预应力钢材的要求
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第371页（5562字）
预应力钢材经过了三个发展阶段。在20世纪50至60年代起步阶段，一类是经冷拉的热轧粗钢筋，另一类是高强碳素钢丝和冷拔低碳钢丝；从20世纪60年代后期到80年代中期为调整阶段，重点发展低合金钢筋，一类是将热轧低合金钢筋系列化，另一类是135／150级低合金热处理钢筋，第三类是90／105、60／90级精螺纹粗钢筋；自20世纪80年代中期至现在为发展阶段，以理顺预应力用钢的系列、品种、规格，实现以高强、低松弛预应力钢丝、钢绞线为主导产品的发展目标。
(一)预应力钢材的品种与性能
目前，在预应力混凝土工程中常用的预应力钢材主要有：碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋和精轧螺纹钢筋。
1．碳素钢丝
碳素钢丝又称高强钢丝，是用优质高碳钢盘条经索氐体化处理、酸洗、镀铜或磷化后冷拔制成，其含碳量为0．7%～0．9%。碳素钢丝根据深加工的不同，又可分为冷拔钢丝、消除应力钢丝、刻痕钢丝、低松弛钢丝和镀锌钢丝等。
(1)冷拔钢丝
冷拉钢丝是经冷拔后直接用于预应力混凝土的钢丝。由于冷拔后钢丝呈现硬化，开盘时钢丝呈螺旋状，没有良好的伸直性，并存在一定的残余应力，其屈强比低，伸长率小。因此，应用范围较窄，仅用于铁路轨枕、压力水管和电杆等。
(2)消除应力钢丝
消除应力钢丝又称矫直回火钢丝，是冷拔后经矫直、回火(350～400℃)处理的钢丝，属于普通松弛级钢丝。冷拔钢丝经矫直、回火后，可消除冷拔残余应力，提高比例极限、屈强比和弹性模量，并能改善塑性和获得良好的伸直性，可以广泛用于房屋、桥梁、市政、水利、交通等工程。
(3)刻痕钢丝
刻痕钢丝是用冷轧或冷拔的方法，使钢丝表面产生周期变化的凹痕或凸纹的钢丝。其表面增加凹痕或凸纹后，可增加钢丝与混凝土的握裹力，其性能与消除应力钢丝相同，可用于先张法预应力混凝土构件。
(4)低松弛钢丝
低松弛钢丝又称稳定化处理钢丝，是冷拔后在张力状态下经回火处理的钢丝，其弹性极限和屈服强度提高，应力松弛率大大降低，是20世纪90年代提倡应用、生命力很强的一种钢丝，现已广泛用于房屋、桥梁、水利工程中。
(5)镀锌钢丝
镀锌钢丝是用热镀或电镀金方法，在钢丝表面镀上一层锌金属的钢丝，镀锌层的平均厚度为27～50μm，其性能与低松弛钢丝相同。镀锌钢丝的抗腐蚀能力强，但价格比较高，主要用于悬索桥和斜拉桥的拉索，以及环境条件恶劣的工程结构物拉杆。
碳素钢丝的规格与力学性能应符合国家标准《预应力混凝土用钢丝》(GB／T5223－2000)的规定。
2．钢绞线
预应力钢绞线一般是用7根钢丝在绞线机上以一根钢丝为中心，其余6根钢丝围绕着进行螺旋状绞合，再经低温回火制成。钢绞线根据深加工的不同又可分为：普通松弛钢绞线(消除应力钢绞线)、低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、模拔钢绞线等。模拔钢绞线是在捻制成型后，再经模拔处理制成，其钢丝在模拔时被压扁，使钢绞线的密度提高约18%。在相同截面时，该钢绞线的外径较小，可减少孔道直径；在相同直径的孔道内，可使钢绞线的数量增加，并且它与锚具的接触较大，易于锚固。模拔钢绞线是一种很有发展前途的预应力钢材。
钢绞线的直径较大(9～15mm)，比较柔软，施工方便，具有广阔的发展前景，但碳素钢丝的价格比较高。钢绞线的强度较高，目前已有标准抗拉强度接近2000N／mm2的高强度、低松弛的钢绞线应用于工程中。
钢绞线的规格和力学性能方面，除应符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB 5224－2003)的规定外，还应满足以下质量要求：
(1)成品钢绞线的表面不得带有润滑剂、油渍等，钢绞线表面允许有轻微的浮锈。
(2)钢绞线的伸直性，取弦长为1m的钢绞线，其弦与弧的最大自然矢高不大于25mm。
3．热处理钢筋
热处理钢筋是由普通热轧中碳低合金钢经淬火和回火的调质热处理或轧后冷却方法制成。这种钢筋具有强度高、松弛值低、韧性较好、粘结力强等优点，其直径一般为6～10mm。按其螺纹外形可分为带纵肋和无纵肋两种。由于这种钢筋为直径2m大盘卷材，开盘后可自行伸直，每盘的长度为100～120m，所以在施工中不需焊接。
热处理钢筋主要用于铁路轨枕，也可用于先张法预应力混凝土楼板等，其规格和力学性能应符合国家标准《预应力混凝土用热处理钢筋》(GB 4463－1984)的规定。
4．精轧螺纹钢筋
精轧螺纹钢筋是用热轧方法在整个钢筋表面上轧出不带纵肋的螺纹外形。钢筋的接长用连接器，端头锚固可直接用螺母。这种钢筋具有连接可靠、锚固简单、施工方便、无需焊接和冷拉等优点，主要用于桥梁、房屋与构筑物等的直线筋。
精轧螺纹钢筋的外形尺寸和力学性能见表6－1和表6－2。
表6－1 精轧螺纹钢筋的外形尺寸
表6－2 精轧螺纹钢筋的力学性能
(二)预应力钢材的特性
预应力钢材的特性主要是指其应力－应变曲线和应力松弛两个方面
1．应力－应变曲线
预应力钢材所用的碳素钢或钢绞线均属于硬钢，它与低碳钢的应力－应变曲线完全不同，其应力－应变曲线见图6－1。当钢丝拉伸到超过比例极限σp后，σ－ε关系非线性变化，没有明显的屈服点。
图6－1 预应力钢丝的应力－应变曲线图
当钢丝拉伸超过σ0．2后，应变ε增加较快；当钢丝拉伸至最大应力σb时，应变ε继续发展，在σ－ε曲线上呈现为一水平段，然后钢丝断裂。
对于预应力钢材的屈服强度，至今国际上还没有一个统一标准。国际预应力协会取余应力为0．1%时的应力作为屈服强度(σ0．1)；我国和日本取残余应力为0．2%时的应力作为屈服强度(σ0．2)。
2．应力松弛
应力松弛是指钢材受到一定的张拉力之后，在长度保持不变的条件下，钢材的应力随着时间的增长而降低的现象，其应力降低值称为应力松弛损失。产生应力松弛原因，主要是由于金属内部错位运动使一部分弹性变形转化为塑性变形而引起的。
预应力钢材的松弛试验，应按国际预应力混凝土协会(FIP)等单位编制的《预应力钢材等温松弛实验规程》进行。试验证明，其松弛率与时间、钢种和温度有关：①应力松弛初期发展较快，第一小时相当于1000h的15%～35%，以后逐渐变慢；钢丝应力松弛损失率Rt=Algt+B，与时间t有较好的对数线性关系；②钢丝和钢绞线的应力松弛率，比热处理钢筋和精轧螺纹钢筋大；③初应力大，松弛损失也大；④随着温度的升高，松弛损失率会急剧增加。
减少松弛损失的主要措施为：
(1)采用低松弛钢绞线或钢丝，这是最好的措施，其松弛损失可减少70%～80%。
(2)采取超张拉程序，如0→1．05σt(持荷2min)→σi，比一次张拉程序σt可减少松弛损失10%。
3．应力腐蚀
预应力钢材的应力腐蚀是指钢材在拉应力与腐蚀介质的同时作用下发生的腐蚀现象。应力腐蚀破裂的特征是钢材在远低于破坏应力的情况下发生的断裂，事先无预兆而突然破坏，断口与拉力垂直。由于高强预应力钢材的强度高、变形小、直径小，因此对应力腐蚀较为敏感。
有关试验结果证明：①含硅量低的热处理钢筋，抗应力腐蚀性能差；而含硅量高的钢材，其抗应力腐蚀性能好；②在饱和Ca(OH)2加3．5%NaCl溶液中，碳素钢丝有可能发生应力腐蚀破裂；③在砂浆中，当钢丝周围砂浆中氧离子的浓度小于0．1时，钢丝不发生应力腐蚀破裂；④当砂浆有裂缝时，会增加钢丝腐蚀的危险。
(三)预应力钢材的验收与检验
搞好预应力钢材的验收与检验，是确保预应力混凝土构件质量的关键。因此，在预应力钢材进场时，应按下列规定进行严格地检验和验收。
1．碳素钢材的检验
碳素钢材应成批验收，每批应由同一牌号、同一规格、同一生产工艺制度的钢丝组成，重量不大于60t。主要包括外观检查和力学性能试验两个方面。
(1)外观检查
对碳素钢丝应进行逐盘检查。钢丝表面不得有裂纹、小刺、劈裂、机械损伤、氧化铁皮和油迹。钢丝的直径检查，按总盘数的10%选取，但不得少于6盘。
(2)力学性能试验
钢丝的外观检查合格后，从每批中任意选取10%盘(不少于6盘)的钢丝，在每盘钢丝的两端各截取一个试样，一个做拉伸试验(伸长率与抗拉强度)，一个做弯曲试验。如有某一项试验结果不符合《预应力混凝土用钢丝》(GB／T 5223－2002)标准的要求，则该盘钢丝为不合格品；再从同一批未经试验的钢丝盘中截取双倍数量的试样进行复验，如仍有某一项试验结果不合格，则该批钢丝为不合格品。
2．钢绞线的检验
钢绞线应成批验收，每批应由同一牌号、同一规格、同一生产工艺制度的钢绞线组成，每批重量不大于60t。
钢绞线的屈服强度和松弛试验，每季度由生产厂家抽验一次，每次至少一根。
从每批钢绞线中任取3盘，进行表面质量、直径偏差、捻距和力学性能试验，其试验结果均应符合《预应力混凝土用钢绞线》(GB 5224－2003)的规定。如有一项指标不合格时，则该盘为不合格品；再从未试验的钢绞线中取双倍数量的试样，进行不合格项目的复验，如仍有一项不合格，则该批判为不合格品。
3．热处理钢筋的检验
热处理钢筋也应成批验收，每批由同一外形截面尺寸、同一热处理制度和同一炉号的钢筋组成。每批重量不大于60t。当重量不大于30t时，允许不多于10个炉号的钢筋组成混合批，但钢的含碳量差不得大于0．02%、含锰量差不得大于0．15%、含硅量差不得大于0．20%。
(1)外观检查
从每批钢筋中选取10%的盘数(不少于25盘)，进行表面质量与尺寸偏差检查。钢筋表面不得有裂纹、结疤和折叠，允许有局部凸块，但不得超过螺纹筋的高度。钢筋的各项尺寸要用卡尺测量，并符合《预应力混凝土用热处理钢筋》(GB 4463－92)的规定。如检查有不合格，则应将该批逐盘检查。
(2)拉伸试验
从每批钢筋中选取10%的盘数(不少于25盘)，进行拉伸试验。如有一项指标不合格，则该盘钢筋为不合格品；再从未试验过的钢筋中截取双倍数量的试样进行复验，如仍有一项指标不合格，则该批判为不合格品。