预应力锚索的腐蚀与防护

预应力锚索的腐蚀与防护

预应力锚索腐蚀形成机理及其防腐技术预测波茨将高强度钢丝绳作为长期压力上升的主动压力结构，并利用特殊方法将高强度钢丝绳转化为长期的高压结构。这也是近几十年来发展起来的一种新技术。本世纪二、三十年代大吨位的预应力岩锚在国外己用于工程处理和坝体加固。国内是六十年代开始应用,目前己发展到相当高的水平。在加固水利工程的大坝和附属建筑物的稳定以及岩体边坡的加固处理中,都取得了显著的成绩。预应力锚索在不同地质条件的工程建设和工程处理中,将得到更广泛的应用。但是,预应力锚索存在的主要问题是使用寿命及其安全可靠性。伴随岩土锚固技术的广泛应用,工程实践中大量地遇到了锚固工程失稳事故,国内外岩土工程科技人员对此投人了大量的人力物力进行了多方面的研究。早在20世纪70年代,英国的Hanna教授等就对岩土锚固破坏模式进行了研究,归纳出3种主要的破坏形式:锚断裂,预应力松弛和荷载高于设计荷载,并指出锚断裂与锈蚀、机械损伤等有关。国内有关专家对被动锚失效现象进行了调查研究,归纳得出:锚索腐蚀在锚失效中占相当大的分量。我国岩土锚固工程,多数对施加锚固力较为重视,对锚索的腐蚀破坏与防腐缺乏认识,致使许多锚固工程防腐措施存在不足。由于预应力钢绞线锚索在现在的高边坡支护中占很大比例,所以高边坡预应力锚索腐蚀失效是其中最主要的导致边坡失稳的原因之一,故有必要对预应力锚索的腐蚀机理及其防腐技术进行研究。国际后张预应力陇会(FIP)地锚工作小组收集到了35例预应力锚杆(索)腐蚀破坏实例,并对其破坏的原因进行了统计分析:可以看出,其中永久锚杆(索)占69%,临时锚杆占31%;锚索使用期在2年以内和2年以上发生腐蚀断裂的各占一半。1锚索锚筋腐蚀预应力锚索在拉应力状态下长期处于空气、围岩、土壤中,工作环境比较恶劣,必然受到地下水、气体湿度和岩石成分的影响。预应力锚索的腐蚀都是钢绞线和锚具的金属腐蚀,其腐蚀机理是相同的,有应力腐蚀、氢脆、化学腐蚀和电化学腐蚀4种。埋置于岩土层中锚索结构寿命的最大威胁来自于腐蚀,但其最主要的是电化学腐蚀和应力腐蚀。此外,由于地层裂隙导致的灌浆不饱和、锚固段拉应力部分过于集中导致的浆体开裂、部件老化能力差,防腐油脂化学性质不稳定等等都会加剧锚索的腐蚀。电化学腐蚀,是由于锚索表面与周围介质,如潮湿空气、电解质溶液等,发生电化学反应而引起的腐蚀现象。腐蚀的过程涉及钢失去电子(氧化作用)的过程(Fe→Fe2++2e-)原反应消耗掉(2H2O+O2+4e-→4OH-),即2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2(铁锈)。在Cl-环境中对锚索锚筋腐蚀影响极大。由于钢材表面的电化学不均匀性,锚杆(索)所处的工作环境并不是极为干燥,其表面往往存在着孔隙液膜,外界的氧气通过连通的毛细孔道渗入,所以电化学腐蚀比较容易发生,这是锚杆(索)中最常见的一种腐蚀形态。应力腐蚀是锚杆(索)在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂,在一定的应力及侵蚀环境下引起钢材变脆的一种腐蚀。预应力锚杆(索)在高拉应力作用下,钢绞线表面产生了微裂缝,在锚索索体结构中存在多种薄弱带,侵蚀性介质进入微裂缝腐蚀钢绞线,腐蚀沿裂缝深入,应力再促进裂缝发展。所有应力腐蚀理论都认为,阳极金属的不断溶解导致了应力腐蚀裂纹的形成和扩展。法国米克斯坝,有几根13000kN承载力的锚杆仅使用几个月就发生断裂。氢脆是预应力锚杆(索)在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂的另一种类型。锚索在腐蚀过程中,表面可能有少量氢气产生,生成的氢原子会迅速结成氢分子,当这一过程受到阻碍时,氢原子就会向锚索内部扩散而被吸收到金属内部的晶格中去,如果锚索内部有缺陷存在,氢原子很可能重新结合成为氢分子,从而产生很大的压力,出现“鼓泡”现象,使锚索变脆。产生氢脆的锚索在受到超过临界值的拉力作用时,便会发生断裂。我国梅山水电站的无黏结监测锚索运行4～6a,,先后有3束锚索因应力腐蚀兼氢脆而导致钢丝断裂。化学腐蚀是锚索表面与气体或非电解质溶液接触发生化学反应而引起的腐蚀,腐蚀过程中没有电流产生。一般说来,预应力锚索的腐蚀绝大多数是电化学机理产生的,同时,钢绞线长期处于高应力状态,应力因素造成的腐蚀也是不可忽视的。总之,只要有水和氧与钢材接触,钢材就有可能产生腐蚀。2防止腐败的技术和措施2.1锚固的支护技术我国岩土预应力锚索的防腐技术,与发达国家相比较存在较大差距。发达国家对岩土预应力锚索防腐开展了大量研究工作,提出了较为细致的防腐措施和相当完备的技术规范。其防腐己经历了单一水泥(砂)浆防腐、加单层波纹套竹防腐、加双层波纹套管防腐等发展历程。对重要锚索,要求从内锚段到锚头的全长各个部位均要达到双重防腐,并目要求锚索安装好后检测其绝缘电阻值,以确定其防腐性能的可靠性。根据国内外工程经验并参照有关国家标准,我国水工预应力锚固设计规范(SL212-98)有如下要求:要求卞要有:(1)预应力锚固中的锚杆(索)体,可按表1的标准进行防腐、防锈处理;(2)锚杆(索)体防腐、防锈处理时,所使用的材料及其附剂中不得含有硝酸盐、亚硝酸盐、硫氰酸盐等,氯离子含量不得超过重量的0.02%;(3)张拉段也必须采用水泥浆或水泥砂浆进行全孔封闭防腐;封孔灌浆后,锚索应有大于20mm的浆体保护层厚度。该规范主要针对水工大坝的锚固,兼顾地下洞室和边坡的锚固。该规范主要优点是,与国内锚固技术相一致;缺点是,仅对采用单一水泥浆防腐的全长黏结锚索作了要求,与发达国家的岩土锚固规范存在较大差别。发达国家的岩土锚固规范,对岩土锚索防腐规定十分完备,其主要特点归纳如下:(1)首先应对地层的侵蚀性进行检测,并确定其侵蚀性级别;(2)根据地层的侵蚀性确定锚索的防腐级别和方法,如防护灌浆材料和锚筋材料的要求等;(3)要求锚索在各种复杂环境下不发生腐蚀破坏,而且锚索的防护体在施工过程中不能被损坏,同时还要求锚索的锚固体在受力与变形过程中其防护体不能被损坏。其制作工艺和防护结构十分精细和完备。如:美国PT工建议地锚分为1级和2级,其中1级使用波纹竹及环氧树脂等材料保护。目建议,尤其是水坝工程,应使用树脂包裹钢绞线及灌树脂浆。国际后张预应力陇会(FIP)规范规定,永久性地锚应采用单层波纹竹内灌树脂浆或双层波纹管内灌水泥浆保护。英国地锚规范(BS8081:1989)规定,永久锚杆(索)必须进行防护;对侵蚀性渗透土层,应采用双层防护。单层防护意味着在锚杆(索)安装前提供一层物质性防护层。双层防护则是提供2层防护,其中外层的作用是防止预应力锚杆(索)内防护层在运输和安装时发生损坏。对己安装的预应力锚索防护程度来说,则外防护层仅提供附加保护。对于低渗透性和无侵蚀性岩体采用单层防护。荷兰、南非等规范均规定使用树脂浆防腐。英国BS工规范、德国DS工工法、日本SEEE工法等国规范规定使用单一PE波纹管内灌树脂浆。树脂浆的种类大体分为3类:(1)不饱和聚醋树脂,可加水泥、炉石粉、细砂、石粉。(2)环氧树脂。(3)多元聚乙烯树脂,可加水泥、炉石粉、细砂、石粉。钢绞线安装灌浆后,FIP、欧盟中19个国家均采用欧洲标准EN1537:1999规范,要求所有工作锚索施工前后均采用数字电阻计进行绝缘电阻检测,测定己安装好的锚索防腐性能,以确保其防腐功能。2.2锚索的防护与覆盖物的选择应用(1)防腐设计的目的是确保工程在有效服务年限内锚索不被腐蚀和破坏。锚索的防腐方法主要有碱性环境防护、物理防护和电力防护、涂覆材料等。(2)碱性环境防护是依靠水泥质注浆体对锚索提供碱性环境,在这种环境下,锚索表面能生成致密的钝化膜(2～6nm),从而起到保护作用,达到对锚索的保护目的;(3)物理防护是在锚索体上直接覆盖塑料等材料,从而阻止外部腐蚀性物质与锚索体的接触,对无粘结双层保护预应力锚索,目前国内所采用的是在锚索体材料上套装波纹管,PVC管或钢管,而在国外所采用的双层防护锚索除在锚索体材料上套装塑料管外,还有两层波纹管防腐层;电力防护是使锚索体形成一个电路,并使锚索体表面极化成阴极的保护方法,所以又称阴极保护,通常是为保护大批锚索而采用的方法。由于工程造价等方面的原因,目前的防腐蚀主要以前两种方法为主;(4)涂覆材料也叫非金属覆盖,采用有机高分子材料或者无机材料,以涂层、衬里等方法在金属表面建立一层耐腐蚀的覆盖层技术,是腐蚀控制的重要组成部分。近年来,许多种涂覆材料运用于锚索防腐中,如环氧防腐涂料、氯化橡胶防腐涂料、丙烯酸树脂涂料等等。随着科学技术的发展,越来越多的新涂料将可以更好地为预应力锚索的防腐服务。2.3预应力锚索的防护目前可采用的施工工艺有:(1)在锚索造孔施工过程中必须对锚孔围岩采取固结灌浆施工工艺,使水泥浆液或水泥砂浆堵塞地层裂隙,防止地下水通过裂隙进入锚孔,对锚索体起到防护作用;(2)采用胶结式锚固,胶结材料多采用水泥浆或水泥砂浆;(3)预应力锚索使用的钢绞线的力学性能应符合要求;无粘结钢绞线的防腐油脂化学稳定性必须好;PE套厚度为1.0～1.2mm,应具有一定的韧性、强度、抗腐蚀和抗老化能力;锚头采用混凝土封锚进行防护。(4)为了防止预应力锚索破坏失效,必须选择采用合理的锚索结构形式,有效解决锚固应力集中浆体破坏,防止含有害物质的地下水对钢绞线的腐蚀破坏。2.4预应力锚索的应用为了防止预应力锚索破坏失效,必须选择采用合理的锚索结构形式,有效解决锚固应力集中浆体破坏,防止含有害物质的地下水对钢绞线的腐蚀破坏。(1)无粘结预应力锚索是将高强预应力钢绞线涂包防腐蚀油脂并在外包裹塑料套管制成的无粘结钢绞线束(图1),在施上编索时只将内锚固段去掉套管并脱脂洗油,其余部分的钢绞线始终处于油脂和套管的保护中,全孔一次灌浆后,锚索自由段的钢绞线仍能与孔内的水泥结石之间保持相对滑动,这种形式的锚索就是无粘结预应力锚索。在对三明三农股份有限公司液氯车间后山的山体边坡加固中采用了无粘结预应力锚索,该技术在本项目中完全证明了其“实用、经济、工期短、防腐效果好及抗震性能好”等特点。(2)自由式单孔多锚头(防腐型)预应力锚索也是一种理想的边坡加固锚索结构形式。它克服了传统预应力锚索对复杂地层适应性差、锚固段应力集中、地下水对锚索钢绞线的侵蚀、锚固段扩孔或增长及须采用一次注浆等缺陷,解决了预应力锚索锚固段应力集中、锚索腐蚀等问题,具有改善锚固段应力集中、有效防腐有效减小孔径、全孔一次注浆、可进行一次张拉等特点增强了对复杂地层的适应性和锚固效果,提高了锚固的寿命。目前,自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索己在紫坪铺水利枢纽工程、紫坪铺213国道改线公路滑坡抢险工程、瀑布沟水电站、冶勒水电站、金河水电站、水牛家水电站、锦屏一级水电站等大中型水利水电工程高边坡锚索加固工程中应用,取得良好的效果,经济效益和社会效益显著。(3)压力分散型锚索是一种与拉力型锚索等传统锚索结构的受力性能不尽合理以及在软弱岩土体中无法实现较高承载力的情况下应运而生的锚索结构形式。压力分散型锚索与自由式单孔多锚头预应力锚索相似之处在于单个钻孔中放置多个锚索单元,在张拉时分别承受相同的工作荷载。但可以利用各单元的承载体将各锚索的拉力转化为对锚固段注浆体的压力,使粘结应力峰值大幅降低,充分调动岩土体的强度,并使浆体侧向膨胀而与围岩产生良好的咬合力,在同等岩土体条件下可以提供较高的承载能力。在开阳高速公路边坡工程中的应用中发现其抗滑移能力、弹性储备能力良好;能减少锚索的长期预应力的损失,而且有一定的耐腐蚀性,承载力也大。本工程采用了压力分散型预应力锚索取得了良好的效果。3预应力锚索的防腐综上所述,尽管近几十年来边坡锚固机理研究有了一定的发展,在一定程度上提高了我国预锚加固的理论和设计水平,但仍存在着许多缺陷和不足,仍然面临以下问题:(1)锚索位于岩土体内,有很多的未知因素和不确定性,因而被称为工程中的“定时炸弹”。而作为影响其耐久性