預應(yīng)力鋼絲和鋼絞線的防腐鍍（涂）層

簡介：金屬腐蝕給國民經(jīng)濟帶來的損失是相當驚人的，據(jù)統(tǒng)計，每年世界上由于腐蝕而報廢的金屬材料相當于年產(chǎn)量的1/3。更重要的是金屬腐蝕而造成構(gòu)件破壞的價值和影響，遠比金屬本身價值大得多。預應(yīng)力鋼材是在應(yīng)力和腐蝕復合作用下的應(yīng)力腐蝕（屬電化腐蝕范疇），其特點是在金屬內(nèi)部先形成裂紋，內(nèi)裂紋發(fā)生后便形成應(yīng)力集中，加速裂紋的發(fā)展。因此預應(yīng)力鋼絲和鋼絞線用鋼的防腐是至關(guān)工程質(zhì)量壽命的重大問題，影響應(yīng)力腐蝕的因素主要由內(nèi)外兩種組成，諸如金屬的成分和狀態(tài)，載荷的性質(zhì)和大小，金屬應(yīng)力的周圍條件和介質(zhì)的物化特性等。從鋼材的內(nèi)部條件上，要求該類鋼材必須經(jīng)過爐外精煉，已納入YB／T146-1998的標準條款，并在疏、磷、銅雜質(zhì)含量上加以嚴格控制，在盤條的表面缺陷上也加以嚴格控制。本文僅從金屬偽外界防腐條件加以分析，并要求確實可行的防腐措施，以減少預應(yīng)力鋼材因腐蝕造成先期失效而帶來的巨大損失。
關(guān)鍵字：預應(yīng)力鋼絞線,防腐
一、預應(yīng)力鋼材的防腐鍍（涂）層
　　鋼材總是在腐蝕介質(zhì)的條件下服役，因此隔離（或減緩）鋼基的介質(zhì)腐蝕是鋼材生產(chǎn)廠的義不容辭的職責。按保護層的種類，可分為非金屬保護層（稱為涂層），化學保護層和金屬保護層（稱為鍍層）三類。
　　1．非金屬保護涂層
　　預應(yīng)力鋼材的非金屬涂層主要有塑料，環(huán)氧樹脂和防腐油脂三種，由于其工藝裝備比較簡單，投資低，易于上馬。但非金屬涂層的抗老化問題尚未解決，且其力學性能較金屬鍍層低得多。因此，應(yīng)用范圍受到限制。
　　2．化學保護層
　　通過化學法，在金屬表面形成保護層，如鋅層的鈍化、鋁層的氧化。鐵基的磷化等。該類保護層往往不是作為單一的鋼材保護層，而是與金屬鍍層兼并使用。
　　3．金屬保護鍍層
　　在電化腐蝕中，處于陽極的金屬首先被溶解，為此在鋼絲表面鍍以較鐵活潑的金屬，如鋅、鋁等。在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，使鋅首先被溶解而保護鐵基，稱為陽極鍍層保護。陰極保護（如鍍錫）在預應(yīng)力鋼材極少應(yīng)用。由于鍍鋅（或鋅-鋁合金）在金屬防腐中具有良好的結(jié)果和成熟的工藝裝備。因此也被預應(yīng)力鋼材廣泛使用。鑒于預應(yīng)力構(gòu)件的"氫脆"爭議，曾一度推廣受阻，直到1992年12月，國際預應(yīng)力聯(lián)合會專業(yè)委員會(E.I.P)報告［1］，才作定論，繼而法國于1993年12月頒布了國際上第一個產(chǎn)品標準，預應(yīng)力熱鍍鋅圓鋼絲和鋼絞線（NFA35-035）確定以熱鍍鋅作為唯一的鍍層方法，我國相繼于1997年頒布了橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲標準（GB／T17101-1997）。使我國預應(yīng)力鋼材防腐技術(shù)進入國際先進水平行　　列。
二、預應(yīng)力鋼絞線的防腐鎮(zhèn)（涂）層及初步分析
　　預應(yīng)力鋼絞線由單根鋼絲捻制而成，鍍層鋼絞線是由鍍層鋼絲捻制而成。因此對于單根鋼絲的防腐鍍（涂）層不另作分析。僅對鋼絞線分析后可覆蓋鋼絲的范圍。
　　1．光面鋼絞線的防腐分析
　　光面鋼絞線作為最早推廣的預應(yīng)力建筑鋼材，已在國際上得到廣泛應(yīng)用。我國在近十年內(nèi)才得到迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土一樣，是把應(yīng)力從混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到鋼結(jié)構(gòu)上來，以至鋼也被認為是混凝土的一個組成部分。而鋼與混凝土的結(jié)合就是通過鋼材表面握裹足夠數(shù)量的混凝土來獲得的，簡單地增加鋼承載的橫斷面，并不會使承載握裹面積相應(yīng)增加。而預應(yīng)力混凝土是充分利用混凝土抗壓性能是抗拉性能十倍的優(yōu)點，把其抗拉載荷轉(zhuǎn)移到抗壓載荷上來的一種優(yōu)良設(shè)計方法，因而其應(yīng)用迅速發(fā)展。
　　預應(yīng)力鋼筋中預應(yīng)力產(chǎn)生有先張法和后張法兩種，用先張法的鋼絞線，被直接埋置在混凝土中，因握裹在無腐蝕元素的環(huán)境中，并且具有有效覆蓋保護層，就不大可能出現(xiàn)有關(guān)腐蝕問題。但基本條件是保持原始堿度不變（或pH值不小于9）。這就要求在鋼筋附近的孔隙空間不超過14％及混凝土具有合適的覆蓋保護層。該資料還指出了混凝土中的氯化物會弓愧鋼的氫脆，目前美國氯離子的含量限制在混凝土重量的0.014％～0.025％［2］。
　　后張法的預應(yīng)力鋼絞線現(xiàn)通常有兩種方法：一是把鋼筋插入一個預制管中，進行預應(yīng)力張拉，接著再將保護性材料（一般用砂漿）填充孔道和密封錨固端。二是采用無粘結(jié)鋼絞線（后作分析），就預制管中插入鋼絞線的后張法而言，其腐蝕事故通常與在有腐蝕介質(zhì)環(huán)境中施工有關(guān)。環(huán)境和輕型填料中的硫化物，填充砂漿中的氯化物、填充砂漿孔隙空間過大，錨固端密封不實，都是造成腐蝕損壞的隱患。所有這些，已引起國內(nèi)學者的足夠重視。呼吁要加強預應(yīng)力技術(shù)行業(yè)的管理，規(guī)范預應(yīng)力工程市場，制定出行之有效的預應(yīng)力工程施工和設(shè)備材料生產(chǎn)的行業(yè)規(guī)章制度，以及資質(zhì)批準的規(guī)定，以確保工程質(zhì)量，防止重大事故的發(fā)生[3]。
　　就當前光面鋼絞線直徑偏面減小的誤導傾向，提出我們的看法，供各方工程建設(shè)人員深思。對制造廠來講，隨著原料結(jié)構(gòu)的改善，負偏差生產(chǎn)已不是制造廠的技術(shù)水平問題。即使1860MPa的φ15.24mm鋼絞線，減少到φ15.lmm，其米重僅減少1.8％，但對工程質(zhì)量的隱患是無可估量的，因為高強度鋼絞線是在高應(yīng)力腐蝕的條件下服役，加大預應(yīng)力鋼材的斷面是工程安全措施之一，美國ASTMA416-94a規(guī)定，強度級別從1720MPa提高到1860Mpa
　　2．無粘結(jié)鋼絞線的防腐分析
　　無粘結(jié)鋼絞線作為后張法預應(yīng)力鋼筋使用，是國際上較新應(yīng)用的技術(shù)。它是在澆注混凝土前預先安裝在張拉位置的無粘結(jié)鋼筋束。養(yǎng)護后再作預應(yīng)力張拉，使混凝土造成預先的壓應(yīng)力，因鋼絞線與混凝土之間被潤滑脂與塑料所隔離，通過鋼絞線與混凝土直接粘結(jié)的塑料護套相對位移，實現(xiàn)張拉的操作，潤滑脂為這種位移提供方便，使鋼絞線與混凝土元粘結(jié)而命名。由于張拉的錨固端必須清除塑料與潤滑脂，其暴露端也就成了腐蝕的重大突破口。
據(jù)1982年調(diào)查報告，美國每年使用20萬噸預應(yīng)力鋼材而言，40％的事故發(fā)生在采用后張法暴露在用鹽消除冰凍而造成的高濃度氯化物環(huán)境的結(jié)構(gòu)上。環(huán)境中硫化物會引起鋼筋韌性降低。造成無粘結(jié)鋼絞線腐蝕的主要原因是混凝土用來封閉錨具和修補破損面專用灰漿中存有氯化鈣。于是提出四條保護措施：無粘結(jié)加工前防止鋼絞線腐蝕，選用良好的防潮潤滑脂、選用高密度聚乙?。ɑ蚓郾。?，鋼束出入口有必要開槽的地方，應(yīng)用砂漿填滿，接著用樹脂粘合劑涂覆密封，砂漿中不能有氯化物，硫化物或其他有害物質(zhì)。作者對幾百根受腐蝕鋼絞線分析表明，幾乎所有的腐蝕都是由于錨固端密封不當，氯化物和硫化物環(huán)境或塑料封口損壞所致[2]
　　我國無粘結(jié)鋼絞線的應(yīng)用時間較晚，建設(shè)部JG3006-93，JG3007-93對無粘結(jié)鋼筋和油脂都作了具體規(guī)定，基本能滿足國際上對該類產(chǎn)品的防腐要求。但在實施過程中，就FIP提出的四條措施中，三條與制造廠有關(guān)（一條與施工方有關(guān)）的條件加以分析，還存在不少差距。
　　(1)鋼絞線的防腐措施重視不夠。
　　現(xiàn)鋼絞線生產(chǎn)廠，對光面鋼絞線缺少防腐措施，一般都按先張法或預留通道的后張法生產(chǎn)（美標也無特殊要求），在與水泥直接接觸時，輕微銹蝕對工程質(zhì)量影響不大。但對無粘結(jié)的防銹特殊要求認識不足，甚至不少小企業(yè)以外購鋼絞線進行無粘結(jié)加工制造，原始光面鋼絞線的銹蝕不加關(guān)注，只要加工完以后（外面已無法檢測）作無粘結(jié)鋼絞線成品供貨。
　　(2)對防腐潤滑脂管理不嚴
　　該專用潤滑脂作為防腐的重要原料，必須納入建設(shè)部宏觀管理的范疇，要建立許可證管理制度。現(xiàn)該油脂的生產(chǎn)廠和使用廠，對其出廠檢驗和復驗的管理沒有嚴格按JG3007進行，大的使用企業(yè)復驗時外委送檢。油脂制造廠是否按標準"每釜作出廠檢驗"，其數(shù)據(jù)可靠性和質(zhì)量控制是否嚴密，有待調(diào)研。我公司曾在油脂桶中發(fā)現(xiàn)大量積水和未調(diào)和的塊狀物質(zhì)及其他雜質(zhì)，因此，必須把油脂納入原料質(zhì)量管理的重要合格分承包方來對待，否則后患無窮。
　　對油脂涂覆到中心絲的問題，曾有建筑專家提出該項要求，我們認為，這種要求從防腐的角度是合理的，可減少鋼絲間隙中水分滲入的可能，但從力學性能角度，一旦中心絲與邊緣絲被潤滑脂填充，帶來的是后張過程中，中心絲與邊緣絲張力不均，將會影響應(yīng)力的均勻性和松馳性能，尚須綜合考慮，必須以標準立法加以實施。
　　(3)重視塑料護套的選用和保護
　　塑料護套用料，必須用高密度聚乙烯（HDPE）或聚丙烯、切忌用含氯的聚氯乙烯。其色母料也必須用中性的添加劑。以保護它具有較高的化學穩(wěn)定性。鑒于塑料護套容易破損，因此必須要在運輸、倉儲使用中加以保護，塑料護套不是"遮羞布"，是無粘結(jié)鋼筋防腐的重要手段，有的加工單位用含氯的再生塑料，后患無窮。
　　3．鍍鋅鋼絞線的防腐分析
　　鍍鋅作為鋼材的優(yōu)良防腐鍍層，已被國際所公認，由于在預應(yīng)力構(gòu)件中"氫脆"的爭議，直到1992年才被統(tǒng)一，把熱鍍鋅作為預應(yīng)力鋼材唯一的鍍鋅方法，并納入標準條款之中，排除了電鍍鋅的應(yīng)用。在施工和應(yīng)用現(xiàn)場，由于鋅-鐵和剛攪拌好的砂漿易起反應(yīng)，對氫脆較為敏感的預應(yīng)力鋼材容易出現(xiàn)斷裂，因此，必須避免鍍鋅鋼絞線與水泥砂漿直接接觸，便可降低斷裂的危險。
　　鋅-鋁合金，是國際上推廣的高耐蝕金屬鍍層，美國伯利恒鋼公司（Bethlehen Steel co，）1972年開發(fā)了含鋁55％的金屬鍍層（稱為Gelvalume或Zincalume），由于其熔點高、工藝裝備比較復雜，在鋼板上應(yīng)用后，在鋼絲和鋼絲繩的應(yīng)用不多。直到1982年，國際鉛鋅組織(ILZRO)限供含鋁5％的合金鍍層（稱為Galfan）生產(chǎn)許可證，在1984年迅速發(fā)展。研究表明，Galfan是Zn-Al的共晶合金，能在熱鍍鋅作業(yè)線上稍加改造便可投入生產(chǎn)，具有良好的耐蝕性、明顯的鍍層粘附性、極佳的可塑性和可拉拔性能。
　?。?）Galfan和鋅鍍層的主要差別
　　金屬保護鍍層是以保護鋼基不受腐蝕為目的，因此，其抗腐性能優(yōu)劣，就成為鍍層好壞的衡量標準。Galfan鍍層替代鍍鋅層已成為國際上無可爭議的事實，據(jù)此，而出現(xiàn)的許多鋼絲標準和鋼絞線標準，在美、英、德、法、加拿大等國迅速推廣。
　　Galfan是Zn一Al合金的共晶體，具有較低的熔點。Zn的熔點為419.5℃，而Galfan熔點同382℃。它除兼有Zn和用的抗蝕優(yōu)點外，還因其合金生成了金屬門化合物作為涂層，顯微結(jié)構(gòu)狀態(tài)為富鋁片層和富鋅片層形成無規(guī)則排列的取向群體（與鋼的共析組織珠光體相似），形成了隔離大氣的堅固屏障（物理保護）和低的電極電位（Zn為-0.760V，Al為-1.670V）而造成電化學保護，形成了雙重護保。
鍍鋅和Galfan，除在工藝和裝備上不能通用以外，在鍍鋅鋼絲的技術(shù)標準上考核條款也有較大區(qū)別。鍍層重量約為2:l，它沒有渡Zn時很厚的鋅鐵合金層，具有良好的可塑性。鍍Zn時的不均勻性，CuSO4次數(shù)考核被取消了，因為大量數(shù)據(jù)已經(jīng)證實Galfan鍍層的均勻性較鍍Zn為好。（CuSO4試驗并不是抗腐蝕的性能指標）。粘結(jié)力的性能指標用纏繞來衡量，Galfan較Zn鍍層為優(yōu)越。因此，在國外標準 ASTM A475中，考核鋅層質(zhì)量的三個指標中被保留兩個，鋅層重量考核指標要比鍍鋅減少一半。
　　（2）鍍Galfan預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)的可行性
　　作為低松馳的預應(yīng)力鋼絞性，在鍍層方面，Galfan鍍層具有鍍層硬度高鍍層薄，有利于與錨具的錨固。但從力學性能上，由于低松馳的力學性能，必須要經(jīng)過穩(wěn)定化處理。其熱處理溫度從理論上來講必須控制較鍍鋅鋼絞線低37.5℃。否則將導致鍍層的熔化。熱處理溫度降低后，對鋼基體的松馳性能影響如何？有待進一步探討。
　　4．涂塑鋼絞線和包塑鋼絞線
　　塑料作為優(yōu)良的防腐隔離層，也被國內(nèi)外廣泛使用。在預應(yīng)力鋼絞線上的應(yīng)用還沒有納入正常的產(chǎn)品標準渠道，國外有的企業(yè)也停留在供需雙方的協(xié)議階段。
　?。?）涂塑鋼絞線分析
　　a．涂塑的工藝方法
　　涂塑是將塑料（一般用HDPE）直接粘結(jié)在鋼絞線上，使鋼基與塑料之間沒有空隙，若塑料不破損，就能完全隔離腐蝕環(huán)境，保證絞線不受腐蝕。為達到涂塑的目的，必須是鋼基與液態(tài)的塑料相接觸，從而塑料在冷卻的條件下固化。與所有鋼材涂層一樣，有涂前處理，涂層，冷卻三大工序。就涂層而言，一般有浸涂、噴涂、電涂。其中浸涂最為常用。以往浸涂都是冷態(tài)的鋼件浸入液態(tài)的涂層材料，隨后抽出冷卻固化。較新的工藝是加熱的鋼件通過塑料粒子的流化床，接觸鋼件的塑料迅速熔化而被粘結(jié)在鋼件上帶出冷卻固化。
　　b．涂塑鋼絞線
　　涂塑鋼絞線按其加工方法，可有整根鋼絞線涂塑和組成鋼絞線的鋼絲涂塑兩種，前者只要將成品鋼絞線通過浸涂的方法，在鋼絞線外緣涂上一層塑料，在施工錨固端將塑料去除后與錨具咬合。與無粘結(jié)鋼絞線的錨固端防腐要求一樣，必須加強錨固端的防腐處理。該類鋼絞線一般施工與光面鋼絞線相同，在腐蝕環(huán)境較為嚴重的場合，諸如海岸堤壩等場合應(yīng)用。
　　組成鋼絞線鋼絲的涂塑，必須在鋼絞線穩(wěn)定化處理以后，順序是：鋼絞線放盤→折股→表面預處理→涂塑→合股→收盤。這里不對該工藝的可行性作評價，就對涂塑鋼絞線的使用性能和成品性能作如下分析：
　?、傩鑼Ｓ缅^夾具相匹配，假使涂層厚度為 0.05～0.lmm，則鋼絞線的直徑就要增加 0.3～0.6mm，對φ15.24公稱直徑來講，實際直徑就要到φ16mm。錨夾具還必須與該類產(chǎn)品具有牢固的錨固力。
　?、阡摻z密度大為減少，英國緊密型鋼絞線能在同樣直徑的條件下提高鋼絞線密度來提高承載能力，按斷面積計算，其密度要減少10％，在預應(yīng)力構(gòu)件中的應(yīng)用，不能不講是一個承載能力的損失。
　?、垆摻g線結(jié)構(gòu)松散，影響其力學性能。光面鋼絞線在穩(wěn)定化處理后，其鋼絲都處于定型狀態(tài)。因此，質(zhì)量完好的鋼絞線才有"不松散"的特性，鋼絞線經(jīng)拆股、涂塑、合股后，由于鋼絲直徑增加和經(jīng)一定外力張拉下同時在一定溫度下涂塑，致使其難以復位，造成鋼絞線松散（我公司從提供實樣分析），尤其中心絲，不能被邊緣絲緊密握裹住，就會造成張拉時中心滑絲，影響預應(yīng)力加載和松弛性能，最終影響結(jié)構(gòu)使用和壽命。
　?。?）包塑鋼絞線分析
　　a．包塑工藝方法
　　包塑是將塑料護套擠套在鋼絞線外，該護套不與鋼絞線粘結(jié)，以隔離腐蝕環(huán)境為目的。其加工方法一般是用擠塑機套在鋼絞線外層，正像無粘結(jié)鋼絞線加工一樣，其主要區(qū)別是無粘結(jié)鋼絞線有防腐潤滑脂填充在絞線和護套之間，包塑鋼絞線沒有潤滑脂填充。由此而產(chǎn)生了改進型的雙護套包塑鋼絞線和雙護套無粘結(jié)鋼絞線，以滿足不同工程的防腐需要。
　　b．包塑鋼絞線防腐分析
　　包塑鋼絞線與涂塑鋼絞線相比，沒有涂塑鋼絞線一些技術(shù)與質(zhì)量的爭議。像無粘結(jié)鋼絞線一樣，加工制造工藝穩(wěn)定，對鋼絞線的力學性能沒有任何影響，施工也可按常規(guī)進行。
　　包塑鋼絞線正像無粘結(jié)鋼絞線的防腐要求一樣，只要保證加工前鋼絞線有較好的表面狀條，塑料護套完好，錨固端密封按規(guī)范進行，其防腐效果也相仿，并減少了防腐油脂質(zhì)量差而加速腐蝕的風險，雙護套包塑鋼絞線更增加了其防腐隔離層，若在雙護套中間填充潤滑脂，便可作為無粘結(jié)鋼絞線應(yīng)用，其防腐效果理應(yīng)勝過單護套的無粘結(jié)鋼絞線。
5．涂環(huán)氧樹脂鋼絞線防腐分析
　　環(huán)氧樹脂作為有機的非金屬涂層，在鋼材中的應(yīng)用甚少，預應(yīng)力鋼絞線的環(huán)氧涂層，僅有美國以產(chǎn)品標準形式予以確認，（ASTMA882／A 882M-92）它以預應(yīng)力鋼絞線（AST－MA416中的1720MPa和1860MPa）為基礎(chǔ)規(guī)定了環(huán)氧涂層的操作、涂層指標，與混凝土的粘合力和有機涂層的要求。主要用于防腐要求較為嚴格的場合以代替光面鋼絞線使用。
　　與其他涂層的鋼材一樣，涂前必須要經(jīng)表面清凈處理（化學法或其他有效方法），在出現(xiàn)肉眼可見的重新氧化之前，必須進行涂層，以確保鋼材不受腐蝕。
　　盡管它具有較好的防腐性能，但由于其制造工藝和裝備較為繁雜，檢測條件也較為特殊，諸如鹽霧試驗、涂層連續(xù)性檢測、厚度均勻性檢測、混凝土抽出試驗、涂層粘附性試驗等，增加大量制造成本。在使用上保護好涂層表面，在運輸施工上也需投入大量額外資金。因此，除美國外，其他國家較少制造和應(yīng)用。
三、結(jié)論
　?。╨）預應(yīng)力鋼絞線是在高應(yīng)力狀態(tài)下服役，應(yīng)力腐蝕直接影響其使用壽命，從而影響建筑工程壽命。為此，必須由設(shè)計，施工和鋼材制造廠各方嚴格控制，才能確保工程質(zhì)量萬元一失。
　?。?）高應(yīng)力鋼絞線斷面尺寸增大（加大公稱直徑或增加正公差范圍）是提高抗應(yīng)力腐蝕壽命的需要，尤其對后張預應(yīng)力鋼絞線，還必須提高預制管中水泥灌漿的密實性和提高錨固端的密封程度，才能確保建筑工程質(zhì)量和壽命。
　　（3）鍍鋅作為有效和可靠的鋼材防腐鍍層，在預應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)用中，切忌與混凝土灌漿直接接觸，并應(yīng)采用熱浸鍍鋅，可消除"氫脆"危害的風險。因而也限制了其使用范圍。Galfan（鋅-5％鋁合金）具有較鍍鋅更好的抗腐性能。在建筑鋼材上應(yīng)大力應(yīng)用和開發(fā)。
　?。?）非金屬防腐涂層中，無粘結(jié)鋼絞線和整根鋼絞線涂包塑具有較好的防腐性能和市場可操作性。但必須按四條防護措施做到規(guī)范操作和控制，才能達到預期防腐效果。

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