及强度发挥也具有温度的敏感性, 但与混凝土砂浆的表现不同。范蕴蕴等
前面研究表明环氧树脂缓粘结材料的材性变化与固化时间相关, 主要受力性能与其固结程度直接相关, 即需要通过一个客观指标来评价其固结程度。王占飞等
由于混凝土硬化过程及环氧树脂固结反应中均会产热, 且温度上升会加速固化, 所以不同外部环境和混凝土内部情况对固化剂的掺量有不同的要求。这无疑对设计、施工和管理造成了不小的麻烦, 故日本在原本热硬化型环氧树脂的研究基础上, 开发了对温度敏感性较低的湿气硬化型环氧树脂
2 粘结性能
缓粘结预应力钢筋主体承力部分为内部的钢绞线, 其与外部混凝土的相互作用通过护套和缓粘结材料达成。为提升外部护套与混凝土部分的粘结性能, 在缓粘结预应力筋的生产过程中, 一般会在包覆护套后于护套的外壁轧制横肋以增强机械咬合力
2.1 粘结滑移
目前, 现有的粘结滑移研究大多采用拉拔试验 (图6) , 以较直观的方法来测量缓粘结筋在轴向拉力作用下相对混凝土的滑移。并且, 日本土木学会所著的以环氧树脂作为包覆和充填材料的预应力筋相应设计施工指南
国内对缓粘结预应力筋的粘结性能研究结果
于本田
以上对缓粘结预应力筋粘结滑移的研究及指南规范中测量的粘结滑移均是内部钢绞线相对混凝土的粘结滑移 (即将材料变形和3个界面滑移合并在一起考虑) , 并均只采用传统的拉拔试验, 其不足之处有以下几点:1) 无法针对缓粘结预应力筋这种多材料组合筋材的粘结滑移进行分项考虑, 未得到普适的缓粘结预应力筋粘结滑移的本构关系, 无法用数值的方法进行模拟, 可以从各材料及材料界面的强度展开体系化的研究;2) 未得到缓粘结预应力筋在混凝土中沿筋长度方向的粘结应力分布情况, 由于缓粘结预应力筋有相对较柔的传力层 (护套和缓粘材料) , 已有的钢绞线或普通钢筋的粘结应力分布形式不能直接适用于缓粘结预应力筋, 实际的锚固设计要求也可能会有所改变;3) 以上的粘结滑移性能试验均是筋材在未受到侧向力作用状态下的粘结, 而实际中梁内会有剪力, 缓粘结预应力筋的受力情况与试验情况不符, 需要补充类似梁式试验进行进一步验证。
2.2 破坏形式及粘结性能影响因素
缓粘结预应力筋本身是一种多相介质组成的复合筋材, 其与混凝土传力相互作用可能产生的破坏形式具有一定的复杂性。混凝土、护套、缓粘结材料及钢绞线这4种材料及3个材料界面均有可能发生单独的破坏 (图7) , 并且还可能会同时出现两者及以上单独破坏形式组成的复合破坏形式。目前尚且没有缓粘结筋粘结破坏形式的系统研究, 筋材与混凝土之间的传力机制不明确, 故也尚未有行业公认的缓粘结筋的构造尺寸。
目前对影响缓粘结筋粘结性能因素的系统性研究较少, 现有的研究仅单独考虑了混凝土强度、护套形状和缓粘结材料固化程度的影响, 且试验的样本数量较少, 选择参数范围较窄, 普适性不足。由于缓粘结筋的外护套做成带横肋的形式, 内部的缓粘结材料与植筋胶相类似, 且主体的受力部分为钢绞线, 所以缓粘结筋粘结性能的研究可以参考普通钢筋
3 缓粘结预应力构件试验
缓粘结预应力在施工的前后分别具有无粘结预应力与有粘结预应力的特点, 故目前缓粘结预应力构件试验主要是围绕缓粘结预应力构件的施工性能和缓粘结材料完全固结后构件所表现出的力学性能这两方面展开的。
3.1 施工性能
缓粘结材料在初生产时会具有一定的粘性, 随着反应的进行, 其粘度会逐渐下降, 并开始慢慢固结, 最终会达到完全结硬的状态。其整个结硬过程的粘度和硬度的变化情况如图8所示。在完全结硬前一段时间为适合张拉期, 此时缓粘结材料尚未出现明显的硬度, 也不会产生较大粘结阻力从而造成预应力损失, 且该段时期缓粘结材料的触变性较好, 受扰动后对后期结硬产生的强度影响较小。在施工性能上, 期望缓粘结预应力能够像后张预应力一样方便在施工现场张拉且具有较小的预应力损失。国内已有较多的学者对缓粘结筋的摩擦损失问题展开了研究, 并给出了相应的摩擦系数参考值。
张建玲
李金根等
表1 摩擦系数建议值
![表1 摩擦系数建议值[34]](/User/GetImg.ashx?f=JZJG/4689//JCJG201808017_32500.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzU3EydDRNellHaFAvMjZtTnp1U21hdzFKZUpmMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
吴转琴等
由于缓粘结材料在张拉时存在一定的粘度, 会在预应力筋张拉时产生粘滞力阻碍钢绞线的滑动, 造成预应力的损失。尚仁杰等

式中:λ为粘滞力, k N/m;t为温度, ℃。
尚仁杰等
兰春光和孙丽等
由于目前缓凝砂浆暂未实现产业化, 国内尚未有缓粘结钢棒的相关研究和制作, 现有的国内标准
表2 摩擦系数
![表2 摩擦系数[23]](/User/GetImg.ashx?f=JZJG/4689//JCJG201808017_33400.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzU3EydDRNellHaFAvMjZtTnp1U21hdzFKZUpmMD0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
3.2 静力性能
目前国内对缓粘结预应力构件静力性能的研究均是对梁构件展开的。由于缓粘结材料固结后能否同后张有粘结预应力灌浆材料一样发挥同样甚至更优的力学性能是一大关注热点, 故大多数的试验均将缓粘结预应力混凝土梁的受力性能与后张有粘结预应力混凝土梁进行对比。多数的缓粘结预应力梁静力试验结果表明, 其极限承载力、刚度及裂缝控制等静力性能不输于甚至更优于后张有粘结预应力梁。
3.2.1 以缓凝砂浆为缓粘结材料的构件试验
王起才等
张建玲等
周先雁等
曹国辉等
3.2.2 以环氧树脂为缓粘结材料的构件试验
尚仁杰等
李金根等
付强等
同济大学预应力研究所现已完成了3根缓粘结预应力混凝土梁和1根有粘结预应力混凝土对比梁的静力受弯性能试验。试验结果表明, 缓粘结预应力混凝土梁在静力荷载下的受弯过程呈现出与有粘结预应力混凝土梁相似的3个阶段;且缓粘结预应力混凝土梁的抗裂性能和极限承载力与有粘结预应力混凝土梁相近, 甚至略优于后者。从裂缝条数和间距来看, 缓粘结预应力混凝土梁比有粘结预应力混凝土梁的裂缝条数更多, 间距更小, 说明缓粘结预应力混凝土梁具有良好的使用性能。从缓粘结筋端部的索力传感器监测数据得到, 梁端索力随荷载变化很小, 证明缓粘结材料的粘结性能较好。
3.3 疲劳性能
目前我国对缓粘结预应力混凝土构件疲劳性能的研究较少, 对其了解还不充分。对其疲劳性能的研究会有助于将缓粘结预应力这一具有高防腐性能的预应力形式推广至我国的桥梁结构中, 故相关研究具有一定的价值。
现仅有张建玲
同济大学预应力研究所现正在进行以环氧树脂为缓粘结材料的缓粘结预应力混凝土梁疲劳试验, 目前已完成1根梁的试验。试验结果同已有的有粘结预应力混凝土梁的试验结果相同, 疲劳加载过程呈现出明显的3个阶段, 并且疲劳破坏始于普通钢筋疲劳断裂。故期望提出同时适用于缓粘结和有粘结预应力混凝土梁的损伤程度和剩余寿命判定方法。
4发展趋势展望
虽然缓粘结预应力技术在我国的研究已近30年, 但在实际工程中的应用还较少, 目前依旧处于探索、发展阶段。以下研究方面可供参考:
(1) 目前我国使用的缓粘结材料主要是热硬化型环氧树脂, 其固化时间受温度影响较大。可考虑研发湿气硬化型环氧树脂等受环境影响较小的粘结材料, 或其他可通过外部激励受人为控制粘结性能的材料。
(2) 我国还尚未有统一的缓粘结预应力筋具体规格尺寸, 其护套、粘结材料和钢绞线三合一整体的规格要求也尚不明确。系统地对缓粘结预应力钢绞线和预应力钢棒进行规格材料的研究, 探究这种复合筋材的适合构造和配比, 有益于缓粘结预应力的深化研究和进一步的应用。
(3) 目前尚未有对缓粘结预应力构件在灾害下的力学性能的研究。作为缓粘结材料的环氧树脂及外护套都具有可燃性, 且在高温下会发生软化。火灾和高温情况下, 缓粘结预应力构件的安全性问题可能会较为突出。
(4) 国内对缓粘结预应力构件的疲劳性能研究不足, 对于经常承受动载的预应力构件, 其疲劳性能尤为重要, 然而目前对于缓粘结预应力构件疲劳的研究很少, 尤其是对以环氧树脂为缓粘结材料的缓粘结预应力混凝土构件疲劳性能需要进一步研究。
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