最新版《混凝土结构工程施工质量验收规范》关于后张预应力体系耐久性的修订和解读

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《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204－2015）关于后张预应力体系耐久性相关条文的修订解读

作者：代伟明1，李东彬1，翟传明2

（1.中国建筑科学研究院；2.中电投工程研究检测评定中心）

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引 言

　　预应力技术是住建部重点推广的建筑业十项新技术之一，是解决大跨度楼盖与构件的抗裂与刚度及超长混凝土结构抗裂问题最常用且有效的技术。建筑工程混凝土结构中常用的预应力主要有先张法预应力和后张法预应力。

　　在先张法预应力中，预应力的施加发生在混凝土浇筑之前，预应力的传递依靠预应力筋和混凝土之间的粘结力，先张法预应力筋的耐久性主要靠其混凝土保护层厚度保证。由于先张法预应力构件多在工厂生产，其质量容易控制。

　　在后张法预应力中，预应力的施加发生在混凝土浇筑并固化之后，预应力筋的安装、张拉、灌浆与封锚均在施工现场完成，影响后张法预应力体系耐久性的因素较多。在后张无粘结预应力体系中，无粘结预应力筋由预应力筋、防腐油脂和高密度聚乙烯护套组成，无论在施工阶段还是正常使用阶段，预应力筋和构件混凝土之间始终保持隔离，预应力筋在构件中可以自由伸缩，仅靠预应力筋端部的锚具传递预应力。在后张有粘结预应力体系中，施工时预应力筋通过预留孔道和构件混凝土隔离开，在张拉完成后通过孔道灌浆对预应力筋进行保护并使预应力筋和构件粘结。预应力混凝土结构的工程实践表明，后张预应力体系的耐久性往往成为工程中最为薄弱的环节，并对结构安全构成严重威胁。常用有粘结预应力筋和无粘结预应力筋的组成如图1所示。

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《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476－2008）的有关规定

　　为保证后张预应力体系的耐久性，《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476－2008）规定应根据结构所处环境类别和作用等级对预应力体系采取相应的多重防护措施，防护措施分为预应力筋的防护和锚固端的防护两部分。预应力筋的耐久性能可通过材料表面处理、预应力套管、预应力套管填充、混凝土保护层和结构构造措施等环节提供保证；预应力筋锚固端的耐久性应通过锚头组件材料、锚头封罩、封罩填充、锚固区封填和混凝土表面处理等环节提供保证。不同防护求的预应力筋和锚固端的防护工艺和防护措施分别如表1和表2所示。

　　《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476－2008）根据混凝土材料的劣化机理，把环境类别分为5类，将环境作用按其对混凝土结构的影响程度定性地划分成6个等级，环境类别及环境作用等级如表3所示。不同环境作用等级下，预应力筋和锚固端的多重防护措施可根据实际情况分别选用表1和表2中的防护措施；在严重环境作用下，当表1和表2中的防护措施难以确保预应力体系的耐久性达到结构整体的设计使用年限时，应采用可更换的预应力体系。

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预应力筋的防护

　　从表1可以看出，预应力筋的防护工艺主要有预应力筋表面处理、套管防护及混凝土保护层3种方式，在室内正常环境条件下，预应力筋表面不需专门进行防护处理。

2.1 无粘结预应力筋

　　无粘结预应力筋的耐久性依靠其塑料护套及防腐油脂来保证，近些年来在国外对无粘结预应力筋的防腐油脂和外包材料的材质要求、涂刷和包裹方式都更趋于严格和具体化。在保证耐火极限要求的条件下，混凝土保护层厚度对无粘结预应力筋耐久性的影响很小。

2.2 有粘结预应力筋

　　有粘结预应力筋的耐久性依靠孔道灌浆和混凝土保护层来保证。通常位于预应力梁普通钢筋骨架内（板上下层钢筋网之间），在满足为正常浇筑混凝土而预留适当间距要求后，有粘结预应力筋的混凝土保护层厚度均较大（见图2），均能满足耐久性对混凝土保护层厚度的要求。

　　预应力筋张拉后处于高应力状态，对腐蚀非常敏感，灌浆是对预应力筋的永久保护措施，所以应尽早对孔道进行灌浆，并要求孔道内水泥浆饱满、密实，能够完全握裹住预应力筋。预留孔道的灌浆质量对有粘结预应力筋的耐久性至关重要，英国伦敦曾发生过因孔道灌浆不饱满造成预应力筋锈蚀断裂导致桥梁垮塌的工程事故，我国也曾发生过因预应力筋锈蚀造成预应力构件承载力降低导致构件产生严重裂缝的工程事故。孔道灌浆质量主要受成孔质量、水泥浆性能及灌浆质量控制等因素的影响。预留孔道受到污染、变形时，既可能影响构件有效预应力的建立，又影响灌浆后的粘结效果。成孔管道不论采用金属波纹管还是塑料波纹管，均应保证成孔管道具有足够的刚度和密封性能，确保成孔质量，防止混凝土浇筑时因漏浆而影响预应力筋的张拉和孔道灌浆质量。曲线孔道中的浆体由于重力下沉、水份上浮会出现泌水现象；当空气滞留于管道内时，会出现灌浆缺陷，形成所谓的月牙缺陷，还可能被泌出的水充满，不利于预应力筋的防腐。因此，水泥浆不仅应具有一定的强度以保证其与预应力筋之间有足够的粘结力，为确保灌浆饱满，在保证流动度的条件下，水泥浆还应具有低泌水率与微膨胀性。

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锚固端的防护

3.1 无粘结预应力筋锚固端

　　国家现行标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）将混凝土结构暴露的环境类别分为五类七个等级，分别为一类、二a类、二b类、三a类、三b类、四类和五类，每一类别对应的环境条件也有明确的规定：一类主要为室内正常环境，二类主要为干湿交替环境，三类主要为近海海风、盐渍土和使用除冰盐的环境，四类为海水环境，五类为腐蚀性环境，环境类别的划分和《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476－2008）基本一致。

　　国内外工程经验表明，应从锚具系统的张拉端及固定端组成的整体来考虑无粘结预应力筋锚固端的防腐蚀做法：

1）处于一类环境的锚固系统，对圆套筒式锚具，封闭时应采用塑料保护套对锚具进行防腐蚀保护[见图3（a）]；固定端可采用挤压锚具。

2）处于二a、二b类环境的锚固系统，宜采用垫板连体式锚具，封闭时应采用塑料密封套、塑料盖对锚具进行防腐蚀保护[见图3（b）]。

3）处于三a、三b类环境的锚固系统，宜采用全封闭垫板连体式锚具，封闭时应采用耐压密封盖、密封圈、热塑耐压密封长套管对锚具进行防腐蚀保护[见图3（c）]。

　　从图3可以看出，对锚具的耐久性多重防护，按使用环境类别分为3种做法，即在一类室内正常环境条件下，主要以微膨胀混凝土或无收缩砂浆防护为主，并允许将挤压锚具完全埋入混凝土中的做法；在二a、二b类环境下，推荐采用封闭效果较好的连体锚具；在三a、三b类易受腐蚀环境条件下，则推荐采用二道防腐措施，即无粘结预应力锚固系统自身沿全长连续封闭，然后再以微膨胀混凝土或无收缩砂浆防护。国内外工程经验表明，对处于三a、三b类环境条件下的无粘结预应力锚固系统，采用全封闭体系可有效保证其耐久性，张拉端和固定端应为预应力钢绞线提供全封闭防水保护，无粘结预应力钢绞线与锚具部件的连接及其他部件间的连接，应采用密封装置或其它封闭措施，使无粘结预应力锚固系统处于全封闭保护状态。

　　国外在房屋建筑的楼、屋盖结构中使用无粘结预应力混凝土已有40余年历史，研究和工程实践均表明只要采取了可靠措施，无粘结预应力体系的耐久性是可以保证的。至今为止，尚未发生过由于无粘结预应力筋的腐蚀而造成房屋倒塌的事故。

　　为了检验无粘结预应力体系的耐久性，国内曾对一幢使用了9年的采用无粘结预应力混凝土楼板的实验小楼进行了开凿检验。该楼的无粘结预应力筋采用7φ5钢丝束，防腐油脂采用“无粘结预应力筋用润滑防锈脂”，外包层用聚乙烯挤塑成型，采用镦头锚具，并用突出外墙面的后浇钢筋混凝土圈梁封闭保护。检查发现锚具无锈蚀，钢丝及其镦头擦去表面油脂后呈青亮金属光泽，无锈蚀，锚具内侧塑料保护套内油脂色状如新，锚杯内油脂则因水泥浆浸入呈灰黑色胶泥状；外包圈梁因施工时混凝土振捣不够密实，圈梁内箍筋锈蚀严重。此后，在拆除一幢使用11年的三层汽车库时，曾对该建筑无粘结预应力混凝土无梁楼盖平板进行了耐久性检验，同样得到了较好的结果，并进一步证实使用11年后油脂的性能保持良好，技术指标基本满足要求。

3.2 有粘结预应力筋锚固端

　　为确保暴露于结构外的锚具和预应力筋能够正常工作，应防止锚具和外露预应力筋锈蚀，通常采用混凝土等材料对外露的锚具和预应力筋进行封闭保护，如果锚具外露于结构构件，封锚混凝土内宜有伸自结构构件的拉结钢筋，混凝土接口应清理干净，并冲水润湿，对处于二、三类环境中的锚具，在封闭前，还应在外露的锚具上涂刷环氧树脂。封闭大样图如图4所示。锚具和外露预应力筋的混凝土保护层厚度应根据所处环境类别，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）及《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476－2008）确定。通常情况下，外露锚具和预应力筋的混凝土保护层厚度不应小于：一类环境时20 mm，二a、二b类环境时50mm，三a、三b类环境时80mm。

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《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204－2015）对保证后张预应力体系耐久性方面的补充和完善

4.1 无粘结预应力体系

　　对于无粘结预应力体系，增加了无粘结预应力筋锚具全封闭防水性能的验收规定。现行行业标准《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ 92-2004）参考美国ACI和PTI的有关规定及国内外工程实践经验，对处于三a、三b类环境条件下的无粘结预应力筋及其锚固系统，要求采用连续全封闭的防腐蚀体系，以有效保证无粘结预应力体系的耐久性。因此《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204－2015）增加了无粘结预应力筋用锚具系统防水性能的验收规定，对同一品种、同一规格的锚具系统，抽取3个试件进行不透水试验，试验时组装后的张拉端、固定端及中间连接部位在不小于10 kPa静水压力下，保持24 h不透水，具体漏水位置可采用在水中加颜色等方法检查。当产品用于游泳池、水箱等结构时，可根据设计提出更高静水压力的要求。

4.2 有粘结预应力体系

　　对于有粘结预应力体系，提高了灌浆用水泥浆性能指标要求。灌浆主要提供对预应力筋的保护、截面完整、实现预应力筋与结构混凝土的有效粘结，是后张有粘结预应力工程中的重要工序，良好的水泥浆的性能是保证灌浆质量的重要前提之一。《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204－2015）大幅度提高了关乎灌浆质量的关键指标的要求，取消了《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204－2002）有关水灰比不应大于0.45的要求，加严了水泥浆泌水率指标，增加了膨胀率等相关技术指标，有利于预应力孔道灌浆质量的提高。《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204－2002）和《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204－2015）对水泥浆性能的要求对比如表4所示。

　　取消水泥浆水灰比的要求，主要是体现强调水泥浆的性能指标，而不是强调组分的原则，通常为了在保证水泥浆稠度满足灌浆施工要求的前提下，应尽量降低水灰比。

　　水泥浆中的泌水会造成孔道内的空腔，形成灌浆质量缺陷，泌出的水在孔道内无法排出时，易造成高应力下的预应力筋处于水汽环境中腐蚀，所以，需尽量降低水泥浆的泌水率，最好将泌水率降为0。水泥浆的适度膨胀有利于提高灌浆密实性，提高灌浆饱满度，但过度的膨胀率可能造成孔道破损，反而影响预应力工程质量，故应结合普通灌浆工艺和真空灌浆工艺的差异控制其自由膨胀率。

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结 语

　　后张预应力体系的耐久性对保证预应力混凝土结构的耐久性是至关重要的。我国的设计规范、施工规范、验收规范从多个角度对保证后张预应力体系的耐久性做了系统规定，在工程实践中，应严格执行相关规范的规定，确保后张预应力体系的耐久性。

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参考文献

[1]中国建筑科学研究院.GB 50010－2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ 92－2004 无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]清华大学.GB/T 50476－2008 混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]中国建筑科学研究院.GB 50204－2002 混凝土结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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供稿：《工程质量》杂志

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