錨索的銹蝕、防護及永久錨索的合理結(jié)構(gòu)課件（PPT65頁）

1、錨索的銹蝕、防護 及永久錨索的合理結(jié)構(gòu) xxxx科研xx所 隨著錨索在巖土工程加固中的普及，近期人們普遍關(guān)注的焦點是錨索的永久性問題。錨索的永久性與錨索的結(jié)構(gòu)和錨索材料有關(guān)，也與錨索所處環(huán)境及人為因素有關(guān)。本文試圖就錨索可能遭到的破壞因素及防護，提出永久錨索的合理結(jié)構(gòu)，供同行參考。 前言一、錨索技術(shù)及防護的發(fā)展 從1964年xx水庫壩基加固我國首次有了錨索，到現(xiàn)在為止正好40年，回顧40年錨索在我國的發(fā)展歷史，概括地講有以下幾點：1. 錨具的型式由多變少 上世紀 90 年代之前工程中流行的錨具很多， 1980 年出版的“常用錨夾具定型圖冊”一書中就收集了 13 種錨具，再加上以后研制的星形錨、

2、XM 錨、QM 錨等有 15 種以上。 JM-6錨錨片JM-5錨錨片槽銷錨錨環(huán)槽銷錨（KT-Z錨）總裝圖槽銷錨錨塞鋼質(zhì)錐型錨具錨塞鋼質(zhì)錐型錨具總裝圖墩頭錨 現(xiàn)在基本統(tǒng)一為 OVM 錨具，由于研究的深入，材料、尺寸、硬度、齒距、牙形、抗疲勞、防松等項都達到了爐火純青的境界，已經(jīng)達到甚至超過世界同類產(chǎn)品，使用方便、操作簡單、保證安全。 從 1964 年在xx首次用錨索加固壩基到 1984年 20 年間我國工程中的所有錨索都是全長粘結(jié)型的，其中有一部分是在1974年以后出現(xiàn)的脹殼式機械式錨索，1985年后才有了非粘結(jié)錨索，當時叫自由錨索，因為是初級的，僅滿足工程急需，錨索結(jié)構(gòu)還不是很規(guī)范。到了最近幾

3、年，隨著巖土錨固工程的不斷豐富，出現(xiàn)了不少新型錨索，不完全統(tǒng)計10種以上： 2. 錨索的類型由少變多 二次灌漿全長粘結(jié)錨索機械式內(nèi)錨頭機構(gòu)1外夾片；2錐筒；3六棱錨塞；4鋼絞線；5托圈；6套管；7頂簧；8墊圈無粘結(jié)集中受力型錨索 壓力分散型錨索可回收錨索 拉力分散型錨索對 穿 錨 索 拉壓復(fù)合型錨索分散拉壓復(fù)合型錨索壓力集中型錨索 玻璃纖維錨索雙層隔離防護錨索結(jié)構(gòu)3. 設(shè)備 YQ100型鉆機從1973年到1993年整整用了20年。 雙作用千斤頂只有YC-60，后來柳州廠生產(chǎn)一種YC-120。4.材料 高強鋼絲 普通型鋼絞線 低松弛鋼絞線 無粘結(jié)鋼絞線 靜電噴涂環(huán)氧鋼絞線直徑：12，15.24，

4、19.3，21.8，25.4，28.6 主要是對防護原理的了解和認識過程。有三個時期，第一時期認為只要是水泥漿，對錨索都有保護作用，所以，最早的防護只依賴于水泥漿或水泥砂漿，由于對原理認識不足，對水泥無選擇，硫鋁酸鹽水泥、火山灰水泥，無論什么型號的外加劑只要能滿足當前的施工要求都用，還認識不到水泥漿對鋼材的防護作用是有條件的。 5.錨索的防護 接著有種觀點，認為只有隔離防護才算防護，全長粘結(jié)錨索只能用于臨時支護，走到了另一個極端，無視鋼筋砼和預(yù)應(yīng)力砼能安全使用幾十年的現(xiàn)實，也無視全長粘結(jié)錨索在我國應(yīng)用40年來的客觀實踐，正因為只認識隔離防護，甚至有些工程把單層隔離防護錨索用于永久工程，這是很危

5、險的。 通過多年的錨索實踐及對其它學科的發(fā)展和了解，對錨索防護的認識更進了一步，現(xiàn)在認識到鋼鐵的防護除隔離防護之外，還有陰極防護、陽極防護以及強堿環(huán)境使鋼鐵表面鈍化等，都可形成對錨索的有效防護。其中隔離防護的隔離層至關(guān)重要，一旦隔離層破損，鋼鐵將失去保護而銹蝕。因此，隔離防護用于錨索時，必須使錨索全長具有至少兩層隔離措施。我國不少工程做的比較規(guī)范，如四川二灘、河南小浪底、云南大朝山等。二、錨索錨索的腐蝕與防護 1.錨索的銹蝕 鋼鐵易于生銹，依據(jù)條件的不同生成不同的氧化物：FO（魏氏體）、F3O4（磁鐵礦）和F2O3（赤鐵礦），鐵的氧化過程在電化學上稱為氧化還原反應(yīng)。 鐵銹對鋼鐵有保護作用。由于

6、一般條件下不連續(xù)、不均勻及性能不穩(wěn)定，得不可應(yīng)用。 鈍化膜是普遍存在的。按照P研究成果，任何金屬只要滿一定條件都可在表面形成鈍化膜，條件有兩個，一個是電位，一個是酸堿度。鈍化膜化學性質(zhì)穩(wěn)定，電導(dǎo)率很低，對母體金屬是一層很好的保護層；由于條件苛刻，很多沒有利用價值，有些是可以利用的。鋼鐵在強堿環(huán)境中可在表面形成化學性質(zhì)穩(wěn)定的鈍化膜，保護鋼鐵進一步銹蝕。分子結(jié)構(gòu)是F2O3，屬于塵晶石結(jié)構(gòu)，厚度約100納米。這就是鋼筋砼及預(yù)應(yīng)力鋼筋砼能安全服務(wù)幾十年的理論基礎(chǔ)；錨索是鋼材，只要在錨索表面能形成鈍化膜，并保證長期使用中不破壞鈍化膜，錨索的永久性就可以得到保證。2.錨索的腐蝕 金屬的腐蝕是一種電化學反應(yīng)

7、。金屬元素失去電子變成金屬離子（被氧化），它失去的電子被另一種元素俘獲（被還原），變成陰離子，金屬離子便溶解并游向陰離子，與陰離結(jié)合成為中性化合物；金屬元素繼續(xù)失去電子，變成陽離子而溶解。所以金屬的腐蝕過程在電化學上叫做陽極溶解。在腐蝕動力學中有一個重要的結(jié)論就是：（陽極）總的氧化速度=（陰極）總的還原速度 欲防止金屬的腐蝕，不是抑制氧化反應(yīng)，就是抑制還原反應(yīng)，于是在電化學中產(chǎn)生了兩種金屬防護方法：陰極防護和陽極防護。工程中常用的是陰極防護，如結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)、地下自來水管道、煤氣管道、橋墩、碼頭、船艦等；陽極防護主要用于工廠的設(shè)備。 陰極防護的原理很簡單，用非專業(yè)術(shù)語就是給被保護的金屬提供多余的電

8、子，于是也有兩種陰極防護方法，一種是外加電流（直流）法，利用廢舊鋼鐵接陽極，被保護的金屬接陰極，陽極（廢鋼鐵）源源不斷地向陰極（被保護的金屬）輸送電子，最終廢鋼鐵被耗盡，重新更換。第二種陰極防護方法是利用金屬的原電池原理的“犧牲陽極”法，就是用更活潑的金屬貼在被保護的金屬上。 鎂作為一種犧牲陽極在全世界廣泛使用。通常在鎂中還加入6%的鋁、3%的鋅和0.2%的錳組成合金形式。我國在船艦上常用鋅鋁鎘合金做犧牲陽極，稱為三元鋅陽極。錨索處于腐蝕性地層中，有兩種防護方法，或者采用陰極防護，錨固與注漿手冊中給出了線路圖，或者采用各種隔離防護錨索。 3.電腐蝕 兩種不同的金屬在水溶液中相接觸引起的電化學腐

9、蝕稱為原電池腐蝕。這兩種金屬之間的電位差以一定速度引起金屬腐蝕，腐蝕的快慢基本上取決于兩種金屬的表面反應(yīng)。 還有一種電腐蝕是由于地下雜散電流或電氣設(shè)備漏電引起的電化學反應(yīng)，這類電腐蝕比較普遍，如地下電話電纜、電力電纜、煤氣管道、自來水管道等，這些雜散電流可在金屬與金屬之間及金屬與非金屬之間產(chǎn)生電位差，使金屬腐蝕。 邊坡錨索一般遠離工業(yè)區(qū)，只要注意施工作業(yè)時不把錨索作地線，組裝錨索時不使用與錨索體不同成份的金屬做組件，無須作更多的防護；地下廠房及變電室的錨索，有可能受到電腐蝕的威脅，其防護可采用電化學中的陰極防護，也可安裝“排流器”，把雜散電流定向排出。最好采用各種隔離防護型錨索。 4.應(yīng)力腐蝕

10、 長期實踐中人們發(fā)現(xiàn)機械及其零件的使用應(yīng)力遠小于材料的抗拉強度產(chǎn)生了裂紋或斷裂，對這種現(xiàn)象解釋為應(yīng)力腐蝕。研究認為，任何金屬對活性物質(zhì)都有吸附性，吸附有內(nèi)吸附和外吸附，外吸附是指材料表面吸附了活性物質(zhì)，降低了物質(zhì)的表面能，使表面的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位錯而降低了強度；內(nèi)吸附是物質(zhì)內(nèi)部的微裂隙吸附了活性物質(zhì)，并沿晶界面或其它組織缺陷擴散，進入受拉材料裂隙的尖端使原子鍵結(jié)合力顯著削弱。應(yīng)力腐蝕破壞的發(fā)展是微觀的，破壞前沒有體積變化，也沒有變形特征，破壞形式是突然斷裂。已經(jīng)證明，應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件是：第一，一般只有在合金中才發(fā)現(xiàn)有應(yīng)力腐蝕開裂;第二，合金僅在特定的腐蝕介質(zhì)中才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；第三，應(yīng)力腐蝕開

11、裂的主體是拉應(yīng)力； 氫脆。氫原子的體積很小，在220時可以滲入金屬晶格。滲入碳鋼的氫原子可與碳化鐵反應(yīng)生成甲烷，于是產(chǎn)生了雙重破壞作用：一是使鋼脫碳，降低了鋼的強度；二是甲烷在晶格間形成壓力，與原有結(jié)構(gòu)中的拉力疊加使鋼材突然斷裂，嚴重時能使鋼的抗拉強度降低60%。三、永久錨索的設(shè)計 1. 選擇各種不銹蝕材料做錨索體 最近幾年出現(xiàn)了幾種新材料，可作為錨索的主體，如碳纖維加強塑料（CERP）、芳綸纖維加強塑料（AFRP）等已廣泛用于鋼筋砼梁、板、柱的加固，不僅不腐蝕、不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，而且自重輕大約是鋼材的1/4，強度高可達4900Mpa，是目前常用鋼絞線強度的3倍。有些腐蝕性地層，能對砼和普通砂漿

12、腐蝕成粉末，可采用一些特殊砂漿，如環(huán)氧砂漿、瀝青砂漿等。 2. 隔離防護錨索 在鋼材上鍍鋅、鍍鉻、滲鋁都是傳統(tǒng)的隔離防護措施，不過，在錨索工程中很少采用，從上世紀90年代至今，一直沿用在鋼絞線上用靜電噴涂環(huán)氧樹脂作防護層，以及各種抗老化、耐腐蝕、不導(dǎo)電的各種塑料作隔離層，無粘結(jié)鋼絞線的PE套管及波紋管都是由性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)塑料制作的。幾個有關(guān)隔離防護錨索的值得注意的問題： 第一，對于采用隔離防護的永久錨索，必須設(shè)置雙層隔離層，典型的永久性隔離防護錨索如圖所示。雙層隔離防護錨索結(jié)構(gòu) 值得注意的是，錨索全長都必須是雙層防護。圖中，張拉段是雙層：第一層是波紋管，第二層是無粘結(jié)鋼絞線上的PE套管；錨固段

13、也是雙層：第一層是波紋管，第二層是鋼絞線上的環(huán)氧樹脂涂層。如果錨索體選擇的是普通無環(huán)氧涂層的無粘結(jié)鋼絞線，錨固段的PE管已剝?nèi)?，則必須在錨固段增設(shè)一層波紋管，即錨固段是雙層波紋管。 錨固段雙層波紋管 第二、組裝錨索的所有組件；對中支架、隔離支架以捆扎材料不得用各種金屬制品，以防將隔離層磨破。各種支架都是采用有一定強度的的摸注塑料，捆扎絲用尼龍繩。在波紋管的外側(cè)放置對中支架，以保證孔壁與波紋管間有大致等厚的注漿；在波紋管內(nèi)側(cè)的錨索體上安裝一定數(shù)量的對中隔離支架，以保證錨索體與波紋管間有大致等厚的注漿，且鋼絞線與鋼絞線間由不小于5mm厚的漿體隔開； 第三、雖然隔離防護錨索要求鉆孔內(nèi)的所有空間必須注

14、滿水泥漿，但是水泥漿并不構(gòu)成隔離防護錨索的隔離層，漿體的作用有二，一是錨固段的注漿作為傳力介質(zhì)把錨索的拉力傳遞給巖體；二是對隔離防護層是一種保護措施，使其更長久地發(fā)揮隔離作用。 有的文章把注漿也作為隔離層是不對的，如圖，在隔離防護的概念中是導(dǎo)單層隔離防護，在宣傳時算作雙層甚至三層，圖本來屬于雙層隔離，競算作四層甚至五層，是一種誤導(dǎo)。這里的漿體與全長粘結(jié)不同。隔離層把鋼絞線與漿體隔開，不直接接觸，全長粘結(jié)是直接接觸，使鋼材處強堿環(huán)境。隔離防護錨索的優(yōu)點是： 第一，由于張拉段全長不與砂漿接觸，可自由伸縮，錨索的拉力可以根據(jù)需要隨時調(diào)整其大??；由于在自由段全長調(diào)節(jié)應(yīng)力，吸收巖體變形的能力強。特別適用

15、于巖體產(chǎn)生大變形的工程加固； 第二，適用于強腐蝕地層及化學成份復(fù)雜的地層，例如氯化物、硫酸鹽超標的地層，或有可能受到海水侵蝕的地層等。PE管及波紋管都是高分子聚合物，具有很強的抗腐、抗菌、抗老化性能； 第三，抗動載性能好。 隔離防護錨索的缺點是對錨具要求高，要長期承受錨索的全部拉力，抗疲勞、抗動載（防松），最好改進為三峽的處理方法。 3.營造不銹蝕環(huán)境的全長粘結(jié)型錨索 從鋼材防腐原理得知，陰極保護、陽極保護及PH11的強堿環(huán)境都可以防止鋼材銹蝕。陽極保護多用于化學工廠，陰極保護常用于地下管道，例如，西氣東送的地下鋼管。對于錨索，最簡單、最便宜、最有效的方法是硅酸鹽水泥漿或水泥砂漿營造的強堿環(huán)境

16、，用硅酸鹽水泥拌制的水泥漿PH=11.512.0，足以使鋼絞線表面鈍化。當然，采用水泥漿做保護層時，要注意以下幾個問題。 第一，確保水泥漿PH11和Cl- 、SO4-含量不得超標。錨索工程中為了改善水泥漿的性質(zhì)常用外加劑，如早強劑、減水劑、膨脹劑、抗凍劑等，所用的外加劑（包括水）不能降低水泥漿的堿度；錨索在長期使用中始終處在強堿環(huán)境中錨索表面能夠形成鈍化膜。 第二，錨索在長期使用中不能破壞鈍化膜。破壞鈍化膜的因素有兩個，一是地層中的有害成分，特別是硫酸根離子和氯離子，它們能夠侵入鈍化膜，造成晶格缺陷并逐步擴大，在鋼材表面形成銹斑，破壞了鈍化膜的連續(xù)性；二是注漿管的開裂，有害氣體、液體沿裂縫滲入

17、，破壞鈍化膜。 對承載力大的拉力型錨索水泥漿要開裂是一個不爭的事實。也有人認為，在地下封閉狀態(tài)砂漿有些微裂隙（寬度不大于0.5mm）不影響錨索的永久性。然而，這僅是一個美國人在一個核電站的實證，還不具備推廣到錨索的價值。日本對鋼筋砼中裂縫寬度與鋼筋腐蝕的關(guān)系進行了長達20余年的研究，也認為砼的裂縫寬度0.5mm時對結(jié)構(gòu)的永久性影響不大。 國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會也允許鋼筋砼中有不大于0.3mm的裂縫，這些研究成果可否引入錨索還沒有把握。如果一定要求全長粘結(jié)錨索的注漿體不出現(xiàn)裂縫，這里推薦一種1993年在漫灣水電站6000kN級錨索使用過施工工藝：分段注漿分次張拉和錨固施工法。該方法的要點是，比如6000

18、kN級錨索分為三級，每級2000kN，總設(shè)計錨固段長9.0m，分為三段注漿，每段3.0m，第一次注3.0m，拉2000kN，錨固；再注3.0m，張拉至4000kN，錨固，余次類推。砂漿和錨索的受力情況示于下圖。 分段注漿分級張拉錨固砂漿及錨索受力圖 該方法的主要優(yōu)點是每次張拉時的注漿體都是從零應(yīng)力開始，而錨索的拉力是逐級疊加的。這種施工方法可以大大減少砂漿的拉應(yīng)力。分級的多少，以不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的砂漿拉裂裂縫的最大拉力為準。 錨索是深埋地下的，不像暴露于大氣中的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，經(jīng)常受到大氣和煙囪中的CO2、SO2等有害物質(zhì)的侵蝕，只要作到以上兩點，全長粘結(jié)型錨索完全可以作為永久錨索設(shè)計。到目前為止，看到的有關(guān)錨索銹蝕破壞的報道，以及國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會收集到的35例錨索破壞的實例，幾乎沒有全長粘結(jié)型錨索。當然，錨索的破壞原因是多樣的，有地層原因、有施工質(zhì)量原因，也有選材不當造成的，絕對不能因為隔離防護錨索銹蝕破壞的多就否認隔離防護的有效性。 下列情況下不宜將全長粘結(jié)錨索作為永久錨索：1、有海水侵入及含有氯化物和硫酸鹽的地層；2、有腐蝕性廢水侵入及受腐蝕性氣體污染的工廠附近，如化學工廠、污水處理廠等；3、雜散電流密集地區(qū)，如變電站、地下鐵道附近