預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕與防護

預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕與防護

預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕形成機理及其防腐技術(shù)預(yù)測波茨將高強度鋼絲繩作為長期壓力上升的主動壓力結(jié)構(gòu)，并利用特殊方法將高強度鋼絲繩轉(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行了多方面的研究。早在20世紀70年代,英國的Hanna教授等就對巖土錨固破壞模式進行了研究,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)計荷載,并指出錨斷裂與銹蝕、機械損傷等有關(guān)。國內(nèi)有關(guān)專家對被動錨失效現(xiàn)象進行了調(diào)查研究,歸納得出:錨索腐蝕在錨失效中占相當大的分量。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識,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)力錨索的腐蝕機理及其防腐技術(shù)進行研究。國際后張預(yù)應(yīng)力隴會(FIP)地錨工作小組收集到了35例預(yù)應(yīng)力錨桿(索)腐蝕破壞實例,并對其破壞的原因進行了統(tǒng)計分析:可以看出,其中永久錨桿(索)占69%,臨時錨桿占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)進入微裂縫腐蝕鋼絞線,腐蝕沿裂縫深入,應(yīng)力再促進裂縫發(fā)展。所有應(yīng)力腐蝕理論都認為,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展。法國米克斯壩,有幾根13000kN承載力的錨桿僅使用幾個月就發(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,生成的氫原子會迅速結(jié)成氫分子,當這一過程受到阻礙時,氫原子就會向錨索內(nèi)部擴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,便會發(fā)生斷裂。我國梅山水電站的無黏結(jié)監(jiān)測錨索運行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)機理產(chǎn)生的,同時,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錨固的支護技術(shù)我國巖土預(yù)應(yīng)力錨索的防腐技術(shù),與發(fā)達國家相比較存在較大差距。發(fā)達國家對巖土預(yù)應(yīng)力錨索防腐開展了大量研究工作,提出了較為細致的防腐措施和相當完備的技術(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部位均要達到雙重防腐,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)驗并參照有關(guān)國家標準,我國水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計規(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的標準進行防腐、防銹處理;(2)錨桿(索)體防腐、防銹處理時,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)點是,與國內(nèi)錨固技術(shù)相一致;缺點是,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)達國家的巖土錨固規(guī)范存在較大差別。發(fā)達國家的巖土錨固規(guī)范,對巖土錨索防腐規(guī)定十分完備,其主要特點歸納如下:(1)首先應(yīng)對地層的侵蝕性進行檢測,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,而且錨索的防護體在施工過程中不能被損壞,同時還要求錨索的錨固體在受力與變形過程中其防護體不能被損壞。其制作工藝和防護結(jié)構(gòu)十分精細和完備。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。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(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。英國地錨規(guī)范(BS8081:1989)規(guī)定,永久錨桿(索)必須進行防護;對侵蝕性滲透土層,應(yīng)采用雙層防護。單層防護意味著在錨桿(索)安裝前提供一層物質(zhì)性防護層。雙層防護則是提供2層防護,其中外層的作用是防止預(yù)應(yīng)力錨桿(索)內(nèi)防護層在運輸和安裝時發(fā)生損壞。對己安裝的預(yù)應(yīng)力錨索防護程度來說,則外防護層僅提供附加保護。對于低滲透性和無侵蝕性巖體采用單層防護。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、細砂、石粉。鋼絞線安裝灌漿后,FIP、歐盟中19個國家均采用歐洲標準EN1537:1999規(guī)范,要求所有工作錨索施工前后均采用數(shù)字電阻計進行絕緣電阻檢測,測定己安裝好的錨索防腐性能,以確保其防腐功能。2.2錨索的防護與覆蓋物的選擇應(yīng)用(1)防腐設(shè)計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、物理防護和電力防護、涂覆材料等。(2)堿性環(huán)境防護是依靠水泥質(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),從而起到保護作用,達到對錨索的保護目的;(3)物理防護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;電力防護是使錨索體形成一個電路,并使錨索體表面極化成陰極的保護方法,所以又稱陰極保護,通常是為保護大批錨索而采用的方法。由于工程造價等方面的原因,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,采用有機高分子材料或者無機材料,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入錨孔,對錨索體起到防護作用;(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、強度、抗腐蝕和抗老化能力;錨頭采用混凝土封錨進行防護。(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,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)在本項目中完全證明了其“實用、經(jīng)濟、工期短、防腐效果好及抗震性能好”等特點。(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、可進行一次張拉等特點增強了對復(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)濟效益和社會效益顯著。(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現(xiàn)較高承載力的情況下應(yīng)運而生的錨索結(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鉆孔中放置多個錨索單元,在張拉時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)動巖土體的強度,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“定時炸彈”。而作為影響其耐久性