浅谈缓冲粘结挤压预应力的工作机理及实际应用

来源 :安家(建筑与工程) | 被引量 : 0次 | 上传用户:chunlai_zhang
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  摘要:本文從浅谈有机缓粘结挤压预应力、无机缓粘结挤压预应力、缓冲粘结挤压预应力角度进行比较,阐述了缓冲粘结挤压预应力的发展技术历程、工作机理、应用及实际应用。
  关键词:缓冲粘结挤压预应力;发展历程;机理;实际应用。
  预应力混凝土加压是预应力构件未正式工作前期拉伸性能的稳定表现,为提高框架构件的耐压抗裂腐蚀性能和结构刚度,在准备施工期间给构件结构预先加压施加的拉伸压力和应力,结构件在服役期间预应力加压后的应力一般可全部或部分有效抵消由于荷载移动导致的拉伸压应力,避免构件结构受到破坏,常用于钢筋混凝土框架结构。预应力墙是混凝土主体结构,是整个结构在承受外应力荷载之前,预先对其内部施加压力,使其保持在承受外荷载压力作用时能承受拉区应力混凝土内荷载产生拉伸压力的应力,用以有效抵消或大大减小外应力荷载作用产生的拉伸压应力,使整个结构在正常施工使用的各种情况下不需要产生任何裂缝或者是开裂的比较晚。
  按各种粘结混合方式,预应力粘结混凝土混合结构可以分为三类,有机性粘结混合预应力、无机性粘结混合预应力、缓冲性粘结混合预应力。
  有机粘结挤压预应力混凝土是指使用钢绞线完全被周围固体混凝土或其他水泥或砂浆等载体完全粘结、握紧包裹的没有预应力的固体混凝土。先梁后张桥梁预应力钢筋混凝土和桥梁预设孔道桥段穿筋并进行灌浆的以及后张桥梁预应力钢筋混凝土均不能属于此类。
  无机粘结预应力混凝土是指没有预应力优质钢绞线伸缩变形自由、不与周围优质混凝土或其他水泥或砂浆体连接产生应力粘结的一种预应力优质混凝土,无弹性粘结油脂预应力是指钢绞线在其全长处均涂有弹性油脂,并外套一层塑料管进行保护。
  缓冲粘结挤压又称预应力缓粘是指在施工预期第一阶段内该预应力螺筋钢绞线经过伸缩之后变形自由、不与周围钢筋缓凝剂或粘合剂接触产生的缓粘结,而在预定施工阶段完成后的一个预定施工时期内由该预应力钢绞筋通过快速固化的钢筋缓凝剂或粘合物助剂与周围钢筋混凝土伸缩产生的缓粘结相互作用。缓粘结预应力检验技术检测是继原有有机缓粘结、无机缓粘结两种预应力检测技术之后逐步发展壮大起来的一项新型预应力检测技术。
  缓粘结无机预应力材料吸收了无机缓粘结流体施工技术特点、有机缓粘结的流体力学施工特点。施工与使用无机缓粘结预应力相同,布索自由、使用方便,采用单向穿孔焊接锚具,无需孔道设置和压浆。张拉后缓凝剂的粘合剂逐渐粘结固化,最终达到有机粘结挤压预应力混凝土的效果。
  1.发展技术历程
  19世纪80年代,由日本首先明确提出 “如果能研发出与无粘结预应力混凝土技术同样施工方便、又具有有粘结预应力混凝土技术良好粘结性能和结构性能的预应力技术,必将会大大推动预应力结构的发展”.19世纪80年代的日本,从建筑施工便捷和粘结传力传动机制合理的两个角度考虑出发,在缓冲有粘结挤压预应力和缓冲无粘结挤缩预应力挤压混凝土整体结构的基础上,研发了一种新型粘结预应力挤压混凝土结构技术,也即缓冲无粘结挤压预应力新型混凝土结构技术。该混凝土技术是既秉承传统了无利于粘结预应力主体结构混凝施工简单方便可行的技术特点;又同时具备一种有利于粘结和无预应力结构混凝土主体结构的双向传力传动机制,且抗震抗压性能良好。
  国内从截至本世纪初期开始积极进行缓冲钢筋粘结预应力设计技术基础研究,经历了基础研究,示范试验,标准编制,规模化应用四个阶段。
  000年-007年,主要研究快速缓粘合剂的固化应力机理、粘结应力机理、缓快速粘结缓凝预应力钢绞线摩擦应力系数及缓快速粘结缓凝预应力钢筋混凝土桥梁的动力力学性能等各项试验。008-010年,主要进行各种类型示范工程应用,积累设计、施工经验与技术参数。009-013年,主要进行行业标准规范编制,《缓粘结预应力钢绞线》JG/T369-2012,《缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂》JG/T 370-2012等行业标准规范开始进行编制、发布、实施。《预应力混凝土结构设计规范》JGJ369-2016也于2016年04月1日发布,该规范将缓粘结预应力技术的设计内容亦加入其中。为广大工程设计和施工人员提供了依据。目前处于规模化应用阶段。国内在工业与民用建筑领域应用最多,同时向铁路桥梁、市政、水工等领域扩展。
  2.技术工作原理
  目前常用预应力钢筋混凝土主体结构按照其施工张力特征大致可以细分为两大类,即先张法和后张法。而粘结在后张法中又分为有弹性粘结和无弹性粘结之分。
  有机粘结混凝土施工则更有利于粘结力钢筋的应用,预应力钢筋混凝土在施工中,预应力粘结筋的孔道设置及孔道压浆均匀性是整个施工过程质量难以得到保证却又为施工极其重要的关键一环,且随着高强度钢筋混凝土及横梁预应力粘结筋的大量采用,构件的横截面最大尺寸的减小,三向横梁预应力的大量采用,施工过程中的钢筋混凝土分批进行灌筑、张拉、压浆的施工阶段性等诸多因素都将会使以上几个问题更加明显突出。无应力粘结剂钢筋的首次推出,由于其采用无需制孔灌浆工艺,减少了所有施工准备工序操作流程,无需人工进行控制压浆,也就已经消除了无需制孔、压制灌浆两个工艺所可能带来的后顾之忧,同时由于采用预应力粘结筋的本身所需要占用的空间较小,易于满足建筑构件狭小使用空间的布索要求,所以在建筑工程中已经得到了广泛的实际应用。如无基层粘结剂和预应力的蓄水池,但由于无基层粘结的钢筋一般只适用于板类建筑构件,特殊建筑工程中大量使用还可能受到一定条件限制。
  缓冲粘结又称预应力差型筋粘结是一种处在实现无应力粘结的钢筋与实现有应力粘结的钢筋间的一种新的属于预应力差型筋体的粘结处理形式,通过缓粘应力粘结剂的连续固化及其实现可使预应力筋与弹性混凝土之间从实现无应力粘结逐渐粘合过渡而达到实现有应力粘结的一种新型预应力粘结形式,在预期施工第一阶段可使预应力筋伸缩自由移动变形、不与周围弹性缓凝剂或粘合剂直接产生应力粘结,而在预定施工工程完成后的一个预定施工时期内可使预应力筋通过连续固化的周围缓凝剂使粘结剂与周围弹性混凝土之间产生应力粘结相互作用,预应力筋与周围弹性混凝土粘结融为一体,共同进行工作,达到实现有应力粘结的效果。其最大特点在于它综合体现了无任何粘结的钢筋与各种有任何粘结的钢筋各自的不同优点,既可以具有各种无任何粘结的钢筋的布索自由、使用方便、无需孔道的焊接设置和人工压浆的种种优点,且具有结构稳定性能优异、符合建筑工程中的抗震性能要求、施工工艺简单、质量可靠易于控制。又成为具有同时有着高粘结性钢筋在后期施工使用上的性能特点和使用安全性的一种新一代预应力粘结工艺。 缓冲粘结挤压预应力技术主要克服了有机性粘结预应力、无机性粘结预应力的共同缺点,综合了二者的共同优点,是在有机性粘结预应力、无机性粘结预应力两种预应力技术理论基础上重新发展而来的一种预应力新技术.   缓冲粘结挤压预应力筋的物理作用及其机理主要是在这种挤压预应力粘结筋的外侧包裹着一种特殊的弹性缓粘结砂浆,这种缓凝砂浆厚度要求在5~40c的密闭温度条件下,能在30天前不发生凝结,这就充分满足了现场张拉预拉力粘结筋的使用时间控制要求。在30天后钢筋开始逐渐进行硬化,并对具有预应力的钢筋结构产生抗压握手包裹、保护等的作用,并能最终保持达到30Mpa以上的最大抗压作用强度。其发生作用主要机理之一者就是由于所通过掺水加入的水泥缓凝剂直接吸附于其他水泥缓凝颗粒矿物表面或其他水化缓凝产物矿体表面,使得掺入水的硅分子和水的Ca、So+等离子与水和C3a难于较快地分解生成诸如钙矾石等水晶体而只能起到水的缓凝水化作用;二者则是由于水泥缓凝剂与水和Ca的等离子相互作用,阻碍了其他水泥颗粒矿物正常的缓凝水化产物作用,而不能起到水的缓凝水化作用。当不断易溶于水性质砂浆膜内不断渗透的水压增加加大使之不断破裂,暴露出新的缓凝熟料砂浆表面时,又可能会不断消耗新的缓凝水泥材料物质生成不溶性质的物质,直到熟料消耗尽缓凝材料物质,才能继续使缓凝水泥正常完成水化,使新的缓凝材料砂浆继续具有一定强度。
  缓凝剂在产品研制生产过程中,针对实际缓凝工程的不同要求、不同特点分别进行产品工程性能模拟试验和工程验证试验,以便求得在不同环境条件下的不同要求缓凝配方和比较稳定的产品技术性能,进行了不同环境条件温度不断变化对其产品缓凝性能和影响的分析试验。将三种环境隔热温度适用范围分别按照中低温温度区5~7℃、中温区10~5℃、高温区30~40℃这样三个温度区域所进行的综合划分而可以得出一种适应于不同的高温度环境条件下的隔热技术保温配方。基于钢筋缓凝粘结砂浆在施工预期第一阶段(预应力筋张拉前),施工完成后预期第二阶段预应力筋具有较高的与混凝土主体粘结抗拔强度和混凝土主体抗压强度的符合性要求而分别进行了摩阻稳定试验和粘结强度稳定测试, 同时对基层硬化后的钢筋缓凝粘结砂浆和具有预应力力的钢筋与基层混凝土主体构件的粘结抗拔应力强度进行试验,由此证明缓凝的粘结筋工艺用于工程实践中的安全性和可靠性。
  3.结构
  缓凝粘结预应力钢绞线由三个大部分共同组成:缓凝钢绞线(又称裸线)、缓凝剂和粘合剂、外包装和护套。
  1)、钢绞线
  缓冲胶粘结构和预应力普通钢绞线所需要使用普通钢绞线为普通专用钢绞线,具体规格和性能依据《预应力混凝土用钢绞线》GBT54-2014选用。
  2)、缓凝橡胶粘合剂
  缓凝橡胶粘合剂是缓凝耐粘结构型预应力钢绞线的核心,其本体具有良好耐酸耐碱耐腐蚀性、固化后流动强度高等特点.固化后的热强度不得大于50Mpa。张拉在适用期内具有40天、60天、90天等规格,固化期也同样具有360天、180天,70天等多种使用规格。张拉工程适用期和工程固化期之间依据不同工程性质特点调节,选择缓粘结剂固化时间时,必须根据施工进度计划,考虑预应力筋张拉适用期,来确定缓粘结预应力的生产时间。工期不同,所在工作地区温度不同,固化期的选择也不同。
  在张拉适用期内,缓冲的粘结力和预应力不锈钢绞线材料可自由张拉,摩擦应力系数小。张拉适用期过后,摩擦阻力系数就会增大。因此,缓冲高粘挤压预应力钢绞线必须在张拉技术适用期内按时完成张拉。实际应用可根据工程现实情况参照现行规范《缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂》JG/T370-2012。
  3)、外包护套
  外包护套具有耐腐蚀特性。其主要功能起到在缓冲胶粘结构和预应力不锈钢绞线的制备、运输、施工的全过程中以固定型作为保护剂的作用。外包装保护套的内肋高度成为一个关键重要参数,外包装保护套的内外表面需要设计成一个肋状,其剥开后内表面亦必须有肋槽。
  4.技术特征
  1)、施工与无粘结预应力相似,与有粘结预应力相比,不需要穿波纹管不需要灌浆,减少了两道复杂工序,减少了现场人工操作影响,施工质量容易得到保障。缓粘结预应力目前使用单孔锚具,与有粘结预应力相比节点布置更为灵活。
  2)、结构稳定性能采用缓凝剂和粘合剂基体固化后,与周围钢筋混凝土基体形成稳定咬合剂和粘结,达到有粘效果。
  3)、耐久性缓凝弹性粘结剂的预应力钢绞线整体构造一共有三层,钢绞线(又称裸线)的最外层由具有耐酸碱腐蚀的高级缓凝弹性粘合粘结剂与专用外包装的护套结合包裹,形成两层保护粘结层,耐久性远远高于其他普通粘结剂的预应力。
  5.工程实践及技术应用
  目前缓冲粘结挤压钢筋预应力构造工艺已在实际工程中多次得到应用,尤其是应用于三向箱梁预应力结构的竖、横两个运动方向,使其技术优点功能得到极好的应用体现。在纵向预应力筋简支梁当中纵向预应力钢筋的推广应用,使得以前傳统中、小梁大跨先张梁完全摆脱了张拉台座的工艺约束,后张梁完全免除了预制孔和加压力砂浆的复杂工序,减少了大量施工制造设备,这一切切都使得传统简支梁材料生产和施工制造过程中的纵向预应力力筋工艺操作变得简单而易行,更易于地达到现场的必要施工准备条件。做为这种主要起步于大型桥梁主体结构的一种预应力制造工艺同样地也可以广泛地直接应用于建筑工业与其他民用建筑、大型商业住宅综合体、体育场馆、大型停车库、机场旅客航站楼、站房、污水处理池、水利工程、土木建筑工程的施工修复和桥梁加固等各种类型预应力钢筋混凝土结构中。
  参考文献
  《缓粘结预应力钢绞线》JG/T369-2012
  《预应力混凝土结构设计规范》JGJ369-2016
  作者:单国强 (1966--);上海华城工程建设管理有限公司工程师,国家注册一级建造师, 注册一级造价师,注册监理工程师
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