预应力钢丝和钢绞线的防腐镀（涂）层

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 金属腐蚀给国民经济带来的损失是相当惊人的，据统计，每年世界上由于腐蚀而报废的金属材料相当于年产量的1/3。更重要的是金属腐蚀而造成构件破坏的价值和影响，远比金属本身价值大得多。预应力钢材是在应力和腐蚀复合作用下的应力腐蚀（属电化腐蚀范畴），其特点是在金属内部先形成裂纹，内裂纹发生后便形成应力集中，加速裂纹的发展。因此预应力钢丝和钢绞线用钢的防腐是至关工程质量寿命的重大问题，影响应力腐蚀的因素主要由内外两种组成，诸如金属的成分和状态，载荷的性质和大小，金属应力的周围条件和介质的物化特性等。从钢材的内部条件上，要求该类钢材必须经过炉外精炼，已纳入YB／T146-1998的标准条款，并在疏、磷、铜杂质含量上加以严格控制，在盘条的表面缺陷上也加以严格控制。本文仅从金属伪外界防腐条件加以分析，并要求确实可行的防腐措施，以减少预应力钢材因腐蚀造成先期失效而带来的巨大损失。
    一、预应力钢材的防腐镀（涂）层
    钢材总是在腐蚀介质的条件下服役，因此隔离（或减缓）钢基的介质腐蚀是钢材生产厂的义不容辞的职责。按保护层的种类，可分为非金属保护层（称为涂层），化学保护层和金属保护层（称为镀层）三类。
    1、非金属保护涂层
    预应力钢材的非金属涂层主要有塑料，环氧树脂和防腐油脂三种，由于其工艺装备比较简单，投资低，易于上马。但非金属涂层的抗老化问题尚未解决，且其力学性能较金属镀层低得多。因此，应用范围受到限制。
    2、化学保护层
    通过化学法，在金属表面形成保护层，如锌层的钝化、铝层的氧化。铁基的磷化等。该类保护层往往不是作为单一的钢材保护层，而是与金属镀层兼并使用。
    3、金属保护镀层
    在电化腐蚀中，处于阳极的金属首先被溶解，为此在钢丝表面镀以较铁活泼的金属，如锌、铝等。在腐蚀介质的环境中，使锌首先被溶解而保护铁基，称为阳极镀层保护。阴极保护（如镀锡）在预应力钢材极少应用。由于镀锌（或锌-铝合金）在金属防腐中具有良好的结果和成熟的工艺装备。因此也被预应力钢材广泛使用。鉴于预应力构件的"氢脆"争议，曾一度推广受阻，直到1992年12月，国际预应力联合会专业委员会(E.I.P)报告［1］，才作定论，继而法国于1993年12月颁布了国际上第一个产品标准，预应力热镀锌圆钢丝和钢绞线（NFA35-035）确定以热镀锌作为唯一的镀层方法，我国相继于1997年颁布了桥梁缆索用热镀锌钢丝标准（GB／T17101-1997）。使我国预应力钢材防腐技术进入国际先进水平行列。
    二、预应力钢绞线的防腐镇（涂）层及初步分析
    预应力钢绞线由单根钢丝捻制而成，镀层钢绞线是由镀层钢丝捻制而成。因此对于单根钢丝的防腐镀（涂）层不另作分析。仅对钢绞线分析后可覆盖钢丝的范围。
    1、光面钢绞线的防腐分析
    光面钢绞线作为最早推广的预应力建筑钢材，已在国际上得到广泛应用。我国在近十年内才得到迅速发展。与传统的钢筋混凝土一样，是把应力从混凝土结构转移到钢结构上来，以至钢也被认为是混凝土的一个组成部分。而钢与混凝土的结合就是通过钢材表面握裹足够数量的混凝土来获得的，简单地增加钢承载的横断面，并不会使承载握裹面积相应增加。而预应力混凝土是充分利用混凝土抗压性能是抗拉性能十倍的优点，把其抗拉载荷转移到抗压载荷上来的一种优良设计方法，因而其应用迅速发展。
    预应力钢筋中预应力产生有先张法和后张法两种，用先张法的钢绞线，被直接埋置在混凝土中，因握裹在无腐蚀元素的环境中，并且具有有效覆盖保护层，就不大可能出现有关腐蚀问题。但基本条件是保持原始碱度不变（或pH值不小于9）。这就要求在钢筋附近的孔隙空间不超过14％及混凝土具有合适的覆盖保护层。该资料还指出了混凝土中的氯化物会弓愧钢的氢脆，目前美国氯离子的含量限制在混凝土重量的0.014％～0.025％［2］。
    后张法的预应力钢绞线现通常有两种方法：一是把钢筋插入一个预制管中，进行预应力张拉，接着再将保护性材料（一般用砂浆）填充孔道和密封锚固端。二是采用无粘结钢绞线（后作分析），就预制管中插入钢绞线的后张法而言，其腐蚀事故通常与在有腐蚀介质环境中施工有关。环境和轻型填料中的硫化物，填充砂浆中的氯化物、填充砂浆孔隙空间过大，锚固端密封不实，都是造成腐蚀损坏的隐患。所有这些，已引起国内学者的足够重视。呼吁要加强预应力技术行业的管理，规范预应力工程市场，制定出行之有效的预应力工程施工和设备材料生产的行业规章制度，以及资质批准的规定，以确保工程质量，防止重大事故的发生[3]。
    就当前光面钢绞线直径偏面减小的误导倾向，提出我们的看法，供各方工程建设人员深思。对制造厂来讲，随着原料结构的改善，负偏差生产已不是制造厂的技术水平问题。即使1860MPa的φ15.24mm钢绞线，减少到φ15.lmm，其米重仅减少1.8％，但对工程质量的隐患是无可估量的，因为高强度钢绞线是在高应力腐蚀的条件下服役，加大预应力钢材的断面是工程安全措施之一，美国ASTMA416-94a规定，强度级别从1720MPa提高到1860Mpa
    2、无粘结钢绞线的防腐分析
    无粘结钢绞线作为后张法预应力钢筋使用，是国际上较新应用的技术。它是在浇注混凝土前预先安装在张拉位置的无粘结钢筋束。养护后再作预应力张拉，使混凝土造成预先的压应力，因钢绞线与混凝土之间被润滑脂与塑料所隔离，通过钢绞线与混凝土直接粘结的塑料护套相对位移，实现张拉的操作，润滑脂为这种位移提供方便，使钢绞线与混凝土元粘结而命名。由于张拉的锚固端必须清除塑料与润滑脂，其暴露端也就成了腐蚀的重大突破口。 
    据1982年调查报告，美国每年使用20万吨预应力钢材而言，40％的事故发生在采用后张法暴露在用盐消除冰冻而造成的高浓度氯化物环境的结构上。环境中硫化物会引起钢筋韧性降低。造成无粘结钢绞线腐蚀的主要原因是混凝土用来封闭锚具和修补破损面专用灰浆中存有氯化钙。于是提出四条保护措施：无粘结加工前防止钢绞线腐蚀，选用良好的防潮润滑脂、选用高密度聚乙稀（或聚丙稀），钢束出入口有必要开槽的地方，应用砂浆填满，接着用树脂粘合剂涂覆密封，砂浆中不能有氯化物，硫化物或其他有害物质。作者对几百根受腐蚀钢绞线分析表明，几乎所有的腐蚀都是由于锚固端密封不当，氯化物和硫化物环境或塑料封口损坏所致[2]
    我国无粘结钢绞线的应用时间较晚，建设部JG3006-93，JG3007-93对无粘结钢筋和油脂都作了具体规定，基本能满足国际上对该类产品的防腐要求。但在实施过程中，就FIP提出的四条措施中，三条与制造厂有关（一条与施工方有关）的条件加以分析，还存在不少差距。
    (1)钢绞线的防腐措施重视不够。
    现钢绞线生产厂，对光面钢绞线缺少防腐措施，一般都按先张法或预留通道的后张法生产（美标也无特殊要求），在与水泥直接接触时，轻微锈蚀对工程质量影响不大。但对无粘结的防锈特殊要求认识不足，甚至不少小企业以外购钢绞线进行无粘结加工制造，原始光面钢绞线的锈蚀不加关注，只要加工完以后（外面已无法检测）作无粘结钢绞线成品供货。
    (2)对防腐润滑脂管理不严
    该专用润滑脂作为防腐的重要原料，必须纳入建设部宏观管理的范畴，要建立许可证管理制度。现该油脂的生产厂和使用厂，对其出厂检验和复验的管理没有严格按JG3007进行，大的使用企业复验时外委送检。油脂制造厂是否按标准"每釜作出厂检验"，其数据可靠性和质量控制是否严密，有待调研。我公司曾在油脂桶中发现大量积水和未调和的块状物质及其他杂质，因此，必须把油脂纳入原料质量管理的重要合格分承包方来对待，否则后患无穷。
    对油脂涂覆到中心丝的问题，曾有建筑专家提出该项要求，我们认为，这种要求从防腐的角度是合理的，可减少钢丝间隙中水分渗入的可能，但从力学性能角度，一旦中心丝与边缘丝被润滑脂填充，带来的是后张过程中，中心丝与边缘丝张力不均，将会影响应力的均匀性和松驰性能，尚须综合考虑，必须以标准立法加以实施。 
    (3)重视塑料护套的选用和保护
    塑料护套用料，必须用高密度聚乙烯（HDPE）或聚丙烯、切忌用含氯的聚氯乙烯。其色母料也必须用中性的添加剂。以保护它具有较高的化学稳定性。鉴于塑料护套容易破损，因此必须要在运输、仓储使用中加以保护，塑料护套不是“遮羞布”，是无粘结钢筋防腐的重要手段，有的加工单位用含氯的再生塑料，后患无穷。
    3、镀锌钢绞线的防腐分析
    镀锌作为钢材的优良防腐镀层，已被国际所公认，由于在预应力构件中“氢脆”的争议，直到1992年才被统一，把热镀锌作为预应力钢材唯一的镀锌方法，并纳入标准条款之中，排除了电镀锌的应用。在施工和应用现场，由于锌-铁和刚搅拌好的砂浆易起反应，对氢脆较为敏感的预应力钢材容易出现断裂，因此，必须避免镀锌钢绞线与水泥砂浆直接接触，便可降低断裂的危险。
    锌-铝合金，是国际上推广的高耐蚀金属镀层，美国伯利恒钢公司（BethlehenSteel co，）1972年开发了含铝55％的金属镀层（称为Gelvalume或Zincalume），由于其熔点高、工艺装备比较复杂，在钢板上应用后，在钢丝和钢丝绳的应用不多。直到1982年，国际铅锌组织(ILZRO)限供含铝5％的合金镀层（称为Galfan）生产许可证，在1984年迅速发展。研究表明，Galfan是Zn-Al的共晶合金，能在热镀锌作业线上稍加改造便可投入生产，具有良好的耐蚀性、明显的镀层粘附性、极佳的可塑性和可拉拔性能。
    （1）Galfan和锌镀层的主要差别
    金属保护镀层是以保护钢基不受腐蚀为目的，因此，其抗腐性能优劣，就成为镀层好坏的衡量标准。Galfan镀层替代镀锌层已成为国际上无可争议的事实，据此，而出现的许多钢丝标准和钢绞线标准，在美、英、德、法、加拿大等国迅速推广。
    Galfan是Zn一Al合金的共晶体，具有较低的熔点。Zn的熔点为419.5℃，而Galfan熔点同382℃。它除兼有Zn和用的抗蚀优点外，还因其合金生成了金属门化合物作为涂层，显微结构状态为富铝片层和富锌片层形成无规则排列的取向群体（与钢的共析组织珠光体相似），形成了隔离大气的坚固屏障（物理保护）和低的电极电位（Zn为-0.760V，Al为-1.670V）而造成电化学保护，形成了双重护保。
    镀锌和Galfan，除在工艺和装备上不能通用以外，在镀锌钢丝的技术标准上考核条款也有较大区别。镀层重量约为2:l，它没有渡Zn时很厚的锌铁合金层，具有良好的可塑性。镀Zn时的不均匀性，CuSO4次数考核被取消了，因为大量数据已经证实Galfan镀层的均匀性较镀Zn为好。（CuSO4试验并不是抗腐蚀的性能指标）。粘结力的性能指标用缠绕来衡量，Galfan较Zn镀层为优越。因此，在国外标准ASTM A475中，考核锌层质量的三个指标中被保留两个，锌层重量考核指标要比镀锌减少一半。
    （2）镀Galfan预应力钢绞线生产的可行性
    作为低松驰的预应力钢绞性，在镀层方面，Galfan镀层具有镀层硬度高镀层薄，有利于与锚具的锚固。但从力学性能上，由于低松驰的力学性能，必须要经过稳定化处理。其热处理温度从理论上来讲必须控制较镀锌钢绞线低37.5℃。否则将导致镀层的熔化。热处理温度降低后，对钢基体的松驰性能影响如何？有待进一步探讨。
    4、涂塑钢绞线和包塑钢绞线
    塑料作为优良的防腐隔离层，也被国内外广泛使用。在预应力钢绞线上的应用还没有纳入正常的产品标准渠道，国外有的企业也停留在供需双方的协议阶段。
    （1）涂塑钢绞线分析
    a．涂塑的工艺方法
    涂塑是将塑料（一般用HDPE）直接粘结在钢绞线上，使钢基与塑料之间没有空隙，若塑料不破损，就能完全隔离腐蚀环境，保证绞线不受腐蚀。为达到涂塑的目的，必须是钢基与液态的塑料相接触，从而塑料在冷却的条件下固化。与所有钢材涂层一样，有涂前处理，涂层，冷却三大工序。就涂层而言，一般有浸涂、喷涂、电涂。其中浸涂最为常用。以往浸涂都是冷态的钢件浸入液态的涂层材料，随后抽出冷却固化。较新的工艺是加热的钢件通过塑料粒子的流化床，接触钢件的塑料迅速熔化而被粘结在钢件上带出冷却固化。
    b．涂塑钢绞线
    涂塑钢绞线按其加工方法，可有整根钢绞线涂塑和组成钢绞线的钢丝涂塑两种，前者只要将成品钢绞线通过浸涂的方法，在钢绞线外缘涂上一层塑料，在施工锚固端将塑料去除后与锚具咬合。与无粘结钢绞线的锚固端防腐要求一样，必须加强锚固端的防腐处理。该类钢绞线一般施工与光面钢绞线相同，在腐蚀环境较为严重的场合，诸如海岸堤坝等场合应用。
    组成钢绞线钢丝的涂塑，必须在钢绞线稳定化处理以后，顺序是：钢绞线放盘→折股→表面预处理→涂塑→合股→收盘。这里不对该工艺的可行性作评价，就对涂塑钢绞线的使用性能和成品性能作如下分析：
    ①需专用锚夹具相匹配，假使涂层厚度为 0.05～0.lmm，则钢绞线的直径就要增加 0.3～0.6mm，对φ15.24公称直径来讲，实际直径就要到φ16mm。锚夹具还必须与该类产品具有牢固的锚固力。
    ②钢丝密度大为减少，英国紧密型钢绞线能在同样直径的条件下提高钢绞线密度来提高承载能力，按断面积计算，其密度要减少10％，在预应力构件中的应用，不能不讲是一个承载能力的损失。 
    ③钢绞线结构松散，影响其力学性能。光面钢绞线在稳定化处理后，其钢丝都处于定型状态。因此，质量完好的钢绞线才有"不松散"的特性，钢绞线经拆股、涂塑、合股后，由于钢丝直径增加和经一定外力张拉下同时在一定温度下涂塑，致使其难以复位，造成钢绞线松散（我公司从提供实样分析），尤其中心丝，不能被边缘丝紧密握裹住，就会造成张拉时中心滑丝，影响预应力加载和松弛性能，最终影响结构使用和寿命。
    （2）包塑钢绞线分析
    a．包塑工艺方法
    包塑是将塑料护套挤套在钢绞线外，该护套不与钢绞线粘结，以隔离腐蚀环境为目的。其加工方法一般是用挤塑机套在钢绞线外层，正像无粘结钢绞线加工一样，其主要区别是无粘结钢绞线有防腐润滑脂填充在绞线和护套之间，包塑钢绞线没有润滑脂填充。由此而产生了改进型的双护套包塑钢绞线和双护套无粘结钢绞线，以满足不同工程的防腐需要。
    b．包塑钢绞线防腐分析
    包塑钢绞线与涂塑钢绞线相比，没有涂塑钢绞线一些技术与质量的争议。像无粘结钢绞线一样，加工制造工艺稳定，对钢绞线的力学性能没有任何影响，施工也可按常规进行。
    包塑钢绞线正像无粘结钢绞线的防腐要求一样，只要保证加工前钢绞线有较好的表面状条，塑料护套完好，锚固端密封按规范进行，其防腐效果也相仿，并减少了防腐油脂质量差而加速腐蚀的风险，双护套包塑钢绞线更增加了其防腐隔离层，若在双护套中间填充润滑脂，便可作为无粘结钢绞线应用，其防腐效果理应胜过单护套的无粘结钢绞线。
    5、涂环氧树脂钢绞线防腐分析
    环氧树脂作为有机的非金属涂层，在钢材中的应用甚少，预应力钢绞线的环氧涂层，仅有美国以产品标准形式予以确认，（ASTMA882／A 882M-92）它以预应力钢绞线（AST－MA416中的1720MPa和1860MPa）为基础规定了环氧涂层的操作、涂层指标，与混凝土的粘合力和有机涂层的要求。主要用于防腐要求较为严格的场合以代替光面钢绞线使用。
    与其他涂层的钢材一样，涂前必须要经表面清净处理（化学法或其他有效方法），在出现肉眼可见的重新氧化之前，必须进行涂层，以确保钢材不受腐蚀。
    尽管它具有较好的防腐性能，但由于其制造工艺和装备较为繁杂，检测条件也较为特殊，诸如盐雾试验、涂层连续性检测、厚度均匀性检测、混凝土抽出试验、涂层粘附性试验等，增加大量制造成本。在使用上保护好涂层表面，在运输施工上也需投入大量额外资金。因此，除美国外，其他国家较少制造和应用。
    三、结论
    （1）预应力钢绞线是在高应力状态下服役，应力腐蚀直接影响其使用寿命，从而影响建筑工程寿命。为此，必须由设计，施工和钢材制造厂各方严格控制，才能确保工程质量万元一失。
    （2）高应力钢绞线断面尺寸增大（加大公称直径或增加正公差范围）是提高抗应力腐蚀寿命的需要，尤其对后张预应力钢绞线，还必须提高预制管中水泥灌浆的密实性和提高锚固端的密封程度，才能确保建筑工程质量和寿命。
    （3）镀锌作为有效和可靠的钢材防腐镀层，在预应力钢绞线的应用中，切忌与混凝土灌浆直接接触，并应采用热浸镀锌，可消除“氢脆”危害的风险。因而也限制了其使用范围。Galfan（锌-5％铝合金）具有较镀锌更好的抗腐性能。在建筑钢材上应大力应用和开发。
    （4）非金属防腐涂层中，无粘结钢绞线和整根钢绞线涂包塑具有较好的防腐性能和市场可操作性。但必须按四条防护措施做到规范操作和控制，才能达到预期防腐效果。