錨索的銹蝕、防護及永久錨索的合理結構課件（PPT65頁）

1、錨索的銹蝕、防護 及永久錨索的合理結構 xxxx科研xx所 隨著錨索在巖土工程加固中的普及，近期人們普遍關注的焦點是錨索的永久性問題。錨索的永久性與錨索的結構和錨索材料有關，也與錨索所處環(huán)境及人為因素有關。本文試圖就錨索可能遭到的破壞因素及防護，提出永久錨索的合理結構，供同行參考。 前言一、錨索技術及防護的發(fā)展 從1964年xx水庫壩基加固我國首次有了錨索，到現(xiàn)在為止正好40年，回顧40年錨索在我國的發(fā)展歷史，概括地講有以下幾點：1. 錨具的型式由多變少 上世紀 90 年代之前工程中流行的錨具很多， 1980 年出版的“常用錨夾具定型圖冊”一書中就收集了 13 種錨具，再加上以后研制的星形錨、

2、XM 錨、QM 錨等有 15 種以上。 JM-6錨錨片JM-5錨錨片槽銷錨錨環(huán)槽銷錨（KT-Z錨）總裝圖槽銷錨錨塞鋼質錐型錨具錨塞鋼質錐型錨具總裝圖墩頭錨 現(xiàn)在基本統(tǒng)一為 OVM 錨具，由于研究的深入，材料、尺寸、硬度、齒距、牙形、抗疲勞、防松等項都達到了爐火純青的境界，已經(jīng)達到甚至超過世界同類產(chǎn)品，使用方便、操作簡單、保證安全。 從 1964 年在xx首次用錨索加固壩基到 1984年 20 年間我國工程中的所有錨索都是全長粘結型的，其中有一部分是在1974年以后出現(xiàn)的脹殼式機械式錨索，1985年后才有了非粘結錨索，當時叫自由錨索，因為是初級的，僅滿足工程急需，錨索結構還不是很規(guī)范。到了最近幾

3、年，隨著巖土錨固工程的不斷豐富，出現(xiàn)了不少新型錨索，不完全統(tǒng)計10種以上： 2. 錨索的類型由少變多 二次灌漿全長粘結錨索機械式內錨頭機構1外夾片；2錐筒；3六棱錨塞；4鋼絞線；5托圈；6套管；7頂簧；8墊圈無粘結集中受力型錨索 壓力分散型錨索可回收錨索 拉力分散型錨索對 穿 錨 索 拉壓復合型錨索分散拉壓復合型錨索壓力集中型錨索 玻璃纖維錨索雙層隔離防護錨索結構3. 設備 YQ100型鉆機從1973年到1993年整整用了20年。 雙作用千斤頂只有YC-60，后來柳州廠生產(chǎn)一種YC-120。4.材料 高強鋼絲 普通型鋼絞線 低松弛鋼絞線 無粘結鋼絞線 靜電噴涂環(huán)氧鋼絞線直徑：12，15.24，

4、19.3，21.8，25.4，28.6 主要是對防護原理的了解和認識過程。有三個時期，第一時期認為只要是水泥漿，對錨索都有保護作用，所以，最早的防護只依賴于水泥漿或水泥砂漿，由于對原理認識不足，對水泥無選擇，硫鋁酸鹽水泥、火山灰水泥，無論什么型號的外加劑只要能滿足當前的施工要求都用，還認識不到水泥漿對鋼材的防護作用是有條件的。 5.錨索的防護 接著有種觀點，認為只有隔離防護才算防護，全長粘結錨索只能用于臨時支護，走到了另一個極端，無視鋼筋砼和預應力砼能安全使用幾十年的現(xiàn)實，也無視全長粘結錨索在我國應用40年來的客觀實踐，正因為只認識隔離防護，甚至有些工程把單層隔離防護錨索用于永久工程，這是很危

5、險的。 通過多年的錨索實踐及對其它學科的發(fā)展和了解，對錨索防護的認識更進了一步，現(xiàn)在認識到鋼鐵的防護除隔離防護之外，還有陰極防護、陽極防護以及強堿環(huán)境使鋼鐵表面鈍化等，都可形成對錨索的有效防護。其中隔離防護的隔離層至關重要，一旦隔離層破損，鋼鐵將失去保護而銹蝕。因此，隔離防護用于錨索時，必須使錨索全長具有至少兩層隔離措施。我國不少工程做的比較規(guī)范，如四川二灘、河南小浪底、云南大朝山等。二、錨索錨索的腐蝕與防護 1.錨索的銹蝕 鋼鐵易于生銹，依據(jù)條件的不同生成不同的氧化物：FO（魏氏體）、F3O4（磁鐵礦）和F2O3（赤鐵礦），鐵的氧化過程在電化學上稱為氧化還原反應。 鐵銹對鋼鐵有保護作用。由于

6、一般條件下不連續(xù)、不均勻及性能不穩(wěn)定，得不可應用。 鈍化膜是普遍存在的。按照P研究成果，任何金屬只要滿一定條件都可在表面形成鈍化膜，條件有兩個，一個是電位，一個是酸堿度。鈍化膜化學性質穩(wěn)定，電導率很低，對母體金屬是一層很好的保護層；由于條件苛刻，很多沒有利用價值，有些是可以利用的。鋼鐵在強堿環(huán)境中可在表面形成化學性質穩(wěn)定的鈍化膜，保護鋼鐵進一步銹蝕。分子結構是F2O3，屬于塵晶石結構，厚度約100納米。這就是鋼筋砼及預應力鋼筋砼能安全服務幾十年的理論基礎；錨索是鋼材，只要在錨索表面能形成鈍化膜，并保證長期使用中不破壞鈍化膜，錨索的永久性就可以得到保證。2.錨索的腐蝕 金屬的腐蝕是一種電化學反應

7、。金屬元素失去電子變成金屬離子（被氧化），它失去的電子被另一種元素俘獲（被還原），變成陰離子，金屬離子便溶解并游向陰離子，與陰離結合成為中性化合物；金屬元素繼續(xù)失去電子，變成陽離子而溶解。所以金屬的腐蝕過程在電化學上叫做陽極溶解。在腐蝕動力學中有一個重要的結論就是：（陽極）總的氧化速度=（陰極）總的還原速度 欲防止金屬的腐蝕，不是抑制氧化反應，就是抑制還原反應，于是在電化學中產(chǎn)生了兩種金屬防護方法：陰極防護和陽極防護。工程中常用的是陰極防護，如結構的基礎、地下自來水管道、煤氣管道、橋墩、碼頭、船艦等；陽極防護主要用于工廠的設備。 陰極防護的原理很簡單，用非專業(yè)術語就是給被保護的金屬提供多余的電

8、子，于是也有兩種陰極防護方法，一種是外加電流（直流）法，利用廢舊鋼鐵接陽極，被保護的金屬接陰極，陽極（廢鋼鐵）源源不斷地向陰極（被保護的金屬）輸送電子，最終廢鋼鐵被耗盡，重新更換。第二種陰極防護方法是利用金屬的原電池原理的“犧牲陽極”法，就是用更活潑的金屬貼在被保護的金屬上。 鎂作為一種犧牲陽極在全世界廣泛使用。通常在鎂中還加入6%的鋁、3%的鋅和0.2%的錳組成合金形式。我國在船艦上常用鋅鋁鎘合金做犧牲陽極，稱為三元鋅陽極。錨索處于腐蝕性地層中，有兩種防護方法，或者采用陰極防護，錨固與注漿手冊中給出了線路圖，或者采用各種隔離防護錨索。 3.電腐蝕 兩種不同的金屬在水溶液中相接觸引起的電化學腐

9、蝕稱為原電池腐蝕。這兩種金屬之間的電位差以一定速度引起金屬腐蝕，腐蝕的快慢基本上取決于兩種金屬的表面反應。 還有一種電腐蝕是由于地下雜散電流或電氣設備漏電引起的電化學反應，這類電腐蝕比較普遍，如地下電話電纜、電力電纜、煤氣管道、自來水管道等，這些雜散電流可在金屬與金屬之間及金屬與非金屬之間產(chǎn)生電位差，使金屬腐蝕。 邊坡錨索一般遠離工業(yè)區(qū)，只要注意施工作業(yè)時不把錨索作地線，組裝錨索時不使用與錨索體不同成份的金屬做組件，無須作更多的防護；地下廠房及變電室的錨索，有可能受到電腐蝕的威脅，其防護可采用電化學中的陰極防護，也可安裝“排流器”，把雜散電流定向排出。最好采用各種隔離防護型錨索。 4.應力腐蝕

10、 長期實踐中人們發(fā)現(xiàn)機械及其零件的使用應力遠小于材料的抗拉強度產(chǎn)生了裂紋或斷裂，對這種現(xiàn)象解釋為應力腐蝕。研究認為，任何金屬對活性物質都有吸附性，吸附有內吸附和外吸附，外吸附是指材料表面吸附了活性物質，降低了物質的表面能，使表面的分子結構產(chǎn)生位錯而降低了強度；內吸附是物質內部的微裂隙吸附了活性物質，并沿晶界面或其它組織缺陷擴散，進入受拉材料裂隙的尖端使原子鍵結合力顯著削弱。應力腐蝕破壞的發(fā)展是微觀的，破壞前沒有體積變化，也沒有變形特征，破壞形式是突然斷裂。已經(jīng)證明，應力腐蝕產(chǎn)生的條件是：第一，一般只有在合金中才發(fā)現(xiàn)有應力腐蝕開裂;第二，合金僅在特定的腐蝕介質中才會產(chǎn)生應力腐蝕；第三，應力腐蝕開

11、裂的主體是拉應力； 氫脆。氫原子的體積很小，在220時可以滲入金屬晶格。滲入碳鋼的氫原子可與碳化鐵反應生成甲烷，于是產(chǎn)生了雙重破壞作用：一是使鋼脫碳，降低了鋼的強度；二是甲烷在晶格間形成壓力，與原有結構中的拉力疊加使鋼材突然斷裂，嚴重時能使鋼的抗拉強度降低60%。三、永久錨索的設計 1. 選擇各種不銹蝕材料做錨索體 最近幾年出現(xiàn)了幾種新材料，可作為錨索的主體，如碳纖維加強塑料（CERP）、芳綸纖維加強塑料（AFRP）等已廣泛用于鋼筋砼梁、板、柱的加固，不僅不腐蝕、不導電、不導磁，而且自重輕大約是鋼材的1/4，強度高可達4900Mpa，是目前常用鋼絞線強度的3倍。有些腐蝕性地層，能對砼和普通砂漿

12、腐蝕成粉末，可采用一些特殊砂漿，如環(huán)氧砂漿、瀝青砂漿等。 2. 隔離防護錨索 在鋼材上鍍鋅、鍍鉻、滲鋁都是傳統(tǒng)的隔離防護措施，不過，在錨索工程中很少采用，從上世紀90年代至今，一直沿用在鋼絞線上用靜電噴涂環(huán)氧樹脂作防護層，以及各種抗老化、耐腐蝕、不導電的各種塑料作隔離層，無粘結鋼絞線的PE套管及波紋管都是由性能穩(wěn)定的優(yōu)質塑料制作的。幾個有關隔離防護錨索的值得注意的問題： 第一，對于采用隔離防護的永久錨索，必須設置雙層隔離層，典型的永久性隔離防護錨索如圖所示。雙層隔離防護錨索結構 值得注意的是，錨索全長都必須是雙層防護。圖中，張拉段是雙層：第一層是波紋管，第二層是無粘結鋼絞線上的PE套管；錨固段

13、也是雙層：第一層是波紋管，第二層是鋼絞線上的環(huán)氧樹脂涂層。如果錨索體選擇的是普通無環(huán)氧涂層的無粘結鋼絞線，錨固段的PE管已剝去，則必須在錨固段增設一層波紋管，即錨固段是雙層波紋管。 錨固段雙層波紋管 第二、組裝錨索的所有組件；對中支架、隔離支架以捆扎材料不得用各種金屬制品，以防將隔離層磨破。各種支架都是采用有一定強度的的摸注塑料，捆扎絲用尼龍繩。在波紋管的外側放置對中支架，以保證孔壁與波紋管間有大致等厚的注漿；在波紋管內側的錨索體上安裝一定數(shù)量的對中隔離支架，以保證錨索體與波紋管間有大致等厚的注漿，且鋼絞線與鋼絞線間由不小于5mm厚的漿體隔開； 第三、雖然隔離防護錨索要求鉆孔內的所有空間必須注

14、滿水泥漿，但是水泥漿并不構成隔離防護錨索的隔離層，漿體的作用有二，一是錨固段的注漿作為傳力介質把錨索的拉力傳遞給巖體；二是對隔離防護層是一種保護措施，使其更長久地發(fā)揮隔離作用。 有的文章把注漿也作為隔離層是不對的，如圖，在隔離防護的概念中是導單層隔離防護，在宣傳時算作雙層甚至三層，圖本來屬于雙層隔離，競算作四層甚至五層，是一種誤導。這里的漿體與全長粘結不同。隔離層把鋼絞線與漿體隔開，不直接接觸，全長粘結是直接接觸，使鋼材處強堿環(huán)境。隔離防護錨索的優(yōu)點是： 第一，由于張拉段全長不與砂漿接觸，可自由伸縮，錨索的拉力可以根據(jù)需要隨時調整其大?。挥捎谠谧杂啥稳L調節(jié)應力，吸收巖體變形的能力強。特別適用

15、于巖體產(chǎn)生大變形的工程加固； 第二，適用于強腐蝕地層及化學成份復雜的地層，例如氯化物、硫酸鹽超標的地層，或有可能受到海水侵蝕的地層等。PE管及波紋管都是高分子聚合物，具有很強的抗腐、抗菌、抗老化性能； 第三，抗動載性能好。 隔離防護錨索的缺點是對錨具要求高，要長期承受錨索的全部拉力，抗疲勞、抗動載（防松），最好改進為三峽的處理方法。 3.營造不銹蝕環(huán)境的全長粘結型錨索 從鋼材防腐原理得知，陰極保護、陽極保護及PH11的強堿環(huán)境都可以防止鋼材銹蝕。陽極保護多用于化學工廠，陰極保護常用于地下管道，例如，西氣東送的地下鋼管。對于錨索，最簡單、最便宜、最有效的方法是硅酸鹽水泥漿或水泥砂漿營造的強堿環(huán)境

16、，用硅酸鹽水泥拌制的水泥漿PH=11.512.0，足以使鋼絞線表面鈍化。當然，采用水泥漿做保護層時，要注意以下幾個問題。 第一，確保水泥漿PH11和Cl- 、SO4-含量不得超標。錨索工程中為了改善水泥漿的性質常用外加劑，如早強劑、減水劑、膨脹劑、抗凍劑等，所用的外加劑（包括水）不能降低水泥漿的堿度；錨索在長期使用中始終處在強堿環(huán)境中錨索表面能夠形成鈍化膜。 第二，錨索在長期使用中不能破壞鈍化膜。破壞鈍化膜的因素有兩個，一是地層中的有害成分，特別是硫酸根離子和氯離子，它們能夠侵入鈍化膜，造成晶格缺陷并逐步擴大，在鋼材表面形成銹斑，破壞了鈍化膜的連續(xù)性；二是注漿管的開裂，有害氣體、液體沿裂縫滲入

17、，破壞鈍化膜。 對承載力大的拉力型錨索水泥漿要開裂是一個不爭的事實。也有人認為，在地下封閉狀態(tài)砂漿有些微裂隙（寬度不大于0.5mm）不影響錨索的永久性。然而，這僅是一個美國人在一個核電站的實證，還不具備推廣到錨索的價值。日本對鋼筋砼中裂縫寬度與鋼筋腐蝕的關系進行了長達20余年的研究，也認為砼的裂縫寬度0.5mm時對結構的永久性影響不大。 國際預應力協(xié)會也允許鋼筋砼中有不大于0.3mm的裂縫，這些研究成果可否引入錨索還沒有把握。如果一定要求全長粘結錨索的注漿體不出現(xiàn)裂縫，這里推薦一種1993年在漫灣水電站6000kN級錨索使用過施工工藝：分段注漿分次張拉和錨固施工法。該方法的要點是，比如6000

18、kN級錨索分為三級，每級2000kN，總設計錨固段長9.0m，分為三段注漿，每段3.0m，第一次注3.0m，拉2000kN，錨固；再注3.0m，張拉至4000kN，錨固，余次類推。砂漿和錨索的受力情況示于下圖。 分段注漿分級張拉錨固砂漿及錨索受力圖 該方法的主要優(yōu)點是每次張拉時的注漿體都是從零應力開始，而錨索的拉力是逐級疊加的。這種施工方法可以大大減少砂漿的拉應力。分級的多少，以不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的砂漿拉裂裂縫的最大拉力為準。 錨索是深埋地下的，不像暴露于大氣中的鋼筋砼結構，經(jīng)常受到大氣和煙囪中的CO2、SO2等有害物質的侵蝕，只要作到以上兩點，全長粘結型錨索完全可以作為永久錨索設計。到目前為止，看到的有關錨索銹蝕破壞的報道，以及國際預應力協(xié)會收集到的35例錨索破壞的實例，幾乎沒有全長粘結型錨索。當然，錨索的破壞原因是多樣的，有地層原因、有施工質量原因，也有選材不當造成的，絕對不能因為隔離防護錨索銹蝕破壞的多就否認隔離防護的有效性。 下列情況下不宜將全長粘結錨索作為永久錨索：1、有海水侵入及含有氯化物和硫酸鹽的地層；2、有腐蝕性廢水侵入及受腐蝕性氣體污染的工廠附近，如化學工廠、污水處理廠等；3、雜散電流密集地區(qū)，如變電站、地下鐵道附近