國內預應力錨桿(索)防護要求與存在的問題

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1、引言
    近10年來，預應力錨索加固技術已廣泛應用于建筑結構物加固、邊坡治理、大型地下洞室及深基坑支護等工程。隨著我國基礎工程建設項目的迅猛發(fā)展，可以預見，預應力錨索加固技術將獲得更為廣泛的應用。
    然而，根據(jù)國際后張預應力協(xié)會(FIP)的35例錨桿錨索腐蝕破壞實例的分析及我國近30a預應力錨索應用情況的調查，在高拉應力作用下，預應力筋會出現(xiàn)應力腐蝕，如法國米克斯壩，有幾根13000kN承載力的錨桿僅使用幾個月就發(fā)生斷裂。我國梅山水電站的無粘結監(jiān)測錨索(924絕緣膠浸泡及2～3層瀝青麻袋包裹)在運行4～6a，先后有3束錨索因應力腐蝕兼氫脆而導致鋼絲斷裂。
    國際學術界和工程界進行了大量的研究，制定了一系列強制性規(guī)定，我國學術和工程界起步較晚，設計、施工和使用均存在一定的隨意性，各部門各行業(yè)的規(guī)定也不同，與國際規(guī)范的差距較大。
    2、巖土錨桿(索)的腐蝕特點
    巖土錨桿(索)所在的特定介質環(huán)境和高拉應力特點，使未經防腐或防腐不當?shù)腻^桿(索)發(fā)生腐蝕，甚至導致破壞。根據(jù)鋼筋腐蝕的不同機理，一般分為應力腐蝕、氫脆、化學腐蝕和電化學腐蝕。
    國際后張預應力協(xié)會(FIP)地錨工作小組收集到了35例預應力錨桿(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%，錨桿使用期在2 a以內和2 a以上發(fā)生腐蝕斷裂的各占一半。
    錨索破壞的原因分析如下：
    （1）錨固段問題 兩例都是由于錨固段內灌漿不足所致，其中一例是3m長的鋼絞線受含硫酸鹽和氯化物的地下水侵蝕，灌漿施工缺少壓水檢查和施工不當導致錨固段灌漿不足。
    （2）自由段問題 大致分為以下5種破壞形式：(a)地層運動造成拉筋超應力，使其產生裂紋；(b)在有氯化物的情況下，水泥漿包裹不足或無水泥漿；(c)由于耐久性差導致瀝青包裹層破壞；(d)保護材料選擇不當，如化學材料中含有硝酸根離子和吸濕瑪碲脂；(e)所有拉筋在無保護情況下存放了很長時間。
    （3）錨頭問題 主要是缺乏防腐措施或工作期間保護劑充填不完全或塌落。
    表1 35例地錨腐蝕破壞實例統(tǒng)計分析
    3、中國規(guī)范中關于預應力錨桿(索)防護要求
    3.1水工預應力錨固設計規(guī)范(SL212-98)
    這是國家水利部發(fā)布的行業(yè)標準：
    （1）預應力錨固中的錨桿(索)體，可按表2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）預應力錨桿(索)采用水泥砂漿或水泥漿作為封孔灌漿或膠結材料時，應符合水工預應力錨固設計規(guī)范。摻加的減水劑、早強劑、膨脹劑中對鋼材有腐蝕作用的物質含量也應符合第(2)條的規(guī)定；
    （4）無粘結預應力錨桿(索)錨固段所使用的膠結材料也滿足第(3)條的規(guī)定。對于張拉段也必須采用水泥漿或水泥砂漿進行全孔封閉防護；
    （5）封孔灌漿后，錨索應有大于20 mm的保護層厚度。
    表2 預應力錨桿(索)的防腐、防銹標準
    注：A級防護材料，如石灰水、防腐油；B級防護材料，塑態(tài)防護，如凝膠、樹脂或防銹油脂； C級防護材料，剛性防護，如水泥漿或水泥砂漿。
    3.2 錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范(GB50086-2001)
    這是國家建設部和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的國家最新統(tǒng)一標準：
    （1）預應力錨桿的錨固段灌漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿，其抗壓強度不宜低于30MPa。壓力分散型錨桿錨固段灌漿體抗壓強度不宜低于40MPa；
    （2）錨固段內的預應力筋每隔1.5～2.0m應設置隔離架。永久性的拉力型或拉力分散型錨桿錨固段內的預應力筋宜外套波紋管，預應力筋的保護層厚度不應小于20mm。臨時性錨桿預應力筋的保護層厚度不應小于10mm；
    （3）自由段內預應力筋宜采用帶塑料套管的雙重防腐，套管與孔壁間應灌滿水泥砂漿或水泥凈漿；
    （4）預應力錨桿體內的綁扎材料不宜采用鍍鋅材料；
    （5）灌漿料可采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿，也可采用灰砂比為1∶1，水灰比為0.45～0.50的水泥砂漿；
    （6）當采用自由段帶套管的預應力筋時，宜在錨固段長度和自由段長度內采取同步灌漿；
    （7）當采用自由段無套管的預應力筋時，應進行兩次灌漿。第一次灌漿時，必須保證錨固段長度內灌滿，但漿液不得流入自由段。預應力筋張拉錨固后，應對自由段進行第二次灌漿；
    （8）永久性預應力錨桿應采用封孔灌漿，應用漿體灌滿自由段長度頂部的空隙。
    3.3 土層錨桿設計與施工規(guī)范(CECS 22∶90)
    此規(guī)范由中國工程建設標準化協(xié)會批準的，屬協(xié)會標準。
    關于錨桿設計，規(guī)定使用年限2 a以內的錨桿，可按臨時性錨桿設計；使用年限大于2 a的錨桿，應按永久性錨桿設計。
    對原材料，有以下規(guī)定：
    (1) 塑料套管材料應具有足夠的強度，保證其在加工和安裝過程中不致?lián)p壞，具有抗水性和化學穩(wěn)定性，且與水泥砂漿和防腐劑接觸無不良反應；
    (2) 隔離架應由鋼、塑料或其他對桿體無害的材料組成，不得使用木質隔離架；
    (3) 防腐材料應滿足∶在錨桿服務年限內，應保持其穩(wěn)定性；在規(guī)定的工作溫度內或張拉過程中不得開裂，變脆或成為流體；不得與相鄰材料發(fā)生反應，應保持其化學穩(wěn)定性和防水性；不得對錨桿自由段的變形產生任何限制；
    (4) 水泥漿體材料應滿足：水泥宜使用普通硅酸鹽水泥，必要時可采用抗硫酸鹽水泥；不得使用高鋁水泥；細骨料應選用粒徑小于2 mm的中細砂，砂的含泥量按重量計不得大于3%，砂中所含云母、有機質、硫化物及硫酸鹽等有害物質的含量，按重量計不宜大于1%；
    (5) 混合水中不應含有影響水泥正常凝結與硬化的有害物質，不得使用污水，永久性錨桿不得使用pH值小于4.0的酸性水和硫酸鹽含量按SO4計算不超過水重1%的水；
    (6) 水泥漿中氯化物的總含量不得超過水泥重量的0.1%，一般不宜采用膨脹劑。
    本規(guī)范由專章對錨桿防腐提出了要求，要求對腐蝕環(huán)境進行充分的調查，防腐方法必須適應使用目的，對錨頭，自由段和錨固段應分別對待，規(guī)定永久性錨桿必須進行雙層防腐，當腐蝕環(huán)境特別嚴重時，臨時錨桿也應采用雙重防腐。
    4、國外關于預應力錨桿(索)防護要求
    經初步查閱有關文獻，由于起步較晚，我國巖土錨固規(guī)范對錨桿(索)防護的要求與國際規(guī)范差距主要表現(xiàn)在：
    (1)對地層侵蝕性的檢測與確定；
    (2)錨桿的防腐級別和方法，尤其表現(xiàn)在永久性防護措施如灌漿材料和線材要求方面；
    (3)施工后防蝕能力確定。
    從發(fā)展過程來看，美國已經歷了5個發(fā)展階段
    (1)固定段鋼絞線無保護；
    (2)使用單一波紋管；
    (3)使用樹脂膜包裹鋼絞線，再分兩次灌漿；
    (4)使用環(huán)氧樹脂包裹，再灌滿環(huán)氧樹脂錨固端；
    (5)使用環(huán)氧樹脂包裹，再灌滿環(huán)氧樹脂錨固端，再加一層保護管。
    美國PTI建議地錨分為1級(防腐蝕)和2級(非防腐蝕)，其中1級使用波紋管及環(huán)氧樹脂等材料保護。且建議，尤其是水壩工程，應使用樹脂包裹鋼絞線及灌樹脂漿。
    國際后張預應力協(xié)會(FIP)1986年規(guī)范規(guī)定，永久性地錨采用單層波紋管內灌樹脂漿或雙層波紋管內灌水泥漿保護。
    荷蘭、南非等國規(guī)范均規(guī)定使用樹脂漿。英國BSI規(guī)范、德國DSI工法、日本SEEE工法等國規(guī)范規(guī)定使用單一PE波紋管內灌樹脂漿。樹脂漿的種類大體分為3類：
    (1)不飽和聚酯樹脂，可加水泥、爐石粉、細紗、石粉；
    (2)環(huán)氧樹脂；
    (3)多元聚乙烯樹脂，可加水泥、爐石粉、細紗、石粉。
    鋼絞線安裝灌漿后，F(xiàn)IP1996、瑞士1997、歐盟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)字高阻計進行絕緣電阻檢測，以確保其防蝕功能。
    5、建議
    綜上所述，我國巖土錨固規(guī)范(即使是最新的國家規(guī)范)中對錨桿(索)耐久性的要求相對較低，可操作性差，與當前國際發(fā)展水平相差較大，結構的安全性重點放在各種結構強度要求上，而對環(huán)境因素(如工程周圍水，土中有害化學介質侵蝕等)下的耐久性要求則相對考慮較少。這一方面是由于此類結構在我國應用時間不長，失事幾率較??；另一方面，我國有關規(guī)范要求零散，不具體明確。此外，與我國的經濟發(fā)展水平較低和國內學者的不同認識有一定的關系，導致工程決策時過多考慮當時的費用所致。
    隨著我國基本建設的發(fā)展，工程結構耐久性問題已經引起高度重視，但目前仍主要集中在混凝土結構的耐久性方面，作為土建結構重要組成部分的巖土預應力錨桿(索)工程的耐久性問題的研究和重視，理應引起相關研究、設計和實踐部門的高度重視。