陳　勇，房貞政

 （福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350002）

摘要　本文對國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和總結(jié)，認(rèn)為有必要進(jìn)行大量工作來研究預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并建議短期借鑒混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究成果。

關(guān)鍵詞預(yù)應(yīng)力 混凝土結(jié)構(gòu) 耐久性 研究現(xiàn)狀

 

Keywords: prestressed   concrete structure   durability   present study

現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)相比，不僅其結(jié)構(gòu)性能好而且經(jīng)濟(jì)、節(jié)材、節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。近二十年來，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國的應(yīng)用有了迅猛的發(fā)展，它已滲入到土木、建筑、水利及交通工程各個領(lǐng)域。預(yù)應(yīng)力技術(shù)己成為建設(shè)大(大跨度、大空間結(jié)構(gòu))、高(高層、高聳結(jié)構(gòu))、重(重荷載結(jié)構(gòu))、特（特種結(jié)構(gòu)，如海洋平臺、核電站、儲液池結(jié)構(gòu)等以及在鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程、道路、地下建筑、結(jié)構(gòu)加固等工程中的特殊應(yīng)用)工程不可缺少的最為重要的一種技術(shù)。它不僅使結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，而且能發(fā)揮材料的潛能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

我國房屋建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的歷史相對較短，有關(guān)預(yù)應(yīng)力筋腐蝕造成整個結(jié)構(gòu)破壞的例子極少，但預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件耐久性失效的事故時有發(fā)生，例如呼和浩特鐵路局某倉庫的一榀21m跨預(yù)應(yīng)力混凝土梯形屋架的突然倒塌等。然而隨著服役期的增長，運量的不斷提高，加之設(shè)計中對耐久性考慮的不周及施工質(zhì)量的缺陷，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題顯得更為突出^[1]。據(jù)鐵道部1994年統(tǒng)計，我國正在運營的有病害橋梁共6137座，占總數(shù)的18.8%，其中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁2675座。在全國各地建成、在建或擬建了一大批大型橋梁，它們的使用壽命都在100年以上，而鋼筋（指普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋）的腐蝕則是結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期內(nèi)一個不容回避的問題。

據(jù)統(tǒng)計，建筑業(yè)消耗了全世界40%的能源和資源，節(jié)約能源和資源是執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的重要內(nèi)涵。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)作為我國土木、水利和交通工程中應(yīng)用最為廣泛和最具潛力的一種結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)其耐久性研究，對我國推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略將有積極意義。

1）GB 50010-2002

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50010-2002》適用于房屋和一般構(gòu)筑物的鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土以及素混凝土承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計。它沒有闡述裂縫對耐久性的影響。提出50年結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求：最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土強(qiáng)度等級、最大氯離子含量和最大堿含量。100年的結(jié)構(gòu)混凝土耐性要求除了對上述要求更嚴(yán)格外，還增加了保護(hù)層厚度、抗凍、抗?jié)B、鋼筋環(huán)氧樹脂涂層等措施，對于預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器應(yīng)采取專門防護(hù)措施。

2）ACI 318-95

　　《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI 318-95》廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖用一整章（第四章）的篇幅來闡述耐久性，但沒有闡述裂縫對耐久性的影響。而且通過限制混凝土中最大水灰比、最低混凝土強(qiáng)度和最大氯離子濃度來阻止鋼筋腐蝕。

3）AASHTO LRFD

AASHTO LRFD橋梁設(shè)計規(guī)范考慮裂縫使用極限狀態(tài)（第5.5.2條），5.7.3.4條中闡述了裂縫控制的具體措施，5.12部分闡述可以采用普通鋼筋環(huán)氧覆蓋或鍍鋅、預(yù)應(yīng)力鋼筋和后張管件阻止氯離子的腐蝕。

4）CAN3-A23.3-M84

《加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范CAN3-A23.3-M84》中的裂縫控制方法與ACI318-95相同。沒有明確地給出裂縫寬度限值，第10.6.4條裂縫主要通過布置普通受彎鋼筋來控制。第18.9.3.3條闡述了由于部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度計算的不確定性和預(yù)應(yīng)力鋼筋較易腐蝕，有必要對部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件限制更嚴(yán)格。

5）Ontario Highway Bridge Design Code-1991

OHBDC中8-11部分闡述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最低要求，該部分強(qiáng)調(diào)鋼筋防腐的重要性。通過混凝土保護(hù)層和涂層來提高耐久性。不同的構(gòu)件在不同的環(huán)境條件下混凝土保護(hù)層厚度要求不同。需對鋼筋、錨具、體外張拉管道及其配件采用涂層來抵制含有化學(xué)物質(zhì)的水侵蝕作用。

6）1990年CEB-FIP規(guī)范

1990年CEB-FIP規(guī)范的7.4部分闡述裂縫作為一種極限狀態(tài)�？沽言O(shè)計應(yīng)使裂縫不會影響結(jié)構(gòu)功能、耐久性和外觀。該標(biāo)準(zhǔn)通過分析程序或經(jīng)驗公式來計算極限允許裂縫寬度。

7）British Standard CP110

《英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會CP110混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用規(guī)程》闡述了裂縫作為一種極限狀態(tài)。2.2.3.2條認(rèn)為混凝土開裂一般不會影響結(jié)構(gòu)的外觀或耐久性。

8）SIA Standard 162

《瑞士工程師和建筑師協(xié)會混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)162》闡述了裂縫作為一種極限狀態(tài)。SIA標(biāo)準(zhǔn)一般采用鋼筋規(guī)格和布置形式來控制裂縫寬度，但沒有明確規(guī)定如何計算裂縫寬度。

9）JSCE混凝土結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

JSCE刊物SP-1《1986年砼結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第1部分（設(shè)計）闡述了裂縫作為使用極限狀態(tài)。7.3部分建議控制裂縫以滿足混凝土結(jié)構(gòu)的功能、耐久性和外觀要求，并規(guī)定如何計算表面允許極限裂縫寬度。

1．模型試驗

1）Poston, R.W. ^[2]

Poston通過試驗研究施加預(yù)應(yīng)力橋面板試件在氯侵蝕性環(huán)境中腐蝕性能，以研究了全預(yù)應(yīng)力和普通鋼筋混凝土橋面板的耐久性。非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件和部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件加載至出現(xiàn)表面裂縫寬度達(dá)0.38mm，其余的預(yù)應(yīng)力試件加載至使非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫寬度達(dá)0.38mm時相應(yīng)荷載而出現(xiàn)表面裂縫寬度僅0.051mm。用3.5%鹽水溶液試件浸泡2天，然后干燥9天，持續(xù)17個循環(huán)或歷時8個月。短期暴露試驗結(jié)果表明：（1）非預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕在彎曲裂縫附近開始出現(xiàn)，范圍延伸至6~10倍鋼筋（裸）直徑，其中環(huán)氧包裹的鋼筋腐蝕的程度和速率非常小。（2）對于非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件加載到產(chǎn)生裂縫寬度0.38mm，腐蝕的程度和速率相近，裂縫寬度達(dá)0.051mm時預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中沒有觀察到鋼筋腐蝕。（3）預(yù)應(yīng)力對未開裂混凝土區(qū)的氯離子滲入影響很小。（4）混凝土保護(hù)層厚度影響。

2）Moore, D.G., Klodt, D.T., and Hansen, J. ^[3]

作為大型試驗的一部分，Moore等進(jìn)行了先張拉預(yù)應(yīng)力梁的腐蝕試驗。實驗的目的在于研究：（1）鋼筋和混凝土間孔隙的影響；（2）混凝土保護(hù)層的影響；（3）活荷載的影響；（4）混凝土中一定大小受拉裂縫的影響；（5）偶然超載的影響（荷載減小開裂使得裂縫閉合）。

試驗梁共16根，水灰比為0.40，混凝土保護(hù)層厚度從12.7mm~50mm，采用3.5%NaCl溶液浸泡，試驗持續(xù)10個月。試驗結(jié)果表明：（1）開裂梁腐蝕最嚴(yán)重的，裂縫寬度達(dá)0.1mm時觀察到銹坑腐蝕；（2）由偶然超荷引起的裂縫經(jīng)10個月后愈合，在這些裂縫處未發(fā)現(xiàn)腐蝕發(fā)展；（3）開裂前，荷載大小對鋼筋蝕影響不大；（4）未開裂構(gòu)件中，保護(hù)層大于38.1mm的構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)腐蝕，小于19mm的構(gòu)件均發(fā)現(xiàn)腐蝕。

3）Perenchio, W.F., Fraczek, J., and Pfiefer, D.W. ^[4]

Perenchio等進(jìn)行8根梁試驗研究環(huán)氧包裹絞線和裂縫對先張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件耐久性的影響。其中4個構(gòu)件在靠近受拉面一側(cè)的絞線用環(huán)氧包裹，另一側(cè)則裸露；2個構(gòu)件全部環(huán)氧包裹；2個構(gòu)件全部裸露。試件在彎矩作用下表面出現(xiàn)裂縫，平均裂縫寬度為0.254mm。試驗期間對構(gòu)件背靠背成對進(jìn)行加載并維持裂縫大小。用15%NaCl溶液浸泡3.5天接著干燥3.5天，試驗持續(xù)10個月。實驗結(jié)果表明：（1）裂縫寬度0.254mm的梁開始腐蝕時間提前，腐蝕程度嚴(yán)重，且構(gòu)件中未開裂部分鋼筋也有較大腐蝕；（2）本研究未得出極限裂縫寬度；（3）混凝土保護(hù)層厚度為25mm不能阻止構(gòu)件開裂或未開裂部分中鋼筋腐蝕；（4）暴露期間環(huán)氧包裹的絞線未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

4）J. S. West, C. J. Larosche, B. D. Koester, J. E. Breen, M. E. Kreger^[5]

J. S. West等共進(jìn)行了27根后張預(yù)應(yīng)力梁和10根后張預(yù)應(yīng)力柱長期耐久性試驗以研究后張預(yù)應(yīng)力通過控制裂縫來提高耐久性以及腐蝕保護(hù)措施，試驗時間持續(xù)近三年。試驗結(jié)果表明：后張預(yù)應(yīng)力可以有效地控制裂縫，可以提高耐久性，開裂的試件腐蝕較為嚴(yán)重且試件中開裂腐蝕比未開裂處嚴(yán)重；采用了多種力筋腐蝕測試方法，并揭示力筋腐蝕的經(jīng)時模型；可以通過采用粉煤灰、高性能混凝土和環(huán)氧涂層等措施來提高耐久性。

5）呂志濤等課題組^[6]

東南大學(xué)呂志濤等開展預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力水平下的碳化試驗，研究在碳化侵蝕環(huán)境下應(yīng)力狀態(tài)、水灰比、保護(hù)層厚度等因素對混凝土碳化速率的影響（碳化時間為90天），并借鑒已有的研究成果，建立混凝土碳化深度預(yù)測模型；開展預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力水平下的氯離子侵蝕試驗，研究在鹽霧侵蝕環(huán)境下受力狀態(tài)及水灰比等因素對氯離子傳輸速率的影響（鹽霧中NaCl濃度為 5%）；分析預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)下力筋腐蝕的機(jī)理，揭示裂縫及其開展寬度與力筋腐蝕間的關(guān)系。

2.實際工程拆下的損傷構(gòu)件試驗

1）Timonthy等^[7]

Timonthy等從Fargo的一座橋下拆下一根后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁研究34年后的狀況。進(jìn)行了無損和材料試驗接著鑿開后張構(gòu)件，僅發(fā)現(xiàn)后張絞線、金屬管道和錨具局部銹蝕。

2）Y.Labia等^[8]

美國內(nèi)華達(dá)州大學(xué)Y.Labia等在1996年5月完成了美國國家科學(xué)基金資助項目“整體預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁的評估和修補(bǔ)”，在該項目中共完成了三批預(yù)制后張跨度為21.33 m的箱形梁的測試。研究內(nèi)容有：①測試預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的強(qiáng)度和適用性能,以與現(xiàn)行規(guī)范公式進(jìn)行比較。通過研究發(fā)現(xiàn)這些梁測量的極限荷載與規(guī)范預(yù)計值吻合較好,但是延性和預(yù)應(yīng)力損失與規(guī)范預(yù)計值差別較大。②測試預(yù)應(yīng)力筋的修補(bǔ)方法和評估在設(shè)計疲勞荷載和重復(fù)施加的靜荷載作用下的預(yù)應(yīng)力梁強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)超載將明顯降低梁的疲勞壽命，通過研究發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋損傷的主要原因是由于車輛超載和腐蝕。

綜上所述，世界范圍內(nèi)有關(guān)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究很少，國外可見于文獻(xiàn)的試驗只有寥寥幾個，且大部分試驗為短期試驗時間不超過三年，國內(nèi)關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土方面的試驗幾乎為零，尚需進(jìn)行大量的工作，建議短期借鑒混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究成果。

 

 

[1] 萬德友,張煅等，我國鐵路橋梁及墩臺狀態(tài)評估技術(shù)現(xiàn)狀與展望，中國鐵道學(xué)會橋梁病害診斷及剩余壽命評估學(xué)術(shù)研討會，大連，1995，5

[2] Poston R.W.，“Improving Durability of Bridge Decks by Transverse Prestressing”，Doctor of Philosophy Dissertation，The University of Texas at Austin，December 1984

[3] Moore, D.G.，Klodt, D.T.， and Hansen, J.，“Protection of Steel in Prestressed Concrete Bridges”，NCHRP Report 90，1970

[4] Perenchio, W.F.，F(xiàn)raczek, J.，and Pfiefer, D.W.，“Corrosion Protection of Prestressing Systems in Concrete Bridges”，NCHRP Report 313，F(xiàn)ebruary 1989

[5] J. S. West，C. J. Larosche，B. D. Koester，J. E. Breen，and M. E. Kreger，“State-of-the-Art Report about Durability of Post-Tensioned Bridge Substructures”，Research Report 1405-1，October 1999

[6] 張德鋒，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究：[學(xué)位論文]，南京：東南大學(xué)

[7] Timoth J. Dickson, Habib Tabatabai, David A. Whiting, Ph.D.，“Corrosion Assessment of a 34-Year-Old Precast Post-Tensioned Concrete Girder”，PCI Journal，November-December 1993：44-51

[8] Labia, Y.V.，Saiidi, M.，and Douglas, B.，“Evaluation and Repair of Full-Scale Prestressed Concrete Girders”，CCEER-96-2，University of Nevada，Reno，NV，May 1996