預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕與防護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕與防護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕形成機(jī)理及其防腐技術(shù)預(yù)測波茨將高強(qiáng)度鋼絲繩作為長期壓力上升的主動(dòng)壓力結(jié)構(gòu)，并利用特殊方法將高強(qiáng)度鋼絲繩轉(zhuǎn)化為長期的高壓結(jié)構(gòu)。這也是近幾十年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)。本世紀(jì)二、三十年代大噸位的預(yù)應(yīng)力巖錨在國外己用于工程處理和壩體加固。國內(nèi)是六十年代開始應(yīng)用,目前己發(fā)展到相當(dāng)高的水平。在加固水利工程的大壩和附屬建筑物的穩(wěn)定以及巖體邊坡的加固處理中,都取得了顯著的成績。預(yù)應(yīng)力錨索在不同地質(zhì)條件的工程建設(shè)和工程處理中,將得到更廣泛的應(yīng)用。但是,預(yù)應(yīng)力錨索存在的主要問題是使用壽命及其安全可靠性。伴隨巖土錨固技術(shù)的廣泛應(yīng)用,工程實(shí)踐中大量地遇到了錨固工程失穩(wěn)事故,國內(nèi)外巖土工程科技人員對此投人了大量的人力物力進(jìn)行了多方面的研究。早在20世紀(jì)70年代,英國的Hanna教授等就對巖土錨固破壞模式進(jìn)行了研究,歸納出3種主要的破壞形式:錨斷裂,預(yù)應(yīng)力松弛和荷載高于設(shè)計(jì)荷載,并指出錨斷裂與銹蝕、機(jī)械損傷等有關(guān)。國內(nèi)有關(guān)專家對被動(dòng)錨失效現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查研究,歸納得出:錨索腐蝕在錨失效中占相當(dāng)大的分量。我國巖土錨固工程,多數(shù)對施加錨固力較為重視,對錨索的腐蝕破壞與防腐缺乏認(rèn)識(shí),致使許多錨固工程防腐措施存在不足。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索在現(xiàn)在的高邊坡支護(hù)中占很大比例,所以高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕失效是其中最主要的導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的原因之一,故有必要對預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕機(jī)理及其防腐技術(shù)進(jìn)行研究。國際后張預(yù)應(yīng)力隴會(huì)(FIP)地錨工作小組收集到了35例預(yù)應(yīng)力錨桿(索)腐蝕破壞實(shí)例,并對其破壞的原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析:可以看出,其中永久錨桿(索)占69%,臨時(shí)錨桿占31%;錨索使用期在2年以內(nèi)和2年以上發(fā)生腐蝕斷裂的各占一半。1錨索錨筋腐蝕預(yù)應(yīng)力錨索在拉應(yīng)力狀態(tài)下長期處于空氣、圍巖、土壤中,工作環(huán)境比較惡劣,必然受到地下水、氣體濕度和巖石成分的影響。預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕都是鋼絞線和錨具的金屬腐蝕,其腐蝕機(jī)理是相同的,有應(yīng)力腐蝕、氫脆、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕4種。埋置于巖土層中錨索結(jié)構(gòu)壽命的最大威脅來自于腐蝕,但其最主要的是電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕。此外,由于地層裂隙導(dǎo)致的灌漿不飽和、錨固段拉應(yīng)力部分過于集中導(dǎo)致的漿體開裂、部件老化能力差,防腐油脂化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等等都會(huì)加劇錨索的腐蝕。電化學(xué)腐蝕,是由于錨索表面與周圍介質(zhì),如潮濕空氣、電解質(zhì)溶液等,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕的過程涉及鋼失去電子(氧化作用)的過程(Fe→Fe2++2e-)原反應(yīng)消耗掉(2H2O+O2+4e-→4OH-),即2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2(鐵銹)。在Cl-環(huán)境中對錨索錨筋腐蝕影響極大。由于鋼材表面的電化學(xué)不均勻性,錨桿(索)所處的工作環(huán)境并不是極為干燥,其表面往往存在著孔隙液膜,外界的氧氣通過連通的毛細(xì)孔道滲入,所以電化學(xué)腐蝕比較容易發(fā)生,這是錨桿(索)中最常見的一種腐蝕形態(tài)。應(yīng)力腐蝕是錨桿(索)在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下形成的脆性斷裂,在一定的應(yīng)力及侵蝕環(huán)境下引起鋼材變脆的一種腐蝕。預(yù)應(yīng)力錨桿(索)在高拉應(yīng)力作用下,鋼絞線表面產(chǎn)生了微裂縫,在錨索索體結(jié)構(gòu)中存在多種薄弱帶,侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入微裂縫腐蝕鋼絞線,腐蝕沿裂縫深入,應(yīng)力再促進(jìn)裂縫發(fā)展。所有應(yīng)力腐蝕理論都認(rèn)為,陽極金屬的不斷溶解導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展。法國米克斯壩,有幾根13000kN承載力的錨桿僅使用幾個(gè)月就發(fā)生斷裂。氫脆是預(yù)應(yīng)力錨桿(索)在酸性與微堿性的介質(zhì)中發(fā)生脆性斷裂的另一種類型。錨索在腐蝕過程中,表面可能有少量氫氣產(chǎn)生,生成的氫原子會(huì)迅速結(jié)成氫分子,當(dāng)這一過程受到阻礙時(shí),氫原子就會(huì)向錨索內(nèi)部擴(kuò)散而被吸收到金屬內(nèi)部的晶格中去,如果錨索內(nèi)部有缺陷存在,氫原子很可能重新結(jié)合成為氫分子,從而產(chǎn)生很大的壓力,出現(xiàn)“鼓泡”現(xiàn)象,使錨索變脆。產(chǎn)生氫脆的錨索在受到超過臨界值的拉力作用時(shí),便會(huì)發(fā)生斷裂。我國梅山水電站的無黏結(jié)監(jiān)測錨索運(yùn)行4～6a,,先后有3束錨索因應(yīng)力腐蝕兼氫脆而導(dǎo)致鋼絲斷裂?；瘜W(xué)腐蝕是錨索表面與氣體或非電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕,腐蝕過程中沒有電流產(chǎn)生。一般說來,預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕絕大多數(shù)是電化學(xué)機(jī)理產(chǎn)生的,同時(shí),鋼絞線長期處于高應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力因素造成的腐蝕也是不可忽視的。總之,只要有水和氧與鋼材接觸,鋼材就有可能產(chǎn)生腐蝕。2防止腐敗的技術(shù)和措施2.1錨固的支護(hù)技術(shù)我國巖土預(yù)應(yīng)力錨索的防腐技術(shù),與發(fā)達(dá)國家相比較存在較大差距。發(fā)達(dá)國家對巖土預(yù)應(yīng)力錨索防腐開展了大量研究工作,提出了較為細(xì)致的防腐措施和相當(dāng)完備的技術(shù)規(guī)范。其防腐己經(jīng)歷了單一水泥(砂)漿防腐、加單層波紋套竹防腐、加雙層波紋套管防腐等發(fā)展歷程。對重要錨索,要求從內(nèi)錨段到錨頭的全長各個(gè)部位均要達(dá)到雙重防腐,并目要求錨索安裝好后檢測其絕緣電阻值,以確定其防腐性能的可靠性。根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)并參照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),我國水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范(SL212-98)有如下要求:要求卞要有:(1)預(yù)應(yīng)力錨固中的錨桿(索)體,可按表1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防腐、防銹處理;(2)錨桿(索)體防腐、防銹處理時(shí),所使用的材料及其附劑中不得含有硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫氰酸鹽等,氯離子含量不得超過重量的0.02%;(3)張拉段也必須采用水泥漿或水泥砂漿進(jìn)行全孔封閉防腐;封孔灌漿后,錨索應(yīng)有大于20mm的漿體保護(hù)層厚度。該規(guī)范主要針對水工大壩的錨固,兼顧地下洞室和邊坡的錨固。該規(guī)范主要優(yōu)點(diǎn)是,與國內(nèi)錨固技術(shù)相一致;缺點(diǎn)是,僅對采用單一水泥漿防腐的全長黏結(jié)錨索作了要求,與發(fā)達(dá)國家的巖土錨固規(guī)范存在較大差別。發(fā)達(dá)國家的巖土錨固規(guī)范,對巖土錨索防腐規(guī)定十分完備,其主要特點(diǎn)歸納如下:(1)首先應(yīng)對地層的侵蝕性進(jìn)行檢測,并確定其侵蝕性級別;(2)根據(jù)地層的侵蝕性確定錨索的防腐級別和方法,如防護(hù)灌漿材料和錨筋材料的要求等;(3)要求錨索在各種復(fù)雜環(huán)境下不發(fā)生腐蝕破壞,而且錨索的防護(hù)體在施工過程中不能被損壞,同時(shí)還要求錨索的錨固體在受力與變形過程中其防護(hù)體不能被損壞。其制作工藝和防護(hù)結(jié)構(gòu)十分精細(xì)和完備。如:美國PT工建議地錨分為1級和2級,其中1級使用波紋竹及環(huán)氧樹脂等材料保護(hù)。目建議,尤其是水壩工程,應(yīng)使用樹脂包裹鋼絞線及灌樹脂漿。國際后張預(yù)應(yīng)力隴會(huì)(FIP)規(guī)范規(guī)定,永久性地錨應(yīng)采用單層波紋竹內(nèi)灌樹脂漿或雙層波紋管內(nèi)灌水泥漿保護(hù)。英國地錨規(guī)范(BS8081:1989)規(guī)定,永久錨桿(索)必須進(jìn)行防護(hù);對侵蝕性滲透土層,應(yīng)采用雙層防護(hù)。單層防護(hù)意味著在錨桿(索)安裝前提供一層物質(zhì)性防護(hù)層。雙層防護(hù)則是提供2層防護(hù),其中外層的作用是防止預(yù)應(yīng)力錨桿(索)內(nèi)防護(hù)層在運(yùn)輸和安裝時(shí)發(fā)生損壞。對己安裝的預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)程度來說,則外防護(hù)層僅提供附加保護(hù)。對于低滲透性和無侵蝕性巖體采用單層防護(hù)。荷蘭、南非等規(guī)范均規(guī)定使用樹脂漿防腐。英國BS工規(guī)范、德國DS工工法、日本SEEE工法等國規(guī)范規(guī)定使用單一PE波紋管內(nèi)灌樹脂漿。樹脂漿的種類大體分為3類:(1)不飽和聚醋樹脂,可加水泥、爐石粉、細(xì)砂、石粉。(2)環(huán)氧樹脂。(3)多元聚乙烯樹脂,可加水泥、爐石粉、細(xì)砂、石粉。鋼絞線安裝灌漿后,FIP、歐盟中19個(gè)國家均采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1537:1999規(guī)范,要求所有工作錨索施工前后均采用數(shù)字電阻計(jì)進(jìn)行絕緣電阻檢測,測定己安裝好的錨索防腐性能,以確保其防腐功能。2.2錨索的防護(hù)與覆蓋物的選擇應(yīng)用(1)防腐設(shè)計(jì)的目的是確保工程在有效服務(wù)年限內(nèi)錨索不被腐蝕和破壞。錨索的防腐方法主要有堿性環(huán)境防護(hù)、物理防護(hù)和電力防護(hù)、涂覆材料等。(2)堿性環(huán)境防護(hù)是依靠水泥質(zhì)注漿體對錨索提供堿性環(huán)境,在這種環(huán)境下,錨索表面能生成致密的鈍化膜(2～6nm),從而起到保護(hù)作用,達(dá)到對錨索的保護(hù)目的;(3)物理防護(hù)是在錨索體上直接覆蓋塑料等材料,從而阻止外部腐蝕性物質(zhì)與錨索體的接觸,對無粘結(jié)雙層保護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索,目前國內(nèi)所采用的是在錨索體材料上套裝波紋管,PVC管或鋼管,而在國外所采用的雙層防護(hù)錨索除在錨索體材料上套裝塑料管外,還有兩層波紋管防腐層;電力防護(hù)是使錨索體形成一個(gè)電路,并使錨索體表面極化成陰極的保護(hù)方法,所以又稱陰極保護(hù),通常是為保護(hù)大批錨索而采用的方法。由于工程造價(jià)等方面的原因,目前的防腐蝕主要以前兩種方法為主;(4)涂覆材料也叫非金屬覆蓋,采用有機(jī)高分子材料或者無機(jī)材料,以涂層、襯里等方法在金屬表面建立一層耐腐蝕的覆蓋層技術(shù),是腐蝕控制的重要組成部分。近年來,許多種涂覆材料運(yùn)用于錨索防腐中,如環(huán)氧防腐涂料、氯化橡膠防腐涂料、丙烯酸樹脂涂料等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的新涂料將可以更好地為預(yù)應(yīng)力錨索的防腐服務(wù)。2.3預(yù)應(yīng)力錨索的防護(hù)目前可采用的施工工藝有:(1)在錨索造孔施工過程中必須對錨孔圍巖采取固結(jié)灌漿施工工藝,使水泥漿液或水泥砂漿堵塞地層裂隙,防止地下水通過裂隙進(jìn)入錨孔,對錨索體起到防護(hù)作用;(2)采用膠結(jié)式錨固,膠結(jié)材料多采用水泥漿或水泥砂漿;(3)預(yù)應(yīng)力錨索使用的鋼絞線的力學(xué)性能應(yīng)符合要求;無粘結(jié)鋼絞線的防腐油脂化學(xué)穩(wěn)定性必須好;PE套厚度為1.0～1.2mm,應(yīng)具有一定的韌性、強(qiáng)度、抗腐蝕和抗老化能力;錨頭采用混凝土封錨進(jìn)行防護(hù)。(4)為了防止預(yù)應(yīng)力錨索破壞失效,必須選擇采用合理的錨索結(jié)構(gòu)形式,有效解決錨固應(yīng)力集中漿體破壞,防止含有害物質(zhì)的地下水對鋼絞線的腐蝕破壞。2.4預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用為了防止預(yù)應(yīng)力錨索破壞失效,必須選擇采用合理的錨索結(jié)構(gòu)形式,有效解決錨固應(yīng)力集中漿體破壞,防止含有害物質(zhì)的地下水對鋼絞線的腐蝕破壞。(1)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索是將高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線涂包防腐蝕油脂并在外包裹塑料套管制成的無粘結(jié)鋼絞線束(圖1),在施上編索時(shí)只將內(nèi)錨固段去掉套管并脫脂洗油,其余部分的鋼絞線始終處于油脂和套管的保護(hù)中,全孔一次灌漿后,錨索自由段的鋼絞線仍能與孔內(nèi)的水泥結(jié)石之間保持相對滑動(dòng),這種形式的錨索就是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索。在對三明三農(nóng)股份有限公司液氯車間后山的山體邊坡加固中采用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索,該技術(shù)在本項(xiàng)目中完全證明了其“實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、工期短、防腐效果好及抗震性能好”等特點(diǎn)。(2)自由式單孔多錨頭(防腐型)預(yù)應(yīng)力錨索也是一種理想的邊坡加固錨索結(jié)構(gòu)形式。它克服了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索對復(fù)雜地層適應(yīng)性差、錨固段應(yīng)力集中、地下水對錨索鋼絞線的侵蝕、錨固段擴(kuò)孔或增長及須采用一次注漿等缺陷,解決了預(yù)應(yīng)力錨索錨固段應(yīng)力集中、錨索腐蝕等問題,具有改善錨固段應(yīng)力集中、有效防腐有效減小孔徑、全孔一次注漿、可進(jìn)行一次張拉等特點(diǎn)增強(qiáng)了對復(fù)雜地層的適應(yīng)性和錨固效果,提高了錨固的壽命。目前,自由式單孔多錨頭防腐型預(yù)應(yīng)力錨索己在紫坪鋪水利樞紐工程、紫坪鋪213國道改線公路滑坡?lián)岆U(xiǎn)工程、瀑布溝水電站、冶勒水電站、金河水電站、水牛家水電站、錦屏一級水電站等大中型水利水電工程高邊坡錨索加固工程中應(yīng)用,取得良好的效果,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。(3)壓力分散型錨索是一種與拉力型錨索等傳統(tǒng)錨索結(jié)構(gòu)的受力性能不盡合理以及在軟弱巖土體中無法實(shí)現(xiàn)較高承載力的情況下應(yīng)運(yùn)而生的錨索結(jié)構(gòu)形式。壓力分散型錨索與自由式單孔多錨頭預(yù)應(yīng)力錨索相似之處在于單個(gè)鉆孔中放置多個(gè)錨索單元,在張拉時(shí)分別承受相同的工作荷載。但可以利用各單元的承載體將各錨索的拉力轉(zhuǎn)化為對錨固段注漿體的壓力,使粘結(jié)應(yīng)力峰值大幅降低,充分調(diào)動(dòng)巖土體的強(qiáng)度,并使?jié){體側(cè)向膨脹而與圍巖產(chǎn)生良好的咬合力,在同等巖土體條件下可以提供較高的承載能力。在開陽高速公路邊坡工程中的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其抗滑移能力、彈性儲(chǔ)備能力良好;能減少錨索的長期預(yù)應(yīng)力的損失,而且有一定的耐腐蝕性,承載力也大。本工程采用了壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索取得了良好的效果。3預(yù)應(yīng)力錨索的防腐綜上所述,盡管近幾十年來邊坡錨固機(jī)理研究有了一定的發(fā)展,在一定程度上提高了我國預(yù)錨加固的理論和設(shè)計(jì)水平,但仍存在著許多缺陷和不足,仍然面臨以下問題:(1)錨索位于巖土體內(nèi),有很多的未知因素和不確定性,因而被稱為工程中的“定時(shí)炸彈”。而作為影響其耐久性