預應力混凝土用鋼絲

我國預應力混凝土用鋼絲技術的科學研究水平、設計理論和設計方法、施工方法及施工配套機已日益完善，應用領域不斷擴大。由以往的單層及多層房屋、公路鐵路橋樑、軌枕、電杆、壓力輸水管、儲罐、水塔等，擴大到現代的高層建築、地下建築、高聳結構、水工建築、海洋結構、機場建築(跑道和航站樓)、核電站壓力容器等方面的超高層、超大跨度、超大體積、超大面積、超重荷載等各種行業、各種形狀、不同功能的結構工程中 ^[1]  。

預應力鋼絲是用優質高碳鋼盤條經酸洗、磷化後冷拔或再經穩定化處理等而成的鋼絲總稱。預應力鋼絲根據生產工藝不同，可分為冷拉鋼絲和消除應力鋼絲兩類。按表面狀態不同可分為光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲和鍍層鋼絲等。冷拉鋼絲是經冷拔後直接用於預應力混凝土的鋼絲，這種鋼絲存在殘餘應力，屈強比低，伸長率小，主要用於壓力水管。低鬆弛螺旋肋鋼絲要經過穩定化處理來獲得低鬆弛性能。刻痕鋼絲是用冷軋或冷拔方法使鋼絲表面產生週期變化的凹痕或凸紋的鋼絲。鋼絲表面凹痕或凸紋可增加與混凝土的握裹力，可用於先張法預應力混凝土構件。鋼絲直徑一般在5mm～10mm，強度級別一般在1570MPa～1860MPa。這裏主要介紹冷拉鋼絲和低鬆弛螺旋肋鋼絲。

預應力混凝土用鋼絲原料主要是SWRH82B 優質碳素鋼盤條，也有一些採用SWRH77B 優質碳素鋼盤條。對盤條的主要要求有:尺寸、外形、重量和允許偏差，牌號和化學成分、冶煉方法、交貨狀態、力學性能、脱碳層、顯微組織、表面質量和特殊要求等。冶煉時要求爐外精煉，一般不用真空脱氣，採用大方坯或小方坯連鑄，保護澆注，結晶器電磁攪拌，有的採用凝固末端電磁攪拌和輕壓下。

線材軋製後採用斯太爾摩控制冷卻，以獲得85%以上的索氏體化率。一般地按照正常工藝生產的盤條都能滿足預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線的生產要求。目前遇到的問題主要有兩個:一是，由於中心偏析或控冷失誤造成的盤條心部滲碳體等有害組織和索氏體化率不足，拉拔時產生中心斷裂；二是，由於精煉不好或控冷失誤造成的盤條局部低温組織，拉拔時造成脆斷。預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線用原料的發展趨勢是採用低合金化(如Cr、Si、V 等)和採用更高含碳量(如0.9%以上)來提高盤條性能，採用EDC、DLP 等新工藝來提高盤條的組織性能，開發新的組織如貝氏體鋼，以及改進珠光體片層取向的組織等 ^[2]  。

管道用冷拉預應力鋼絲的生產工藝流程是:原料-檢驗-表面處理-烘乾-拉拔-收線-檢驗-驗收。為了保證鋼絲的抗應力腐蝕性能，在原料、酸洗、烘乾、拉拔等各個環節都進行嚴格控制，採用大鋼鐵集團生產的優質SWRH82B 盤條作為原料並進行嚴格檢驗合格後才能投入生產，酸洗時嚴格控制酸洗濃度減少盤條吸氫量。

根據試驗分析，當硫酸溶液的濃度升高時，鋼中氫含量增加，使鋼的強度提高，塑性下降。採用低速拉伸法可以顯示鋼中氫對線材性能的影響。硫酸溶液的濃度範圍為60g/1～100g/1 時可以取得較好效果。採用酸洗後烘乾工藝，鋼中氫含量接近酸洗前水平，鋼絲性能明顯提高。實驗表明，酸洗後的盤條在180℃烘乾1h，實測鋼中氫下降到5ppm 以下，鋼絲拉拔消除了斷絲，鋼絲塑性指標提高20%左右。

在拉絲過程中，採用先進的拉絲工藝，防止鋼絲產生內部和表面缺陷，具體內容將在鋼絞線用半成品鋼絲生產部分介紹。嚴格控制鋼絲温度，鋼絲出模口最高温度不超過150℃並迅速冷卻。鋼絲温度升高後，會發生應變時效。研究指出，C、N 原子析出釘扎位錯，形成柯氏氣團，造成鋼絲的強度升高，塑性下降。

温度對擴散係數的影響是非常大的，200℃時和20℃時擴散係數的比值D473/D273=108。所以當鋼絲的温度低於100℃時，1000s 以上鋼絲才會發生應變時效。當鋼絲温度達到200℃時，0.5s 左右鋼絲即發生應變時效。採用上述工藝生產的管道鋼絲，除了力學性能滿足美國標準的要求外，應力腐蝕試驗可以達到200h 不斷的最高水平。

低鬆弛螺旋肋鋼絲的生產工藝流程是:原料-檢驗-表面處理-半成品拉拔-螺旋肋拉拔-穩定化處理-收線-檢驗-驗收。螺旋肋拉拔由專用的旋轉體和螺旋模具來完成。鋼絲的穩定化温度一般在380℃～400℃，張力由螺旋肋拉拔時的拉拔力提供。一般採用成品直徑的1.1倍作為半成品鋼絲直徑，這樣產生的張力可以達到2.0%以下的鬆弛性能。

螺旋肋鋼絲生產過程中可能遇到的主要問題是，在螺旋肋拉拔時鋼絲產生中心斷裂，其斷口形態為杯錐形。產生的主要原因是，原料的中心偏析或控冷組織問題，也有拉拔工藝的問題，尤其是螺旋肋拉拔時的變形條件易於產生中心斷裂。通過採用優質原料，優化半成品拉絲工藝，可以有效地避免螺旋肋鋼絲的中心斷裂問題 ^[3]  。

管道鋼絲在國內率先通過按美國標準進行的氫脆性敏感性試驗，達到200h不斷的最高水平，產品應用到大夥房引水工程等國家重點工程。低鬆弛螺旋肋鋼絲被國內多家軌枕廠應用，產品性能值高，鐓頭質量好。

鋼絞線應用到京津高鐵、哈大高鐵等，並出口到美國、歐洲等國際市場，被國外市場譽為名牌。就國內預應力鋼絲和鋼絞線行業來看，產品質量並不能完全令人放心。主要問題有，各廠的技術水平有高有低，設備有先進有落後，質量保證體系有好有差，原料來源有好有壞，內控標準有嚴有松。主要隱患是，個別產品中存在內在或外在缺陷，在長期負荷下有斷絲和斷股的危險。

因此建議國家標準中增加對鋼絲和絞線拉力斷口的規定，消除脆性斷口帶來的質量隱患。在技術進步方面，如對於先張拉構件中鋼絞線和混凝土的結合力問題，LNG儲罐用低温鋼絞線的性能和檢驗問題等，我國還沒有相應的標準和能力。

現行標準分別是GB/T5223-2002《預應力混凝土用鋼絲》和GB/T5224-2003《預應力混凝土用鋼絞線》，根據市場要求，各廠家也按ASTM A416等國外標準生產。就國家標準來看，根據生產實際中遇到的問題以及參照國外標準，對一些條款進行修訂。比如，鋼絲標準中，螺旋肋的方向、肋的尺寸、圖形、規格、刻痕深度確定方法、刻痕鋼絲直徑或每米重量偏差、屈強比、拉力斷口、60%應力鬆弛值、鬆弛推薦應力、伸長率標距、強度偏差等方面需要明確或修改。就絞線標準來看，面積和每米重量偏差、絲刻痕絞線、直徑公差、絞線強度級、表面缺陷、60%應力鬆弛值、強度公差、屈強比、斷口形貌、彈性模量、鬆弛推薦應力、組批規則等方面 ^[1]  。