外文翻译腐蚀和预应力混凝土桥梁

1、CORROSION AND PRESTRESSED CONCRETE BRIDGESAdrian T. Ciolko, P.E.1腐蚀和预应力混凝土桥梁AbstractThe impact on bridge reliability, of prestressing steel deterioration and tendonrupture created by corrosion me

2、chanisms, is much more critical and rapid thanthat of any other component of a prestressed concrete bridge.Additionally,deterioration of embedded prestressing reinforcement in these str

3、uctures may notnecessarily be made visible through manifestation of external distress in theConcrete.摘要腐蚀机制引起预应力钢筋的恶化和断裂，进而对桥梁的可靠性产生影响，这比对预应力混凝土桥的其他部分的影响更加严重，也更加迅速。 此外，在这些结构中，有粘结预应力钢筋的恶化也不必要通过混凝土外部糟糕的状况表现出来。Initiating mechanisms a

4、nd particular forms of corrosion affectingprestressed concrete structures are described based on the authors experience.These degradation mechanisms include:Chlorides and CorrosionConcrete Carbonation

5、 EffectsInfluence of Concrete CrackingElectrochemical (Macrocell) and Pitting CorrosionStress Corrosion Cracking and Steel EmbrittlementFretting CorrosionCorrosion and Fatigue关于腐蚀影响预应力混凝土结构的最初机制和特定形式的描述是基于作者的经验。这些退化机制包括：

6、 氯化物和腐蚀 混凝土碳化影响 混凝土裂缝的影响 电化学 (小区) 和孔蚀 应力腐蚀开裂和钢的脆断 微动腐蚀 腐蚀和疲劳Recently, prestressed, post-tensioned concrete structures have beenthought to be threatened by certain premature performance impairmentsworldwide, predominately 

7、;when defects were present.These problems maycontinue to manifest themselves. Therefore, corrosion preventative methods andneed for scrutiny during construction and maintenance needs will be

8、 described.For existing structures experiencing evidence of premature distress, the authordiscusses case-study based investigative techniques and available rehabilitationStrategies.最近，世界各地的预应力、 后张法预应力混凝土结构已经被认为受到某些早

9、期性能破坏的威胁，尤其是已经存在的缺陷。这些问题可能继续危害结构。因此，我将对预防腐蚀的方法和施工与维护期间的检测进行介绍。对于遭受早期破坏的现有结构，作者讨论案例研究是基于探测技术和有效的修复手段。1  Vice President, Construction Technology Laboratories, Inc., 5400 Old Orchard Road, Skokie,IL 60077.1Copyright ASCE 2005Str

10、uctures 2005Structures Congress 2005IntroductionThe first prestressed concrete bridge in the US was constructed in 1950; the paceof acceptance for this construction technology accelerated

11、60;rapidly; most allconcrete bridge superstructures in existence today were built in that fashion.Assuring success in new construction and extending service life of prestressedand post-

12、 tensioned concrete bridges requires attentiveness to the distinctivecharacteristics and behaviors inherent to this particular construction technology.介绍美国的第一个预应力混凝土桥建于1950年；接受这种施工技术的步伐迅速加快;在这个时尚潮流中建造了当今大多数的混凝土桥梁上部结构。确保成

13、功应用于新型结构和延长预应力和后张法预应力混凝土桥梁的使用寿命需要专注于这种特殊施工技术的显著特点和固有特征。This paper discusses considerations necessary for achieving the potentiallow maintenance service life these bridges can offer. These observations arederive

14、d from the authors experience in investigating and evaluating prestressed,post-tensioned concrete bridges, and developing investigative and rehabilitationsolutions at the CTL Structural Engineeri

15、ng Laboratory since 1988. While thedurability of prestressed concrete can be influenced by behaviors of both theconcrete and reinforcement, recent construction trends and post tens

16、ionedconcrete bridge performance observations have focused more attention onpreserving the condition of prestressing steel. Consequences of prestressing steeldeterioration are most serious. Aware

17、ness of these features is a key element toconstruction of long lasting prestressed bridges and extending life of older,serviceable structures.本文讨论了实现这些桥梁潜在的低维护使用寿命所需的考虑。自1988 年以来，作者在 CTL 结构工程实验室调查和评估预应力、后张

18、法预应力混凝土桥梁、开发检测和加固解决方案，这些观测结论就源于这期间的经验。混凝土和钢筋两者的性能都影响预应力混凝土的耐久性，但是当近的建设趋势和后张预应力混凝土桥梁性能检测都更多地集中于预应力钢筋的维护。预应力钢筋恶化的后果是最严重的。对这些特点的认识是对建设持久的预应力桥梁和延长旧的可用结构寿命的一个关键因素。Function of Prestressing Reinforcement in Bridge Design and ConstructionMost concrete highwa

19、y bridges are comprised of prestressed concrete in twopredominant fabrication/construction categories; namely pretensioned and post-tensioned, with more than 90% representing pretensioned. The

20、60;geometric crosssections and design/construction procedures used represent a broad range ofpossible structural design configurations, both precast and cast-in-place; theinterested reader is enc

21、ouraged to obtain information from organizations such asthe Prestressed/Precast Concrete Institute, the Post Tensioning Institute and theAmerican Segmental Bridge Institute for in-depth desi

22、gn and constructionguidance for this technology, since exploring its complexity is beyond the scopeof this paper.预应力加固桥梁设计和施工中的作用最具体的公路桥梁是由组成的预应力混凝土在两个主要制造/建筑类别 ；即先张法和后张法，有 90%以上表示先张法预应力。几何截面和使用的设计/施工程序代表的范围广泛的可能结构设计配置、 预制和强制

23、转换的地方 ；有兴趣的读者应该鼓励从预应力/预制混凝土研究所、 后张法研究所和美国节段桥梁研究所深入设计和施工指导对这一技术，等组织获得的信息，因为探索它的复杂性是超出了本文的范围。Prestressed (less commonly known as pretensioned) concrete is made bystressing the reinforcement between fixed bulkheads and cast

24、ing concrete aroundthe steel elements. Following concrete curing, the steel strand is released at thebulkhead, transferring compressive stress and added stiffness into the concrete.Most

25、 all pretensioned concrete bridge components are precast in specializedfabrication yards, then shipped and erected on-site.Post-tensioned concrete for bridges predominately contains multiplestran

26、d or bar tendons.Tendons are stressed against built-in multi-pointanchorages; and tendon forces are internally resisted by the concrete mass incompression.Tendons are installed in sheat

27、hing or ducts preplaced in theformwork prior to casting. Tensile forces in stressed tendons are transferred toconcrete through specialized anchorage hardware, creating compression in

28、60;theconcrete, making the structural element stiffer.In bridges, both bonded andunbonded tendon construction is used.In bonded tendon construction,2Copyright ASCE 2005Structures 2005Structures Congre

29、ss 2005cementitious grout is injected into the ducts after stressing; protecting againstcorrosion and enhancing the strength capacity of the bridge element, since groutbonds the te

30、nsile element to the surrounding concrete mass along its length.Bonded tendons are positioned within the thickness of girder webs and flangesUnbonded tendon construction is sometim

31、es used in concrete bridges whenexternal tendons are chosen in design; these are positioned outside the mass of theconcrete girder elements, although these are nearly always&#

32、160;incorporated within theinteriors of cellular construction. Unbonded tendons are also grouted, principallyfor corrosion protectionCommon among these bridge components is the role of the&#

33、160;prestressingreinforcement, which can take the form of cold-drawn high strength wire, or wirehelically wound to form 7-wire strand, and rolled high strength threaded bars.Prestressin

34、g strand for bridge construction is presently supplied with a tensilestrength of 1860 MPa, and bar reinforcement in 1030 to 1100 Mpa tensilestrength.Prestressing wire (parallel

35、0;wire systems) has also been used forprestressed bridges, though not in this country for more than two decades.In bridges, the prestressing reinforcement element provides the 

36、;concretestructure a means for counteracting tensile stress resulting from service loads, andprovides the needed capacity for the strength limit state. As such, the prestressingreinforc

37、ement must reliably and continuously sustain, over the life of thestructure, a minimum stress level on the order of 60% of its nominal strength. Inthe realm of engin

38、eering design, this demand on material performance is verysubstantial.Consequently, the prestressing reinforcement's quality and its protectionagainst aging and deterioration process are para

39、mount to attaining functional andsafety requirements of a concrete bridge structure.Design of prestressedmembers provides directly for several forms of durability measures such as dense

40、concrete cover, corrosion mitigating grout systems, and innovative, proprietaryfull length corrosion barriers integrated with anchorage systems for post-tensioned structures.Additionally, structural d

41、etails and standards have beendeveloped and introduced by AASHTO and various industry organizations tomanage effects of prestressing reinforcement's heightened susceptibility to knownaging

42、60;mechanisms such as fatigue, fretting, and time dependent, inelastic changesin concrete structure components.Bridge management strategy presently relies on fixed-interval inspectionsand computation&

43、#160;of bridge load ratings. Unfortunately, the condition inspectionsare comprised exclusively of visual observation of the structural features visibleto the unaided eye, and few widely

44、 accepted practical means exist forquantitatively measuring condition of the prestressing and for integrating resultsof such measurements into the strength and serviceability rating com

45、putations.The most recent 5-year history of post-tensioned bridge construction hasevolved significant changes in perception of these bridges performance.Aging and Degradation Mechanisms Influence

46、 PracticesThe historic performance record of more than 100,000 prestressed concrete bridgestructures in the US is generally considered satisfactory; however some corrosion3Copyright ASCE

47、0;2005Structures 2005Structures Congress 2005of prestressing steel had been reported in a minority of structures.FHWA-sponsored surveys in 1987 and 1992 of 20 major in-service structure

48、srepresentative of the prestressed concrete component of the nation's highwayinfrastructure supported and highlighted need for design for serviceability.Findingsofvisualinspection/corrosionsensing/materialsstudi

49、esbyNovokshchenov and Whiting et al. for pretensioned and post-tensionedsuperstructures of various configurations throughout the full range of USenvironmental exposures, found no evidence of

50、 serious prestressing reinforcementcorrosion or other systemic degradation. These studies and other similar findingsof the highway transportation community have led to recommendations relate

51、dprimarily to minimization of the number of deck joints, more durable, protectiveconcretes and coatings for anchorage components, improved deck and jointdrainage systems to redirect

52、0;passage of aggressive solutions from corrosion-susceptible components near girder ends, and implementation of more effectivedeck joint maintenance programs.Some prestressed concrete structures 

53、have displayed troublesomepremature performance impairment trends worldwide, discriminating thisstructural concept from others when one considers development of a rationale forassessing and maint

54、aining bridge reliability and utility beyond the 50-year agemilestone. Szilard, in a 1969 survey performed on behalf of FIP, noted thatcorrosion of prestressing reinforcement was&#

55、160;the predominant form of unexpecteddamage to structures, whether accidental or deterioration/aging based. In 1971,the Australian Water Resources Council published results of a wide-rangin

56、g studyof the performance of prestressed concrete structures worldwide intended toassess the performance of Australian prestressed structures and compare it withthat of structures elsew

57、here.The work was prompted by premature multiplefailures of prestressed, wire-wound pipelines and tanks, and helped establishimproved specification for prestressing wire and concrete/mortar 

58、and otherprotective coatings. Citing the criticality of corrosion protection for prestressedconcrete pressure vessels for nuclear reactor containments, Griess and Nausstudied corrosion behavior&#

59、160;of high-strength prestressing steels in 1978, reviewingseveral incidents of prestressing steel failures in nuclear pressure vassels in theU.S., France, and United Kingdom.Schupack conduc

60、ted a performance survey covering the time period of1950 to 1977, concluding that the noted failure incidence rate of 200 tendons outof an estimated worldwide prestressing

61、0;steel consumption of 30,000,000 tons wasnegligible. However, an NCHRP study performed by a forensic engineering firmin 1982 reported that 50 structures with tendon corrosion were

62、 noted in the timeperiod between 1978 and 1982. Ten of these reportedly displayed brittle fracturessuggestive of environmental cracking phenomena. In 1992, Ciolko summarizedstructural&#

63、160;evaluation and failure analysis data from U.S. prestressed concretepipeline failures, estimating based on industry and water utility records that morethan 60 such pressure pipelines

64、 had failed in the US, principally due toaccelerated corrosion of poorly protected prestressing wire. Common to all as afactor contributing to performance impairment was the&#

65、160;heightened susceptibilityof prestressing wire to accelerated corrosion phenomena.4Copyright ASCE 2005Structures 2005Structures Congress 2005In 1992, Podolny warned designers of the danger of 

66、complacencyresulting from reliance on the some of the favorable conclusions from earlysurveys and reports of the condition of prestressed structures. He concluded thatalthough the 

67、population of prestressed structures has greatly increased in the lasttwo decades, it was only recently that we have begun to understand the role thatenvironment and the 

68、many forms of corrosion have on reliability of prestressingreinforcement.In 1998, Poston and Wouters reported in an NCHRP study of durability ofprecast segmental (post-tensioned) bridge

69、s, that no evidence of corrosion or otherdurability problems with these bridges existed, cautioning however, that thegathered information was based principally on visual inspections.

70、60;The study citedthat lack of improved nondestructive evaluation options hinders evaluation ofthese structures.Podolnys caution regarding complacency was warranted, as werePostons concerns for&#

71、160;lack of diagnostic nondestructive tools which would haveprovided a more reliable means for judging condition of post tensioned structures.In 1999, corrosion-related failure of an

72、60;external (unbonded) posttensioning tendon in Florida DOTs 20-year old Niles Channel Bridge focusedattention on post-tensioned bridges. Three other Florida bridges including theMid-Bay Bri

73、dge in Destin, Sunshine Skyway (St. Petersburg), and I-75/I595Sawgrass Interchange in Broward County were later investigated. Investigationsof these structures highlighted the critical role&

74、#160;that tendon grouting andcomplementary corrosion barriers take in successful construction. The root causesof reinforcement deterioration in these bridges were identified as groutingprocedure&

75、#160;ineffectiveness for controlling entrapment of bleed water in tendons,and poor tendon duct detailing creating access for aggressive solutions. Theseincidents prompted rigorous review of&

76、#160;the durability issues related to corrosion ofpost-tensioned concrete structures.Corrosion  Mechanisms and ThreatsCorrosion is defined as the degradation of a metals integrity and s

77、trength byinteraction with its environment. Because the metals used in construction arerefined from their naturally-occurring oxides, the refined metal is lessthermodynamically stable than&#

78、160;its oxide.When corrosion occurs, the refined metals structure reverts to itsnaturally-occurring state through an electrochemical reaction.Initiation andsustenance of the reaction require exis

79、tence of an electrolytic cell. Each corrosioncell requires three elements;an anode ( the region of metal which corrodes, or reverts to an oxide),an electrolyte (a corrosion-en

80、abling medium or environment which provides apath or environment for electrons or current to flow, which may be inherentlyaggressive or benign), anda cathode ( the location

81、60;where electrons are consumed or absorbed, and themetal is protected from corrosion).5Copyright ASCE 2005Structures 2005Structures Congress 2005Metals in concrete, including mild steel rei

82、nforcement, prestressing steelencased in high quality concrete (pretensioned), and prestressing steel in fullygrouted post-tensioning ducts are known to be resistant to corrosion due to

83、 thebeneficial effects of the highly alkaline environment that cementitious materialscan provide.When these alkaline conditions are effectively sustained in an unbroken,continuous state, the

84、 metals surface, which would otherwise be unstablethermodynamically, is known to be passivated, or protected by a thin iron oxidefilm.Design of concrete structures for serviceabili

85、ty is predicated on thisprinciple, and more than a hundred thousand US highway structures haveperformed adequately based on this design philosophy.However, if the highly alkaline&#

86、160;environment provided by concrete orcementitious grout is absent (at voids and other defects); wherever the passivationis interrupted or breached; or wherever the passivating environ

87、ment is alteredchemically, corrosion will occur.It is very important to note in any discussion on this subject matter thatcorrosion is never uniformly distributed. That kind o

88、f deterioration would ideallyrequire that each atom on the metals surface be equally sensitive to the corrosionmedium(electrolyte) and that the medium have uniform access to a

89、ll surfaceatoms.The various forms and types of corrosion observed in reinforced andprestressed concrete are therefore manifestations of the non-uniformities inherentin materials, manufacturing

90、60;defects, alteration of the concretes chemistry, andmechanical damage arising in manufacture, construction or during service.Initiating mechanisms and particular forms of corrosion affecting

91、60;prestressedconcrete structures are described in the following sections; consideration of eachas an influence on optimal service life of a prestressed concrete bridge is neededin design and specification, c