民用建筑預(yù)應(yīng)力混凝土工程新技術(shù)

譚恒

摘 要：近年來，我國(guó)民用建筑預(yù)應(yīng)力混凝土建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，結(jié)構(gòu)形式也日趨多樣化和復(fù)雜化，與此同時(shí)，對(duì)于建筑質(zhì)量要求也越來越高，預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)是建筑行業(yè)的一個(gè)基礎(chǔ)的技術(shù)，但是又對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量起著決定性的作用，雖然預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)比較基礎(chǔ)，但是國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家們對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究從未停止，不斷地出現(xiàn)創(chuàng)新以及發(fā)現(xiàn)短板。文章從預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)基礎(chǔ)的一些方面做出簡(jiǎn)介，介紹了相關(guān)結(jié)構(gòu)體系以及混凝土的碳化和凍融等問題，進(jìn)一步對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土施工新技術(shù)做出描述以及展望未來的發(fā)展趨勢(shì)，供讀者學(xué)習(xí)與借鑒。

關(guān)鍵詞：民用建筑；預(yù)應(yīng)力混凝土工程；混凝土工程技術(shù)

前言

現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)相比，不僅其結(jié)構(gòu)性能好，而且還比較經(jīng)濟(jì)與節(jié)能，是具有廣闊的應(yīng)用前景的。尤其對(duì)一些重要結(jié)構(gòu)，例如核電站以及大型橋梁等，惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，例如海洋平臺(tái)以及儲(chǔ)液池等來說，預(yù)應(yīng)力已成為一種不可缺少的技術(shù)。以它為代表的RC和PC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用是21世紀(jì)土木工程界最具活力的研究方向之一。在預(yù)加應(yīng)力和實(shí)際環(huán)境溫濕度變化以及有害物質(zhì)侵蝕等共同作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出與普通混凝土不一樣的耐久性能。對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論探討可以為實(shí)際工程提供指導(dǎo)，相關(guān)研究工作具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土折板墻結(jié)構(gòu)體系

折疊式預(yù)應(yīng)力折板結(jié)構(gòu)是一種板架合一的輕型空間屋蓋結(jié)構(gòu)，它的形狀主要有V形和槽形兩種。采用把V形或者槽形的折板單元的兩個(gè)板面或三個(gè)板面的結(jié)合部位造成可轉(zhuǎn)折的，然后張開在長(zhǎng)線臺(tái)座上進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，折疊堆放和運(yùn)輸，在現(xiàn)場(chǎng)安裝張開成V形或槽形，澆灌折縫后形成整體空間結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土折板屋蓋的施工上，雖然應(yīng)力混凝土折板的施工技術(shù)較復(fù)雜，但因其具有抗裂性高以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)并可以用于大跨度結(jié)構(gòu)（跨度可達(dá)30m，抗震烈度可達(dá)9度）等優(yōu)點(diǎn)，在一些特殊的民用建筑，如學(xué)校建筑中等，得到了泛運(yùn)用。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的碳化

碳化將使混凝土的內(nèi)部組成和組織發(fā)生變化圖。一方面，混凝土碳化產(chǎn)物碳酸鈣和其他固態(tài)產(chǎn)物堵塞在孔隙中，使已固化混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度提高；另一方面，碳化使混凝土脆性變大。但從總體上講，碳化對(duì)混凝土力學(xué)性能及構(gòu)件受力性能的負(fù)面影響不大，混凝土碳化的最大危害是會(huì)引起力筋銹蝕。即當(dāng)碳化作用發(fā)生在鋼筋附近時(shí)，能引起鋼筋鈍化膜不斷遭到破壞，當(dāng)pH下降到8.5左右時(shí)，力筋完全脫鈍，在足夠的氧氣和水分條件下引起力筋銹蝕的發(fā)生，最終可引起結(jié)構(gòu)的耐久性失效，混凝土碳化是環(huán)境中的二氧化碳?xì)怏w不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，通過溶解后與水化產(chǎn)物中的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的一個(gè)物理化學(xué)過程。其研究方法主要有基于擴(kuò)散理論的理論分析方法等，經(jīng)過相關(guān)分析得到，混凝土的碳化速度主要取決于二氧化碳的擴(kuò)散速度以及二氧化碳與混凝土中水化產(chǎn)物的反應(yīng)性。其中，二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散速度一般與混凝土材料本身的組織密實(shí)性以及二氧化碳的濃度等因素有關(guān)；而碳化反應(yīng)性則與混凝土內(nèi)孔隙溶液的組成以及水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素有關(guān)。

1.3 受力混凝土的凍融與疲勞

在我國(guó)北方寒冷地區(qū)因凍融產(chǎn)生的混凝土破壞是工程結(jié)構(gòu)損壞的主要原因之一，凍融循環(huán)還將對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。此外，在寒冷地區(qū)，許多預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（如公路及鐵路橋梁等）在服役期內(nèi)，除了承受凍融循環(huán)作用外，還要承受重復(fù)荷載的作用，疲勞荷載的反復(fù)作用將對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土的抗凍性能產(chǎn)生影響。所以要深度的對(duì)凍害機(jī)理進(jìn)行了解并分析相關(guān)的影響因素，結(jié)合預(yù)應(yīng)力，考慮到預(yù)應(yīng)力作用導(dǎo)致的凍融損傷；而且需要注意疲勞損傷積累，它主要是由于水泥基礎(chǔ)材料硬化過程中的化學(xué)變化以及溫度作用等原因，在水泥砂漿內(nèi)部以及水泥砂漿和骨料結(jié)合面上形成許多原生的微裂紋以及微孔隙，也就是說混凝土在成型期間就形成了一些初始裂紋，即初始損傷。在疲勞荷載作用下這些原生微裂紋不斷擴(kuò)展以及貫穿并逐漸形成可見的宏觀裂紋，直至產(chǎn)生疲勞破壞。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土在民用建筑上的相關(guān)技術(shù)展望

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性一般從以下幾個(gè)方面研究，在環(huán)境層次上，預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）結(jié)構(gòu)的耐久性研究與鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)的耐久性研究相似，主要是將結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境進(jìn)行分類，并給出相應(yīng)的作用等級(jí)；而在材料構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)層次上，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究有別于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究，其中的關(guān)鍵問題是要考慮預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)的影響，同時(shí)還要涉及錨具系統(tǒng)的耐久性在混凝土方面，在上述的方面的研究已經(jīng)足夠多，并且國(guó)內(nèi)外學(xué)者都有所突破，而預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究還相對(duì)較少，基本上是參照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)與評(píng)估進(jìn)行的，只是在此基礎(chǔ)上提出了一些更高要求的構(gòu)造措施和預(yù)防措施。實(shí)際上，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估與設(shè)計(jì)方法與相同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間還是存在較大差異的，尤其是預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕效應(yīng)更加顯著和離散，因而其耐久性評(píng)估與設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，還需要作大量而深入的研究。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)

近些年以來，我國(guó)每年投入上萬億元，用于工業(yè)與民用建筑以及交通工程等大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在過去30多年間，基本建設(shè)遵循著投入大以及速度快發(fā)展態(tài)勢(shì)，但因此也造成了影響結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命的工程問題和危及材料資源與能源的環(huán)境問題逐漸凸顯的后果。一個(gè)建筑如果其耐久性不足，特別是預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕引起的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)過早破壞，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，大量后期養(yǎng)護(hù)和加固費(fèi)用的支出使得結(jié)構(gòu)工程師們深切地認(rèn)識(shí)到其結(jié)構(gòu)使用壽命的重要性。因此將工程結(jié)構(gòu)耐久性與結(jié)構(gòu)使用壽命相聯(lián)系，并把這一問題提升到影響人類生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)文化可持續(xù)性的戰(zhàn)略上來。

2.3 預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)研究前沿和科學(xué)問題

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的試驗(yàn)研究與理論分析工作量大而其綜合成本高，其設(shè)計(jì)理論與方法研究是一個(gè)復(fù)雜的過程，目前的研究總體上尚處于起步階段，相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與方法正處在孕育與發(fā)展之中，如何對(duì)現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估、對(duì)新建結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)是目前工程界急需解決的一些問題，而這方面國(guó)內(nèi)外可查的資料都很少，圍繞該類結(jié)構(gòu)耐久性問題有不少應(yīng)用基礎(chǔ)課題需研究，這些問題制約和影響著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用，界定在給定環(huán)境與使用要求下，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效狀態(tài)；確定預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中表征材料與結(jié)構(gòu)耐久性劣化特征的指標(biāo)與參數(shù)；建立預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時(shí)變規(guī)律及其他問題等都是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍將越來越廣，在復(fù)雜環(huán)境的作用下，不斷會(huì)有新的問題出現(xiàn)。因此需要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行更廣泛以及更深入的研究，還應(yīng)發(fā)展大型專業(yè)預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)，使其不僅具有自己的預(yù)應(yīng)力專用產(chǎn)品和配套的質(zhì)量保證體系，有整套的預(yù)應(yīng)力專業(yè)施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)體系，同時(shí)，突破預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)研究前沿和科學(xué)困難。

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