[科普中国]-预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝简介

我国预应力混凝土用钢丝技术的科学研究水平、设计理论和设计方法、施工方法及施工配套机已日益完善，应用领域不断扩大。由以往的单层及多层房屋、公路铁路桥梁、轨枕、电杆、压力输水管、储罐、水塔等，扩大到现代的高层建筑、地下建筑、高耸结构、水工建筑、海洋结构、机场建筑(跑道和航站楼)、核电站压力容器等方面的超高层、超大跨度、超大体积、超大面积、超重荷载等各种行业、各种形状、不同功能的结构工程中1。

规格预应力钢丝是用优质高碳钢盘条经酸洗、磷化后冷拔或再经稳定化处理等而成的钢丝总称。预应力钢丝根据生产工艺不同，可分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。按表面状态不同可分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝和镀层钢丝等。冷拉钢丝是经冷拔后直接用于预应力混凝土的钢丝，这种钢丝存在残余应力，屈强比低，伸长率小，主要用于压力水管。低松弛螺旋肋钢丝要经过稳定化处理来获得低松弛性能。刻痕钢丝是用冷轧或冷拔方法使钢丝表面产生周期变化的凹痕或凸纹的钢丝。钢丝表面凹痕或凸纹可增加与混凝土的握裹力，可用于先张法预应力混凝土构件。钢丝直径一般在5mm～10mm，强度级别一般在1570MPa～1860MPa。这里主要介绍冷拉钢丝和低松弛螺旋肋钢丝。

原料要求预应力混凝土用钢丝原料主要是SWRH82B 优质碳素钢盘条，也有一些采用SWRH77B 优质碳素钢盘条。对盘条的主要要求有:尺寸、外形、重量和允许偏差，牌号和化学成分、冶炼方法、交货状态、力学性能、脱碳层、显微组织、表面质量和特殊要求等。冶炼时要求炉外精炼，一般不用真空脱气，采用大方坯或小方坯连铸，保护浇注，结晶器电磁搅拌，有的采用凝固末端电磁搅拌和轻压下。

线材轧制后采用斯太尔摩控制冷却，以获得85%以上的索氏体化率。一般地按照正常工艺生产的盘条都能满足预应力混凝土用钢丝和钢绞线的生产要求。目前遇到的问题主要有两个:一是，由于中心偏析或控冷失误造成的盘条心部渗碳体等有害组织和索氏体化率不足，拉拔时产生中心断裂；二是，由于精炼不好或控冷失误造成的盘条局部低温组织，拉拔时造成脆断。预应力混凝土用钢丝和钢绞线用原料的发展趋势是采用低合金化(如Cr、Si、V 等)和采用更高含碳量(如0.9%以上)来提高盘条性能，采用EDC、DLP 等新工艺来提高盘条的组织性能，开发新的组织如贝氏体钢，以及改进珠光体片层取向的组织等2。

生产工艺预应力管道钢丝管道用冷拉预应力钢丝的生产工艺流程是:原料-检验-表面处理-烘干-拉拔-收线-检验-验收。为了保证钢丝的抗应力腐蚀性能，在原料、酸洗、烘干、拉拔等各个环节都进行严格控制，采用大钢铁集团生产的优质SWRH82B 盘条作为原料并进行严格检验合格后才能投入生产，酸洗时严格控制酸洗浓度减少盘条吸氢量。

根据试验分析，当硫酸溶液的浓度升高时，钢中氢含量增加，使钢的强度提高，塑性下降。采用低速拉伸法可以显示钢中氢对线材性能的影响。硫酸溶液的浓度范围为60g/1～100g/1 时可以取得较好效果。采用酸洗后烘干工艺，钢中氢含量接近酸洗前水平，钢丝性能明显提高。实验表明，酸洗后的盘条在180℃烘干1h，实测钢中氢下降到5ppm 以下，钢丝拉拔消除了断丝，钢丝塑性指标提高20%左右。

在拉丝过程中，采用先进的拉丝工艺，防止钢丝产生内部和表面缺陷，具体内容将在钢绞线用半成品钢丝生产部分介绍。严格控制钢丝温度，钢丝出模口最高温度不超过150℃并迅速冷却。钢丝温度升高后，会发生应变时效。研究指出，C、N 原子析出钉扎位错，形成柯氏气团，造成钢丝的强度升高，塑性下降。

温度对扩散系数的影响是非常大的，200℃时和20℃时扩散系数的比值D473/D273=108。所以当钢丝的温度低于100℃时，1000s 以上钢丝才会发生应变时效。当钢丝温度达到200℃时，0.5s 左右钢丝即发生应变时效。采用上述工艺生产的管道钢丝，除了力学性能满足美国标准的要求外，应力腐蚀试验可以达到200h 不断的最高水平。

低松弛螺旋肋钢丝低松弛螺旋肋钢丝的生产工艺流程是:原料-检验-表面处理-半成品拉拔-螺旋肋拉拔-稳定化处理-收线-检验-验收。螺旋肋拉拔由专用的旋转体和螺旋模具来完成。钢丝的稳定化温度一般在380℃～400℃，张力由螺旋肋拉拔时的拉拔力提供。一般采用成品直径的1.1倍作为半成品钢丝直径，这样产生的张力可以达到2.0%以下的松弛性能。

螺旋肋钢丝生产过程中可能遇到的主要问题是，在螺旋肋拉拔时钢丝产生中心断裂，其断口形态为杯锥形。产生的主要原因是，原料的中心偏析或控冷组织问题，也有拉拔工艺的问题，尤其是螺旋肋拉拔时的变形条件易于产生中心断裂。通过采用优质原料，优化半成品拉丝工艺，可以有效地避免螺旋肋钢丝的中心断裂问题3。

产品质量管道钢丝在国内率先通过按美国标准进行的氢脆性敏感性试验，达到200h不断的最高水平，产品应用到大伙房引水工程等国家重点工程。低松弛螺旋肋钢丝被国内多家轨枕厂应用，产品性能值高，镦头质量好。

钢绞线应用到京津高铁、哈大高铁等，并出口到美国、欧洲等国际市场，被国外市场誉为名牌。就国内预应力钢丝和钢绞线行业来看，产品质量并不能完全令人放心。主要问题有，各厂的技术水平有高有低，设备有先进有落后，质量保证体系有好有差，原料来源有好有坏，内控标准有严有松。主要隐患是，个别产品中存在内在或外在缺陷，在长期负荷下有断丝和断股的危险。

因此建议国家标准中增加对钢丝和绞线拉力断口的规定，消除脆性断口带来的质量隐患。在技术进步方面，如对于先张拉构件中钢绞线和混凝土的结合力问题，LNG储罐用低温钢绞线的性能和检验问题等，我国还没有相应的标准和能力。

现行标准现行标准分别是GB/T5223-2002《预应力混凝土用钢丝》和GB/T5224-2003《预应力混凝土用钢绞线》，根据市场要求，各厂家也按ASTM A416等国外标准生产。就国家标准来看，根据生产实际中遇到的问题以及参照国外标准，对一些条款进行修订。比如，钢丝标准中，螺旋肋的方向、肋的尺寸、图形、规格、刻痕深度确定方法、刻痕钢丝直径或每米重量偏差、屈强比、拉力断口、60%应力松弛值、松弛推荐应力、伸长率标距、强度偏差等方面需要明确或修改。就绞线标准来看，面积和每米重量偏差、丝刻痕绞线、直径公差、绞线强度级、表面缺陷、60%应力松弛值、强度公差、屈强比、断口形貌、弹性模量、松弛推荐应力、组批规则等方面1。