（固体力学专业论文）应力对预应力钢丝断裂性能和腐蚀的影响研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 皇皇皇舅鼍舅目| | 鼍舅曹一i i i i 鼍量i 应力对预应力钢丝断裂性能和腐蚀的影响研究 摘要 预应力钢丝( 钢绞线) 广泛地应用于预应力混凝土结构中。本论文 主要通过数值计算和试验方法研究了应力( 包括外部施加应力和残余应 力) 对预应力钢丝的断裂性能和腐蚀的影响，其内容主要包括下面三个 方面： 1 残余应力对开裂预应力钢丝断裂性能的影响 预应力钢丝在冷拔时产生的拉残余应力对其断裂性能会产生有害影 响。在本论文中利用有限元分析，断裂发生的微观力学模型和厂口理论， 定性地研究了纵向残余应力对开裂预应力钢丝断裂性能的影响，并与不 考虑残余应力时的情况进行了比较，结果表明：拉残余应力可以通过改 变裂尖约束来减少了预应力钢丝的断裂韧度。 2 外部施加应力对预应力钢丝i 临界氯离子浓度的影响 一方面当混凝土中的氯离子浓度达到其临界值时，钢筋表面的钝化 膜便会破坏，从而导致钢筋发生腐蚀；另一方面当作用于预应力钢丝的 外部施加应力超过弹性极限时，预应力钢丝便会发生塑性变形。为了评 价预应力钢丝的塑性变形对其临界氯离子浓度的影响，采用恒电流阳极 极化技术作为加速试验方法，调查了具有不同氯离子浓度的饱和氢氧化 钙溶液中受轴向拉力作用的预应力钢丝的坑成核电位。试验结果表明： 当预应力钢丝中的应力超过弹性极限时，其临界氯离子浓度值比其应力 低于弹性极限时的小，而造成这种现象的主要原因是由于塑性变形不但 第1 页 上海交通大学博士学位论文摘要 i i 皇皇| 皇皇皇璺鼍一 降低了碱性环境下影响钝化膜形成的预应力钢丝的电极电位，而且增强 了预应力钢丝坑蚀的敏感性。 3 外部施加应力对预应力钢丝氢脆敏感性的影响 氢脆是预应力钢丝的主要腐蚀形式之一，而预应力钢丝中的应力水 平对其氢脆的敏感性有直接的影响。通过实施耦合扩散的弹塑性有限元 分析，来获得平面应变条件下带有凹口的预应力钢丝中氢浓度的分布。 结果表明外部施加应力对预应力钢丝中氢浓度的分布会产生影响，而且 外部施加应力存在一个“临界值”，当超过此值时，预应力钢丝中的氢浓 度随应力的增加而急剧增加。 关键词：预应力混凝土，预应力钢丝，残余应力，断裂，腐蚀，临界氯 离子浓度，氢脆 第页 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fe f f e c to fs t r e s s e so nt h e f r a c t u r eb e h a 、厂i o ra n dc o r r o s i o no f p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s a b s t r a c t p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s ( s t e e ls t r a n d s ) a r ew i d e l yu s e di np r e s t r e s s e d c o n c r e t es t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so fs t r e s s e s ( i n c l u d i n ga p p l i e d s t r e s s e sa n dr e s i d u a ls t r e s s e s ) o nt h ef r a c t u r eb e h a v i o ra n dc o r r o s i o no f p r e s t r e s s i n g s t e e lw i r e sa r ei n v e s t i g a t e d b yn u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee f f e c to fr e s i d u a ls t r e s s e so nt h ef r a c t u r eb e h a v i o ro fc r a c k e d p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s r e s i d u a ls t r e s s e s ，g e n e r a t e db yc o l d - d r a w no p e r a t i o n si np r e s t r e s s i n g s t e e lw i r e s ，m a yh a v ed e t r i m e n t a le f f e c t so nt h ef r a c t u r eb e h a v i o ro ft h e p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s u s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l so ff r a c t u r ei n i t i a t i o na n d 乒qt h e o r y ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e q u a l i t a t i v ee f f e c to ft h el o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s s e so nt h ef r a c t u r eb e h a v i o r o fc r a c k e dp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s ，a n dt h er e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t h t h o s eo b t a i n e df r o mt h es t e e lw i r e sw i t h o u tr e s i d u a ls t r e s s e s i th a sb e e n c o n c l u d e dt h a tt h et e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e sc a nr e d u c et h ef r a c t u r et o u g h n e s s o fp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e sb ya l t e r i n gc r a c k - t i pc o n s t r a i n t 2 t h ee f f e c to fa p p l i e ds t r e s s e so nt h ec r i t i c a lc h l o r i d ec o n c e n t r a t i o n so f p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s o nt h eo n eh a n d ，t h ep r e s e n c eo fs u f n c i e n tc h l o r i d ei o i l si nc o n c r e t e c a u s e sb r e a k d o w no ft h ep a s s i v ef i l m so nt h es t e e ls u r f a c ea n dl c a d st o 第1 i i 页 上海交通大学博r 上学位论文a b s t r a c t c o r r o s i o no ft h es t e e l ，o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h ea p p l i e ds t r e s se x c e e d st h e e l a s t i cl i m i t ，t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ep r e s t r e s s i n gs t e e lw i r ei sp r o d u c e d t oe v a l u a t et h ee f f e c to ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no nt h ec r i t i c a lc h l o r i d e c o n c e n t r a t i o no fp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s ，t h ep i tn u c l e a t i o np o t e n t i a lo ft h e p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e h a sb e e ni n v e s t i g a t e db yg a l v a n o s t a t i cp o l a r i z a t i o n t e c h n i q u ea sa c c e l e r a t e de x p e r i m e n tm e t h o di ns a t u r a t e dc a ( o h ) 2s o l u t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，w h e nt h es t r e s se x c e e d st h ee l a s t i c l i m i t ，t h ec r i t i c a lc h l o r i d ec o n c e n t r a t i o no fp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e si sl o w e r t h a nt h a tw h e nt h es t r e s si sw i t h i nt h ee l a s t i cl i m i t t h i sc o u l db ea t t r i b u t e dt o t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nd e c r e a s e dt h ee l e c t r o d ep o t e n t i a lo f p r e s t r e s s i n gs t e e l w i r e s ，w h i c hc a na f f e c tt h ef o r m a t i o no fp a s s i v ef i l m s i nt h ea l k a l i n e e n v i r o n m e n t ，a n de n h a n c e dt h ep i t t i n gc o r r o s i o ns u s c e p t i b i l i t y 3 t h ee f f e c to fa p p l i e ds t r e s s e so nt h eh y d r o g e ne m b r i t t l e m e n t s u s c e p t i b i l i t yo fp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s h y d r o g e n e m b r i t t l e m e n ti so n eo ft h em a i nc o r r o s i o nf o r m so f p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s ，a n dt h es t r e s sl e v e li np r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e sh a sa d i r e c t e f f e c to nh y d r o g e ne m b r i t t l e m e n ts u s c e p t i b i l i t y c o u p l e dd i f f u s i o n e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a si m p l e m e n t e di no r d e rt oo b t a i nt h e h y d r o g e nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h en o t c h e dp r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e u n d e rp l a n es t r a i nc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta p p l i e ds t r e s sh a sa n e f f e c to nt h eh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，a n dt h ea p p l i e ds t r e s sh a sa “c r i t i c a lv a l u e ”w h e nt h ea p p l i e ds t r e s se x c e e d st h i sv a l u e ，t h eh y d r o g e n c o n c e n t r a t i o ni nt h ep r e s t r e s s i n gs t e e lw i r ew i l ls h a r p l yi n c r e a s ef o l l o w i n gt h e s t r e s s k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ，p r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e ，f r a c t u r e ， c o r r o s i o n ，r e s i d u a ls t r e s s ，c r i t i c a lc h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n ，h y d r o g e n e m b r i t t l e m e n t 第1 v 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声昵所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：科乏 日期：川年1 7 月占日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：呻乏、 日期：叩年占月易日 指导教师签名：f 主北闼 日期：2 a 0 7 年b 月b 日 上海交通人学博士学位论文 第一章绪论 一i i ii i 一 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 2 8 年法国人e u g e n ef r e y s s i n e t 采用高强钢筋制造后张预应力混凝土梁，并 于1 9 3 9 年设计出f r e y s s i n e t 体系后，预应力混凝土结构得到了迅速的发展。1 9 4 1 年， 第一个预应力混凝土储水池在美国投入使用乜1 。第一座预应力混凝土桥位于美国的 田纳西州，并于1 9 5 0 年1 0 月2 8 日对公众开放；而位于美国宾夕法尼亚州的w a l n u t l a n e 预应力混凝土桥于1 9 5 0 年秋建成，并于1 9 5 1 年二月正式通车嘲。自此，预应力 技术在桥梁和房屋建筑中得到了迅速的推广和应用。通过无数的实践证明，与普通的 钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有许多优点。因为它不仅能增加结构的承 载能力，可利用强度等级高的钢筋，减轻结构的自重，而且能改善结构的裂缝控制和 增加构件的长细比。 预应力混凝土构件通常分为两类：a 先张法构件；b 后张法构件。对于先张法构 件，先设置台座( 或钢模) ，预应力筋( 通常指高强钢线或钢绞线) 在台座( 或钢模) 上张拉并锚固，然后支模和浇捣混凝土，当混凝土强度达到指定值时，放松和剪断预 应力筋。预应力筋放松后将产生弹性回缩，但由于他们与混凝土粘结在一起而受到阻 止，从而在混凝土构件中产生预压力。先张法通常适用于批量生产的中、小型构件， 比如：小梁，实体或空心板等。而对于后张法构件，在浇筑混凝土之前，在构件的模 板内按所要求的形状，安放好管道，然后浇筑混凝土。当混凝土达到一定的强度时， 在管道内穿入预应力筋( 通常为lx 7 钢绞线) ，并按设计要求张拉预应力筋，然后用 锚具将预应力筋在构件端部锚固住，阻止预应力筋回缩，从而对构件施加预应力。待 预应力筋张拉完毕后，应对管道进行压力灌浆。为了保证灌浆密实，一方面可以在远 离灌浆孔的适当部位应预留出气孔，另一方面也可以采用真空灌浆。灌浆可以提供两 个好处：a 由水泥浆提供的高碱性环境，有利于防止预应力筋的锈蚀；b 有利于混 第l 页 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 凝土与预应力筋之间的粘结。当水泥浆结硬时，它就与预应力筋和管道内壁粘结，这 样就能传力。后张法通常适用于运输不便的大中型构件，比如：一些桥梁，房屋构件 等。 预应力钢丝是预应力筋的一种形式之一，它在预应力混凝土结构中的应用主要用 于先张法构件中。经过拉拔的预应力钢丝( 未经应力消除) 也被用来加工制造成7 线钢绞线一根钢丝呈螺旋缠绕1 根直钢丝，它在预应力混凝土结构中的应用主要用 于后张法构件中。 近几十年来，预应力混凝土技术取得了长足的进步，已从原来主要用于房屋和桥 梁的相对小跨的构件发展到了主要( 或较重要) 的结构，比如：海上结构，核反应堆 容器，大的商业和工业建筑以及其它一些特殊目的的结构等。尽管在实际中预应力混 凝土结构发生破坏的情况是非常少的，但是人们必须意识到其破坏的后果将是非常严 重的，不但会造成严重的经济损失，而且还有可能会造成严重的社会后果，因此对预 应力混凝土结构的安全性( 强度) 和耐久性应有较高的要求。对于预应力混凝土结构 来说，预应力钢丝( 钢绞线是由预应力钢丝组成的) 是非常重要的，它提供必要的预 应力来平衡外部荷载对结构产生的作用。在预应力混凝土结构中，预应力钢丝一般处 于高应力条件下，它的性能( 比如：断裂性能，腐蚀性能等) 对预应力混凝土结构的 安全性和耐久性有着显著的影响。 1 2 预应力钢丝概述 作为预应力结构中张力源的高强预应力钢材主要指抗拉强度在1 4 7 0 m p a 以上的 预应力钢丝、预应力钢绞线、热处理钢筋及p c 钢棒，其中预应力钢丝和钢绞线应用 最广。预应力钢丝是用优质碳素结构钢的索氏体化盘条经拉拔而得到的，而钢绞线是 由六根预应力钢丝呈螺旋状围绕在一根中心钢丝而成的l 7 结构钢绞线。近年来， 国内外在发展lx1 9 结构等的高强钢绞线。 预应力结构对高强预应力钢材的要求是： ( 1 ) 要有足够的抗拉强度； 第2 页 上海交通人学博上学位论文第一章绪论 ( 2 ) 好的抗疲劳与应力腐蚀能力； ( 3 ) 能适应不同的预应力体系； ( 4 ) 有较低的应力松弛性能。 预应力钢丝( 钢绞线) 的各项性能主要取决于： ( 1 ) 钢的化学成分 ( 2 ) 盘条的控冷 ( 3 ) 预应力钢丝的拉拔 ( 4 ) 预应力钢丝、钢绞线的稳定化处理 1 2 1 预应力钢丝的化学成分 预应力钢丝所用的优质碳素结构钢可在平炉、电炉、转炉中冶炼，由于平炉工艺 落后，我国已在上世纪九十年代予以淘汰，由于电炉钢中氮含量高不利于拉拔。因此， 预应力钢丝、钢绞线所用的优质碳素结构钢大都在氧气顶底吹复含吹炼的转炉中冶 炉。 碳素结构钢中的主要化学成分除铁以外是碳( c ) 、硅( s i ) 、锰( m n ) 、硫( s ) 、 磷( p ) 。用于钢丝( 钢绞线) 的钢中含碳量( w ) 为：0 6 0 - - 0 9 0 之间、硅含量( w ) 为：0 1 2 - 0 3 2 、锰含量( w ) 为：0 6 0 - - - 0 9 0 、磷和硫为有害元素其含量( w ) 不应大于0 0 2 5 。其钢号为：7 2 b 、7 7 b 、8 2 b 、8 7 b 等。 由于预应力结构的应用重要性，要求以上钢种在熔炼后应经过炉外精炼( i f 炉) ， 使钢的化学成分均匀，最大限度去掉钢中的杂质。对特别重要用途的钢还要经过真空 脱气处理。以尽量去除钢中的氧、氢、氮，使钢达到纯净钢的要求。这是保证预应力 结构的耐久性的有力措施之一。 近年来，在钢中添加微量的铬( o 2 ) ，钒、铌等含金元素，使钢的性能更为优 良，特别是西1 2 0 m m 以上盘条的钢中是应该添加这些微量元素的。 第3 页 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 2 盘条的控冷 钢水在冶炼后经带有电磁搅拌装置的连注机浇注成连注坯，再经加热轧制成 西6 5 m m - - 西1 3 o m m 的盘条供拉制预应力钢丝之用。目前，还有部分盘条采用钢水浇 成钢锭，经开坯再轧成盘条的工艺路线。 盘条轧制后在空气中自然冷却，钢的金相组织为粗大的珠光体。这种金相组织不 利于拉拔，而且拉后的钢丝综合力学性能也不佳。因此，以往盘条在拉拔前要经铅浴 等温热处理( 铅淬火) ，以期得到利于拉拔，且有良好综合力学性能的细珠光体( 索 氏体) 组织。铅浴处理能耗大，对人体与环境有污染，从上世纪九十年代中后期已为 盘条轧制后的控制冷却的新工艺所代替。 盘条轧后控制冷却工艺( 索氏体化) 中的控冷前盘条的温度、风量、风速、风量 分布、控冷线的长度，控冷线中的保温盖的开与闭、从控冷线下来后的盘条冷却速度 等均是影响盘条、直至钢丝( 钢绞线) 性能的重要工艺参数。控制好这些参数，在尽 量接近理想等温转变曲线条件下，使红热的盘条组织从奥氏体转变为均匀的细珠光体 ( 索氏体) ，保证盘条不但有高的抗拉强度，还有不低于3 0 的断面收缩率，让随后 的拉拔顺利进行。 1 2 3 预应力钢丝的的拉拔 盘条通过拉拔，使钢中的原子晶格发生畸变和位错，阻碍了钢受力时的原子滑移， 从而提高了钢丝的抗拉强度( 冷作硬化) 和韧性。强度提高的同时，钢的塑性( 延性) 降低，此外，钢中晶粒被拉长形成纤维组织，钢的抗反复弯曲性能得到提高。用经验 公式可估算钢丝拉拔的强度： 印髟惜 m 1 ) 式中：0 。钢丝拉拔后的抗拉强度，m p a 0 广嘲丝拉拔前盘条的抗拉强度，好a 第4 页 兰：譬2 ：i ： k 一设各环境系数：冈企业条件而异 d 旷一盘条直径，m m d i 制丝直径，m m 钢丝拉拔的工艺流程如下： 困一 重垂垂夏匾i 圃一圆一圃一圆一圈 盘条轧制后表面有一层氧化铁皮必须经盐酸( h c ) 或硫酸( h 2 s 0 4 ) 的溶液 浸泡来去除方可拉拔。磷化是在盘条表面生成一层磷酸盐涂层。用来吸附拉拔润滑剂。 硼化是把涂有磷化膜的盘条浸入硼砂溶液中其作用为中和残酸及增加润滑。烘 干是为去除酸洗过程中侵入盘条内部的氢气。 预应力钢丝的拉拔是使盘条( 钢丝) 通过锥形孔的拉丝模而完成的。钢丝的最终 强度要求不同原料直径不同，拉拔的道数也不同，如1 5 7 0 m p a 的90 m m 钢丝拉5 道，1 8 6 0 m p a 的50 r a m 钢丝就要拉8 9 道。用于钢丝拉拔的拉模的几何形状如图11 所示，其中l 为拉模支承长度r 为拉模的过渡半径，为拉模角，d 0 为盘条直径，d - 为 钢丝直径。 预应力钢丝拉拔过程中的主要工艺参数为：道次压缩率、拉拔速度、润滑及钢丝 的冷却。 f i g 11d i e g e o m e w u s e d f o rc o l d d r a w i n g 图l _ 1 铜线拉拔拉模的几何彤状 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 2 4 预应力钢丝( 钢绞线) 的稳定化处理 最初，预应力钢丝以冷拉状态交货，到工地后要进行矫直才可使用，给应用带来 不便，更主要的是通过拉拔及矫直，钢丝中留有较大的残余应力，使钢丝的屈服强度 与抗拉强度之比( 屈强比) 仅为7 0 左右，应力松弛率为8 左右，钢材的能力得不到 充分发挥。 此后，研制了矫直回火( 消除应力) 的工艺，使屈强比可达8 5 左右，钢丝有较 好的伸直性，方便了施工，但仍是普通松弛级的产品。 上世纪6 0 年代，英国发明了稳定化处理工艺，我国在8 0 年代的“六五期间， 立题攻关“低松弛级预应力钢丝和镀锌预应力钢丝”。采用稳定化处理工艺生产出低 松弛级预应力钢丝( 钢绞线) 。稳定化处理是使预应力钢丝( 钢绞线) 在承受约4 0 4 5 的破断负荷的条件下，对它施行3 5 0 4 0 0 c 的回火处理，使钢中的原子从不稳 定状态转为较稳定状态钉扎位错，从而使钢丝( 钢绞线) 的屈强比提高到9 0 - 9 3 ， 应力松弛达到低松弛级的水平，钢丝( 钢绞线) 的伸直性良好，大为方便施工及预应 力筋长度误差降低，各预应力筋受力均匀。 稳定化处理不仅使预应力钢丝中产生的残余应力明显减小，而且还可以增加预应 力钢丝的弹性模量，屈服强度及延性。经稳定化处理处理( s t a b i li z e d ) 后共析拉拔 钢丝的纵向残余应力( l o n g i t l 刀) i n a lr e s i d u a ls t r e s s ) 分布( 由数值分析及 x 射线衍射测量得到) 与相对深度( r e l a t i v ed e p t h ) 的关系如图1 2 所示h 1 ，其 中r 为预应力钢丝的半径，r 为预应力钢丝的极坐标( 坐标原点在钢丝的中心轴线上) 。 由于预应力钢丝生产工艺的不断完善和提高，以及优质原材料的使用，在我国预 应力钢丝及钢绞线的强度等级也得到了不断的提高，预应力钢丝的抗拉强度已从上世 纪5 0 年代末的1 0 0 0 - 1 2 0 0 1 旧a 提高到目前的1 8 6 0 m p a 或更高；在上世纪6 0 年代时， 钢绞线的抗拉强度为1 4 7 0 一- 1 5 7 0 m p a ，而目前钢绞线的强度等极大多数为1 8 6 0 m p a ， 并且1 9 6 0 m p a 强度级已列入g b t 5 2 2 4 2 0 0 3 标准之中嘲。 第6 页 上海交通人学博i 上学位论文 第一章绪论 f i g 1 2d i s t r i b u t i o no fl o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s s e si np r e s t r e s s i n gs t e e lw i r e s ( c i r c l ea n db o xi n d i c a t e l o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s s e sb e f o r ea n da r e r s t r e s sr e l i e v i n g , r e s p e c t i v e l y ) 钉 图1 2 预应力钢丝的纵向残余应力分布( 0 和口分别表示稳定化处理前后，钢丝中的纵向残 余应力) 4 1 1 3 预应力钢丝的断裂 经过拉拔后的钢丝受其内部组织结构发生变化等因素的影响，可以达到比较高的 强度和韧性。但是在不同的外部条件作用下，预应力钢丝不但有着不同的断裂特征， 而且其原有的强度和韧性在某些条件下也会发生改变( 对于受氢损伤的预应力钢丝的 断裂，详见4 2 节中的有关内容) 。下面简要介绍一下实际使用中预应力钢丝常见的 几种断裂形式。 在没有遭受腐蚀损伤的情况下，无表面缺陷的普通预应力钢丝在轴向拉力的作用 下，将发生延性断裂，在一般情况下其断裂面上存在着三个明显的不同断裂发展特征 区1 。这三个特征区分别用i ，i i ，i i i 表示。我们通过对直径为5 m m 的预应力钢丝的 拉断试验得到的断面电镜扫描图也确认了这三个区的存在，如图1 3 所示。断裂将起 源于i 区，然后裂纹以缓慢的或稳态的方式发展；i i 区表示裂纹将以迅速的或不稳态 第7 页 的方式扩展；预应力钢丝最后断裂时，将在m 区形成一个倾斜的断裂面，即剪切唇区 ( s h e a r l i pz o n e ) 。i 区和i i 区的交接处为裂纹的发展由快到慢的过渡位置而裂纹从 i i 区扩展 0 i i i 区的速度板快，咀致于在这个过程中，荷载和变形没有什么改变。此外， 对于这种断裂形式，从微观的角度来看，通常起源于空隙的成核，然后是发展，连接， 到最后中心裂纹的形成。在外加轴向拉力的作用下，在中心裂纹的裂尖将产生变形集 中，而产生的裂纹将沿垂直于预应力钢丝的轴向方向扩展，直到接近于预应力钢丝的 外表面处。当不稳态的裂纹扩展发生时裂纹将沿与预脚力钢丝的轴向大致成4 5 度 的剪切面扩展，形成杯锥形断口。 f i g i3s e mv i e wo f t h e f r a c t u r es u r f a c e o f o r d l n “d p r e s t r e s s i n gs t e e l w i r e 固i3 普通预应力钢丝断裂面的电镜扫描图 预应力混璇土结构中的预应力钢丝，有时也会发生脆性断裂，在断裂前预应力 铡丝没有明显的或甚至没有变形，而且这种断裂通常起源于预应力钢丝的表面缺陷， 这些缺陷一般来自于疲劳或应力腐蚀产生的袁面裂纹“1 。在这种情况f ，破坏荷载低 于弹性极限。对发生在实际使用情况下以及试验室条件下的预应力钢丝的断裂分析表 明：前面所述的导致预应力钢丝断裂的缺陷通常具有类似拇指指甲的外形可以分为 两种类型。一种属于具有类似椭圆边界的裂纹，另一种是具有圆岗边界的栈裂纹。 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 皇曩皇置一i 一 t o r i b i o 和t o l e d a n o p l 研究了具有初始疲劳预裂纹预应力钢丝的拉拔道数对其断裂 微观机理的影响。他们的研究结果表明：对于拉拔道数较少的开裂预应力钢丝( 比如 将直径为1 2 m m 的盘条拉拔3 道成直径为8 9 m m 的钢丝) ，其断裂显示出各向同性的 特性，其微观断裂机理是最弱键类型( w e a k e s tl i n kt y p e ) ，即当截面上的某一点达到 临界条件时便会起裂，然后沿初始疲劳预裂纹平面方向，以张开型裂纹方式发生脆性 解理断裂；而对于拉拔道数较多的开裂预应力钢丝( 比如将直径为1 2 m m 的盘条拉拔 6 道成直径为7 m m 的钢丝) ，其断裂显示出各向异性的特性，其微观断裂机理属于过 程带类型( p r o c e s sz o n et y p e ) ，即临界条件在截面上的一定范围内满足时，延性断裂便 会发生。 预应力混凝土结构中在锚固区附近或预应力钢筋变换方向的地方，预应力钢筋将 受到横向压力的作用，在这种情况下，预应力钢丝( 或钢绞线中的钢丝) 将发生剪切 型断裂，且相应的断裂荷载也会降低哺1 。同时受轴向拉力和局部横向压力的预应力钢 丝的破坏试验结果也表明：随着局部横向压力的增加，预应力钢丝的断裂荷载将明显 的降低，断裂时的延性参数，比如：伸长率，也将减少嘲。对于这种断裂形式，从微 观的观点来看，其断裂的微观机制是与局部塑性相关的剪切韧窝，而在其宏观断裂面 上，剪切唇的存在表明了断裂的开始和扩展是靠滑移面上的剪切力n 训。 1 4 预应力钢丝的腐蚀 除了遭受像普通钢筋一样的腐蚀损伤外，预应力混凝土结构中的预应力钢丝还要 遭受其它类型的腐蚀损伤，比如：氢脆，应力腐蚀开裂等，所以对预应力钢丝来说， 在不同的腐蚀环境条件下，其遭受的腐蚀类型是不同的。下面简要介绍一下预应力钢 丝常见的几种腐蚀的基本过程。 预应力混凝土结构中的预应力钢丝所处的碱性环境为其提供了一定的抗腐蚀保 护，这种保护程度的大小在大多数情况下依赖于混凝土( 或灌浆) 的质量，钢筋保护 层的厚度以及整个设计和建造过程。如果在预应力混凝土结构中存在不恰当的细部构 造或建造方法，或者预应力混凝土结构的使用环境比预先在设计中考虑的更加恶劣等 第9 页 上海交通大学博士学t ：) ：论文第一章绪论 不利因素，那么预应力钢丝发生腐蚀的可能性是存在的。 腐蚀通常被定义为：金属由于通过与其相处的环境之间进行电化学反应而受到的 破坏1 2 1 。与普通钢筋相比，使用条件下的预应力钢丝虽然存在有比较高的应力水 平，但预应力混凝土结构中的预应力钢丝的基本腐蚀机理同普通钢筋的腐蚀在本质上 是一致的n 引。 钢筋发生腐蚀的两个最重要的因素是：a 由于有害氯离子的渗入，钢筋表面的钝 化膜发生局部的破裂；b 在有大气存在的情况下，二氧化碳与水泥基体发生反应导致 混凝土中的孔隙溶液酸化，从而导致钢筋的完全去钝化n 引。但不管钢筋的腐蚀是由氯 化物侵蚀诱发的，还是由混凝土碳酸化诱发的，当钢筋表面的钝化膜破裂后，在有水 分和氧存在的条件下，钢筋便会很快发生腐蚀，其电化学反应式如下所示n 射： 阳极反应忍_ 屁2 + + 2 p 一 ( 1 - 2 ) 阴极反应 4 p 一+ 2 吼d + q 专4 0 h 一 ( 卜3 ) 于是阳极和阴极便在钢筋表面形成，而混凝土( 或水泥浆) 中的孔隙溶液作为电解液。 图1 4 示意了混凝土中钢筋的基本腐蚀过程。 t h o 吼 毒山 呐岛 il f i g 1 4c o r r o s i o nr e a c t i o no nt h es u r f a c eo fr e i n f o r c e m e n tb a r 图1 4 钢筋表面上的腐蚀反应 第1 0 页 上海交通人学博士学位论文第一章绪论 铁在阳极被氧化成亚铁离子，如方程1 - 2 所示，而反应产生的电子便会流向阴极， 与水和氧反应生成氢氧根离子，如方程1 - 3 所示。如果存在有足够的导电电解液，氢 氧根离子便会被传输到阳极与那里的铁离子生成氢氧化铁( f e ( o h ) 3 ) 或者红锈 ( f e 2 0 3 h 2 0 ) ，见式卜4 至卜6 n 剐。 凡2 + + 2 0 h 一一v e ( o n ) 2 ( 1 - 4 ) 4 f e ( o h ) 2 + 2 马d + d 2 - - 4 4 f e ( o h ) 3 ( 卜5 ) 2 f e ( o h ) 3 2 h 2 0 + f e 2 q h 2 0 ( 1 6 ) 在钢筋表面发生的这种电化学腐蚀过程，将导致钢筋发生均匀腐蚀和坑蚀。均匀 腐蚀指的是钢筋在一块大面积上受到的普遍腐蚀，它通常引起钢筋面积的大量损失。 如果钢筋表面和其所在的腐蚀环境不是均质的，那么在钢筋表面上受到的腐蚀攻击通 常不会均匀的发生，而是发生在局部，也就是坑蚀。坑蚀是一种自动扩展的过程n 刳。 随着蚀坑数量的增加和面积的扩大，蚀坑相互连成一片，从而导致了大面积的钢筋总 体腐蚀。 实践证明，非预应力钢筋由于腐蚀而导致其横截面的减少引起的与结构相关的问 题主要包括：混凝土的剥落及与结构服务寿命( 或耐久性) 相关的一些问题等等，对 结构本身并不会产生严重后果，但对于预应力混凝土结构中的预应力钢丝来说，情况 却完全不一样n 。均匀腐蚀和坑蚀导致的预应力钢丝横截面的减少将会对结构产生严 重后果，其原因主要基于下面两点：a 使用条件下的预应力钢丝，对其施加的应力 水平通常达到其极限抗拉强度的5 5 到6 5 ，在其被张拉时，该值还会达到更高；b 预 应力钢丝的强度通常比非预应力钢筋高4 5 倍或更高，因此，如果预应力混凝土结 构与非预应力钢筋混凝土结构具有相同的腐蚀速率，前者遭受的损伤至少将是4 5 倍于后者。事实上，由于预应力钢丝具有较小的直径( 钢绞线是由较小直径的预应力 钢丝组成) ，与大直径的非预应力钢筋相比，其横截面的相对损失量还要快些。 前面在讨论均匀腐蚀和坑蚀时，均未考虑预应力钢筋所处的应力状态。然而，在 一般情况下，预应力钢丝常处于高应力状态下。当处于腐蚀环境条件下时，预应力钢 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 丝便会与某些特定的腐蚀介质发生作用时，产生非预应力钢筋不会发生的与钢筋劣化 有关的腐蚀形式环境断裂，它通常包括氢脆和应力腐蚀开裂。 氢脆被定义为由于金属合金吸收原子氢而引起的脆性断裂( j o n e s ，1 9 9 2 ) ，对于 其机理的解释，见4 5 节。应力腐蚀开裂的发生需要金属受到拉应力和腐蚀环境的同 时作用口1 2 1 ，这里的拉应力可以是外部施加应力或残余应力，而腐蚀环境中应含有能 造成金属损伤的特定介质。有好几种理论可以用来解释应力腐蚀开裂，其中的一个是 电化学溶解理论n 。该理论认为沿着金属的晶界，原电池被建立起来。由于局部的电 化学溶解而形成一个裂纹。在应力作用下，新产生的阳极上的脆性氧化膜破裂，使得 金属发生腐蚀。随着裂纹的扩展，该过程一直持续着。与应力腐蚀开裂不同的是，氢 脆可以在无应力的条件下发生，因为氢可以在生产过程中被引入钢材内，比如：在张 拉应力和灌浆前，放置于空心管道内的预应力钢绞线便有可能发生氢脆n 引。对于受力 条件下的钢材，当有足够的原子氢可以被吸收利用时，也会发生氢脆一表明施加的拉 应力与氢的吸收具有某种组合效应，在这种情况下，氢脆常被看成是应力腐蚀开裂的 一种形式。由氢脆和应力腐蚀开裂造成的损伤可以明显地影响预应力钢丝的性能，并 导致预应力混凝土结构在几乎没有任何警告的情况下，发生脆性破坏。 1 5 预应力钢丝断裂性能和腐蚀的研究意义 如1 2 节中所述，预应力混凝土结构中常用的钢绞线是由六根预应力钢丝呈螺旋 状围绕在一根中心钢丝而成的lx7 结构钢绞线，因此预应力钢丝的断裂性能和腐蚀 将直接影响到钢绞线的断裂性能和腐蚀。 预应力混凝土结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面，预应力混凝 土结构中的预应力钢丝对其安全性和耐久性有直接的影响。由于预应力钢丝的横截面 面积较小，且长期处于高应力状态下，所以与普通钢筋混凝土结构中的钢筋相比，预 应力钢丝的断裂性能( 与安全性有关) 和腐蚀( 与耐久性有关) 更应引起高度的重视。 上海交通大学博_ 上学位论文第一章绪论 ! i i i 墨置l 1 5 1 预应力钢丝断裂性能的研究意义 在1 3 节中预应力钢丝的断裂分析表明，外部条件( 比如：表面缺陷，受荷方式 等) 将影响预应力钢丝的断裂性能，使其原本为延性的断裂变为脆性断裂，破坏荷载 也随之降低。 v a l i e n t e 和e l i c e s n 砌对具有表面裂纹的预应力钢棒( 直径3 6 r a m ) 的破坏进行了 研究。其结果清楚地表明，在考虑损伤风险的情况下，仅用预应力钢棒常用的力学性 能，比如：屈服强度，极限抗拉强度和延性，来预测脆性破坏是不够的；而且尽管试 验用的预应力钢棒具有比较高的力学性能，但是其断裂荷载是较低的。图1 5 显示了 断裂韧性对预应力钢棒破坏荷载的影响。一方面随着表面裂纹长度的增加，预应力钢 棒的破坏荷载逐渐减少；另一方面在相同裂纹长度条件下，断裂韧性( k i c ) 越高的 预应力钢棒，其破坏荷载越高。 预应力钢棒的试验结果同样适用于预应力混凝土结构中的预应力钢丝。预应力钢 丝在不同的生产，运输或使用过程中，都可能会在其内部或外部产生一些不利因素， 比如：由于预应力钢丝的的拉拔使其内部产生拉残余应力以及由应力腐蚀产生的表面 裂纹。研究这些因素对预应力钢丝断裂性能的影响，有利于准确预测在不同条件下预 应力钢丝的断裂荷载，从而确保预应力混凝土结构的安全性。 第1 3 页 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 置量置| 一i i ii 奠皇量| 薯 ， 5 佣a c kd e p t hl m m f i g 1 5i n f l u e n c eo ff r a c t u r et o u g h n e s so nr u p t u r el o a dp r e s t r e s s i n gs t e e lb a r s 图1 5 断裂韧性对预应力钢棒破坏荷栽的影响”1 1 5 2 预应力钢丝腐蚀的研究意义 由于其横截面积相对较小而应力很高，所以与传统的钢筋混凝土结构中的普通钢 筋相比，预应力混凝土结构中预应力钢丝( 包括组成钢绞线的钢丝) 的腐蚀会更严重 得多，而且对于氢脆具有更敏感地脆性破裂的可能性。 尽管预应力混凝土结构由于预应力的施加而具有较好的抗裂性能，使得其具有较 强的抗腐蚀能力，但是仍然出现了一系列的预应力混凝土结构耐久性失效事故，其中 预应力钢筋腐蚀引起的破坏占绝大多数。这些破坏通常是突然发生的，造成灾难性的 后果，给人民的生命财产造成极大的