锚索的锈蚀防护及永久锚索的合理结构

锚索的锈蚀、防护

及永久锚索的合理结构

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随着锚索在岩土工程加固中的普及，近期人们普遍关注的焦点是锚索的永久性问题。锚索的永久性与锚索的结构和锚索材料有关，也与锚索所处环境及人为因素有关。本文试图就锚索可能遭到的破坏因素及防护，提出永久锚索的合理结构，供同行参考。

前言一、锚索技术及防护的发展从1964年xx水库坝基加固我国首次有了锚索，到现在为止正好40年，回顾40年锚索在我国的发展历史，概括地讲有以下几点：1.锚具的型式由多变少上世纪90年代之前工程中流行的锚具很多，1980年出版的“常用锚夹具定型图册”一书中就收集了13种锚具，再加上以后研制的星形锚、XM锚、QM锚等有15种以上。

JM-6锚锚片JM-5锚锚片槽销锚锚环槽销锚（KT-Z锚）总装图槽销锚锚塞钢质锥型锚锚具锚塞钢质锥型锚锚具总装图图墩头锚现在基本统统一为OVM锚锚具，由于于研究的深深入，材料料、尺寸、、硬度、齿齿距、牙形形、抗疲劳劳、防松等等项都达到到了炉火纯纯青的境界界，已经达达到甚至超超过世界同同类产品，，使用方便便、操作简简单、保证证安全。从1964年在在xx首次次用锚索加加固坝基到到1984年20年间间我国工程程中的所有有锚索都是是全长粘结结型的，其其中有一部部分是在1974年年以后出现现的胀壳式式机械式锚锚索，1985年后后才有了非非粘结锚索索，当时叫叫自由锚索索，因为是初级级的，仅满满足工程急急需，锚索结构还不是是很规范。。到了最近几几年，随着着岩土锚固固工程的不不断丰富，，出现了不不少新型锚锚索，不完完全统计10种以上上：2.锚索索的类型由由少变多二次灌浆全全长粘结锚锚索机械式内锚锚头机构1—外夹片片；2—锥锥筒；3——六棱锚塞塞；4—钢钢绞线；5—托圈；；6—套管管；7—顶顶簧；8——垫圈无粘结集中中受力型锚锚索压力分散型型锚索可回收锚索索拉力分散型型锚索对穿锚锚索拉压复合型型锚索分散拉压复复合型锚索索压力集中型型锚索玻璃纤维锚锚索双层隔离防防护锚索结结构3.设备备YQ100型钻机从从1973年到1993年整整整用了20年。双作用千斤斤顶只有YC-60，后来柳柳州厂生产产一种YC-120。4.材料高强钢丝普普通型钢绞绞线低松弛钢绞绞线无无粘粘结钢绞线线静静电喷喷涂环氧钢钢绞线直径：Φ12，Φ15.24，Φ19.3，ΦΦ21.8，Φ25.4，ΦΦ28.6主要是对防防护原理的的了解和认认识过程。。有三个时时期，第一一时期认为为只要是水水泥浆，对对锚索都有有保护作用用，所以，，最早的防防护只依赖赖于水泥浆浆或水泥砂砂浆，由于于对原理认认识不足，，对水泥无无选择，硫硫铝酸盐水水泥、火山山灰水泥，，无论什么么型号的外外加剂只要要能满足当当前的施工工要求都用用，还认识识不到水泥泥浆对钢材材的防护作作用是有条条件的。5.锚索的的防护接着有种观观点，认为为只有隔离离防护才算算防护，全全长粘结锚锚索只能用用于临时支支护，走到到了另一个个极端，无无视钢筋砼砼和预应力力砼能安全全使用几十十年的现实实，也无视视全长粘结结锚索在我我国应用40年来的的客观实践践，正因为为只认识隔隔离防护，，甚至有些些工程把单单层隔离防防护锚索用用于永久工工程，这是是很危险的的。通过多年的的锚索实践践及对其它它学科的发发展和了解解，对锚索索防护的认认识更进了了一步，现现在认识到到钢铁的防防护除隔离离防护之外外，还有阴阴极防护、、阳极防护护以及强碱碱环境使钢钢铁表面钝钝化等，都都可形成对对锚索的有有效防护。。其中隔离离防护的隔隔离层至关关重要，一一旦隔离层层破损，钢钢铁将失去去保护而锈锈蚀。因此此，隔离防防护用于锚锚索时，必必须使锚索索全长具有有至少两层层隔离措施施。我国不不少工程做做的比较规规范，如四四川二滩、、河南小浪浪底、云南南大朝山等等。二、锚索锚索索的腐蚀与防防护1.锚索的锈锈蚀▲钢铁易于生锈锈，依据条件件的不同生成成不同的氧化化物：FｅO（魏氏体）、、Fｅ3O4（磁铁矿）和和Fｅ2O3（赤铁矿），，铁的氧化过过程在电化学学上称为氧化化还原反应。。▲铁锈对钢铁有有保护作用。。由于一般条条件下不连续续、不均匀及及性能不稳定定，得不可应应用。▲钝化膜是普遍遍存在的。按按照Pｏｕｒｂａｉｉｘ研究成果果，任何金属属只要满一定定条件都可在在表面形成钝钝化膜，条件件有两个，一一个是电位，，一个是酸碱碱度。钝化膜膜化学性质稳稳定，电导率率很低，对母母体金属是一一层很好的保保护层；由于于条件苛刻，，很多没有利利用价值，有有些是可以利利用的。▲钢铁在强碱环环境中可在表表面形成化学学性质稳定的的钝化膜，保保护钢铁进一一步锈蚀。分分子结构是ｒｒ－Fｅ2O3，属于尘晶石石结构，厚度度约100纳米。这就是是钢筋砼及预预应力钢筋砼砼能安全服务务几十年的理理论基础；▲锚索是钢材，，只要在锚索索表面能形成成钝化膜，并并保证长期使使用中不破坏坏钝化膜，锚锚索的永久性性就可以得到到保证。2.锚索的腐腐蚀金属的腐蚀是是一种电化学学反应。金属属元素失去电电子变成金属属离子（被氧氧化），它失失去的电子被被另一种元素素俘获（被还还原），变成成阴离子，金金属离子便溶溶解并游向阴阴离子，与阴阴离结合成为为中性化合物物；金属元素素继续失去电电子，变成阳阳离子而溶解解。所以金属属的腐蚀过程程在电化学上上叫做阳极溶溶解。在腐蚀蚀动力学中有有一个重要的的结论就是：：（阳极）总的的氧化速度=（阴极）总总的还原速度度欲防止金属的的腐蚀，不是是抑制氧化反反应，就是抑抑制还原反应应，于是在电电化学中产生生了两种金属属防护方法：：阴极防护和和阳极防护。。工程中常用用的是阴极防防护，如结构构的基础、地地下自来水管管道、煤气管管道、桥墩、、码头、船舰舰等；阳极防防护主要用于于工厂的设备备。阴极防护的原原理很简单，，用非专业术术语就是给被被保护的金属属提供多余的的电子，于是是也有两种阴阴极防护方法法，一种是外外加电流（直直流）法，利利用废旧钢铁铁接阳极，被被保护的金属属接阴极，阳阳极（废钢铁铁）源源不断断地向阴极（（被保护的金金属）输送电电子，最终废废钢铁被耗尽尽，重新更换换。第二种阴阴极防护方法法是利用金属属的原电池原原理的“牺牲牲阳极”法，，就是用更活活泼的金属贴贴在被保护的的金属上。镁作为一种牺牺牲阳极在全全世界广泛使使用。通常在在镁中还加入入6%的铝、、3%的锌和和0.2%的的锰组成合金金形式。我国国在船舰上常常用锌铝镉合合金做牺牲阳阳极，称为三三元锌阳极。。锚索处于腐腐蚀性地层中中，有两种防防护方法，或或者采用阴极极防护，锚固固与注浆手册册中给出了线线路图，或者者采用各种隔隔离防护锚索索。3.电腐蚀两种不同的金金属在水溶液液中相接触引引起的电化学学腐蚀称为原原电池腐蚀。。这两种金属属之间的电位位差以一定速速度引起金属属腐蚀，腐蚀蚀的快慢基本本上取决于两两种金属的表表面反应。还有一种电腐腐蚀是由于地地下杂散电流流或电气设备备漏电引起的的电化学反应应，这类电腐腐蚀比较普遍遍，如地下电电话电缆、电电力电缆、煤煤气管道、自自来水管道等等，这些杂散散电流可在金金属与金属之之间及金属与与非金属之间间产生电位差差，使金属腐腐蚀。边坡锚索一般般远离工业区区，只要注意意施工作业时时不把锚索作作地线，组装装锚索时不使使用与锚索体体不同成份的的金属做组件件，无须作更更多的防护；；地下厂房及及变电室的锚锚索，有可能能受到电腐蚀蚀的威胁，其其防护可采用用电化学中的的阴极防护，，也可安装““排流器”，，把杂散电流流定向排出。。最好采用各各种隔离防护护型锚索。4.应力腐蚀蚀长期实践中人人们发现机械械及其零件的的使用应力远远小于材料的的抗拉强度产产生了裂纹或或断裂，对这这种现象解释释为应力腐蚀蚀。研究认为为，任何金属属对活性物质质都有吸附性性，吸附有内内吸附和外吸吸附，外吸附附是指材料表表面吸附了活活性物质，降降低了物质的的表面能，使使表面的分子子结构产生位位错而降低了了强度；内吸吸附是物质内内部的微裂隙隙吸附了活性性物质，并沿沿晶界面或其其它组织缺陷陷扩散，进入入受拉材料裂裂隙的尖端使使原子键结合合力显著削弱弱。应力腐蚀蚀破坏的发展展是微观的，，破坏前没有有体积变化，，也没有变形形特征，破坏坏形式是突然然断裂。已经证明，应力腐腐蚀产生的条件是是：第一，一般只有在在合金中才发现有有应力腐蚀开裂;第二，合金仅在特特定的腐蚀介质中中才会产生应力腐腐蚀；第三，应力腐蚀开开裂的主体是拉应应力；氢脆。氢原子的体体积很小，在220℃时可以渗入入金属晶格。渗入入碳钢的氢原子可可与碳化铁反应生生成甲烷，于是产产生了双重破坏作作用：一是使钢脱脱碳，降低了钢的的强度；二是甲烷烷在晶格间形成压压力，与原有结构构中的拉力叠加使使钢材突然断裂，，严重时能使钢的的抗拉强度降低60%。三、永久锚索的设设计1.选择各种不不锈蚀材料做锚索索体最近几年出现了几几种新材料，可作作为锚索的主体，，如碳纤维加强塑塑料（CERP））、芳纶纤维加强强塑料（AFRP）等已广泛用于于钢筋砼梁、板、、柱的加固，不仅仅不腐蚀、不导电电、不导磁，而且且自重轻——大约约是钢材的1/4，强度高——可可达4900Mpa，是目前常用用钢绞线强度的3倍。有些腐蚀性性地层，能对砼和和普通砂浆腐蚀成成粉末，可采用一一些特殊砂浆，如如环氧砂浆、沥青青砂浆等。2.隔离防护锚锚索在钢材上镀锌、镀镀铬、渗铝都是传传统的隔离防护措措施，不过，在锚锚索工程中很少采采用，从上世纪90年代至今，一一直沿用在钢绞线线上用静电喷涂环环氧树脂作防护层层，以及各种抗老老化、耐腐蚀、不不导电的各种塑料料作隔离层，无粘粘结钢绞线的PE套管及波纹管都都是由性能稳定的的优质塑料制作的的。几个有关隔离离防护锚索的值得得注意的问题：第一，对于采用隔隔离防护的永久锚锚索，必须设置双双层隔离层，典型型的永久性隔离防防护锚索如图所示示。双层隔离防护锚索索结构值得注意的是，锚锚索全长都必须是是双层防护。图中，张拉段是双双层：第一层是波波纹管，第二层是是无粘结钢绞线上上的PE套管；锚锚固段也是双层：：第一层是波纹管管，第二层是钢绞绞线上的环氧树脂脂涂层。如果锚索索体选择的是普通通无环氧涂层的无无粘结钢绞线，锚锚固段的PE管已已剥去，则必须在在锚固段增设一层层波纹管，即锚固固段是双层波纹管管。锚固段双层波纹管管第二、组装锚索的的所有组件；对中中支架、隔离支架架以捆扎材料不得得用各种金属制品品，以防将隔离层层磨破。各种支架架都是采用有一定定强度的的摸注塑塑料，捆扎丝用尼尼龙绳。在波纹管管的外侧放置对中中支架，以保证孔孔壁与波纹管间有有大致等厚的注浆浆；在波纹管内侧侧的锚索体上安装装一定数量的对中中隔离支架，以保保证锚索体与波纹纹管间有大致等厚厚的注浆，且钢绞绞线与钢绞线间由由不小于5mm厚厚的浆体隔开；第三、虽然隔离防防护锚索要求钻孔孔内的所有空间必必须注满水泥浆，，但是水泥浆并不不构成隔离防护锚锚索的隔离层，浆浆体的作用有二，，一是锚固段的注注浆作为传力介质质把锚索的拉力传传递给岩体；二是是对隔离防护层是是一种保护措施，，使其更长久地发发挥隔离作用。有的文章把注浆也也作为隔离层是不不对的，如图ａ，，在隔离防护的概概念中是导单层隔隔离防护，在宣传传时算作双层甚至至三层，图ｂ本来来属于双层隔离，，竞算作四层甚至至五层，是一种误误导。这里的浆体体与全长粘结不同同。隔离层把钢绞绞线与浆体隔开，，不直接接触，全全长粘结是直接接接触，使钢材处强强碱环境。隔离防护锚索的优优点是：第一，由于张拉段段全长不与砂浆接接触，可自由伸缩缩，锚索的拉力可可以根据需要随时时调整其大小；由由于在自由段全长长调节应力，吸收收岩体变形的能力力强。特别适用于于岩体产生大变形形的工程加固；第二，适用于强腐腐蚀地层及化学成成份复杂的地层，，例如氯化物、硫硫酸盐超标的地层层，或有可能受到到海水侵蚀的地层层等。PE管及波波纹管都是高分子子聚合物，具有很很强的抗腐、抗菌菌、抗老化性能；；第三，抗动载性能能好。隔离防护锚索的缺缺点是对锚具要求高，，要长期承受锚索索的全部拉力，抗抗疲劳、抗动载（（防松），最好改改进为三峡的处理理方法。3.营造不锈蚀环环境的全长粘结型型锚索从钢材防腐原理得得知，阴极保护、、阳极保护及PH>11的强碱环环境都可以防止钢钢材锈蚀。阳极保保护多用于化学工工厂，阴极保护常常用于地下管道，，例如，西气东送送的地下钢管。对对于锚索，最简单单、最便宜、最有有效的方法是硅酸酸盐水泥浆或水泥泥砂浆营造的强碱碱环境，用硅酸盐盐水泥拌制的水泥泥浆PH=11.5～12.0，，足以使钢绞线表表面钝化。当然，，采用水泥浆做保保护层时，要注意意以下几个问题。。第一，确保水泥浆浆PH>11和Cl-、SO4-含量不得超标。锚锚索工程中为了改改善水泥浆的性质质常用外加剂，如如早强剂、减水剂剂、膨胀剂、抗冻冻剂等，所用的外外加剂（包括水））不能降低水泥浆浆的碱度；锚索在在长期使用中始终终处在强碱环境中中锚索表面能够形形成钝化膜。第二，锚索在长期期使用中不能破坏坏钝化膜。破坏钝钝化膜的因素有两两个，一是地层中中的有害成分，特特别是硫酸根离子子和氯离子，它们们能够侵入钝化膜膜，造成晶格缺陷陷并逐步扩大，在在钢材表面形成锈锈斑，破坏了钝化化膜的连续性；二二是注浆管的开裂裂，有害气体、液液体沿裂缝渗入，，破坏钝化膜。对承载力大的拉力力型锚索水泥浆要要开裂是一个不争争的事实。也有人人认为，在地下封封闭状态砂浆有些些微裂隙（宽度不不大于0.5mm）不影响锚索的的永久性。然而，，这仅是一个美国国人在一个核电站站的实证，还不具具备推广到锚索的的价值。日本对钢钢筋砼中裂缝宽度度与钢筋腐蚀的关关系进行了长达20余年的研究，，也认为砼的裂缝缝宽度<0.5mm时对结构的永永久性影响不大。。国际预应力协会也也允许钢筋砼中有有不大于0.3mm的裂缝，这些些研究成果可否引引入锚索还没有把把握。如果一定要要求全长粘结锚索索的注浆体不出现现裂缝，这里推荐荐一种1993年年在漫湾水电站6000kN级锚锚索使用过施工工工艺：分段注浆分分次张拉和锚固施施工法。该方法的的要点是，比如6000kN级锚锚索分为三级，每每级2000kN，总设计锚固段段长9.0m，分分为三段注浆，每每段3.0m，第第一次注3.0m，拉2000kN，锚固；再注注3.0m，张拉拉至4000kN，锚固，余次类类推。砂浆和锚索索的受力情况示于于下图。分段注浆分级张张拉锚固砂浆及锚索受力力图该方法的主要优优点是每次张拉拉时的注浆体都都是从零应力开开始，而锚索的的拉力是逐级叠叠加的。这种施施工方法可以大大大减少砂浆的的拉应力。分级级的多少，以不不产生或产生很很小的砂浆拉裂裂裂缝的最大拉拉力为准。锚索是深埋地下下的，不像暴露露于大