唐連濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000）

PCCP插口內(nèi)壁混凝土環(huán)裂形成機(jī)理及控制措施研究

唐連濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000）

本文結(jié)合大口徑PCCP管生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析、原型檢驗(yàn)、成因分析和生產(chǎn)實(shí)踐的方式，對(duì)管芯內(nèi)壁混凝土環(huán)向裂縫問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并采用有限元法對(duì)管芯裂縫進(jìn)行模擬探索，研究提出了混凝土環(huán)裂形成機(jī)理及控制措施。

PCCP；混凝土環(huán)裂；形成機(jī)理；控制措施

1 概況

PCCP管內(nèi)壁混凝土常見裂縫為靠插口端300m m范圍內(nèi)的環(huán)向裂縫和沿鋼筒螺旋焊縫位置的螺旋裂縫。為系統(tǒng)研究該問題，對(duì)某重點(diǎn)輸水工程項(xiàng)目某PCCP管廠2個(gè)月的生產(chǎn)管件進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析、原型檢驗(yàn)、成因分析和生產(chǎn)實(shí)踐研究。該廠生產(chǎn)的PCCP管規(guī)格為3800～5000m m，具體指標(biāo)如表1：

表1 產(chǎn)品生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 裂縫調(diào)查成果統(tǒng)計(jì)表

2 裂縫產(chǎn)生情況

通過對(duì)管廠2014年9～10月份生產(chǎn)的PCCP管裂縫產(chǎn)生情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂縫主要為靠插口端300m m范圍內(nèi)的環(huán)向裂縫和沿鋼筒螺旋焊縫位置的螺旋裂縫。各種規(guī)格PCCP裂縫產(chǎn)生情況如下：

（1）管芯壁厚295m m的單層纏絲管子，統(tǒng)計(jì)總數(shù)246根，其中插口端無環(huán)向裂縫的為118根（占比48%），非整圈環(huán)裂的為83根（占比34%），整圈環(huán)裂的45根（占比18%）。

（2）管芯壁厚295m m的雙層纏絲管子，統(tǒng)計(jì)總數(shù)458根，其中插口端無環(huán)向裂縫的為133根（占比29%），非整圈環(huán)裂的為152根（占比33%），整圈環(huán)裂的173根（占比38%）。

（3）管芯壁厚320m m管檢查11根，350m m的厚壁管檢查10根，均存在整圈的環(huán)向裂縫。裂縫統(tǒng)計(jì)情況見表2：

上述檢查中管芯內(nèi)壁環(huán)向裂縫的寬度均不超過0.4m m，裂縫寬度指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和合同文件的合格要求。

3 裂縫原因分析

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，插口內(nèi)壁裂縫主要產(chǎn)生于管芯纏絲階段，一般位于距端部約200～300m m處、呈環(huán)向狀。裂縫剛出現(xiàn)時(shí)的寬度多在0.1～0.2m m，隨著堆放期受混凝土干縮以及吊運(yùn)自重的影響會(huì)逐步擴(kuò)展至1.5m m以內(nèi)甚至超過1.5m m并延伸至整環(huán)。該裂縫的產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，但主要可概括為五個(gè)方面的原因：

3.1 結(jié)構(gòu)原因

本次研究統(tǒng)計(jì)的PCCP管芯內(nèi)嵌埋的防滲薄鋼筒厚度為1.5m m，而插口鋼環(huán)的型材尾部厚度為7.5m m，薄鋼板卷通過螺旋焊機(jī)卷制搭接在插口鋼環(huán)的型材尾部，搭接長度約20m m，搭接焊后在插口鋼環(huán)的型材尾部處的整個(gè)環(huán)向截面形成厚度差為7.5m m的截面突變，造成局部應(yīng)力集中。

3.2 制管工藝原因

PCCP管在纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲的工藝過程中，對(duì)管芯施加了環(huán)向壓力，含鋼筒的管芯混凝土均將產(chǎn)生環(huán)向的向內(nèi)收縮變形，由于嵌埋的薄鋼筒在插口鋼環(huán)根部結(jié)構(gòu)上存在的截面突變，該突變的截面壓迫管芯內(nèi)壁混凝土并于截面突變處形成應(yīng)力集中，頂壓管芯內(nèi)壁混凝土而使管芯內(nèi)壁混凝土承受拉應(yīng)力，當(dāng)管芯內(nèi)壁混凝土內(nèi)表面所承受的拉應(yīng)力達(dá)到或超過該部位混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，管芯內(nèi)壁混凝土在薄鋼筒結(jié)構(gòu)的截面突變處直接形成環(huán)向裂縫。

3.3 管芯插口端內(nèi)壁混凝土強(qiáng)度原因

在管芯混凝土立式澆注的振動(dòng)密實(shí)過程中，石子往下沉，造成插口端的管芯混凝土缺少石子，富含砂漿，致使上層的插口端管芯混凝土強(qiáng)度低于中、下層管芯混凝土，該部位混凝土的實(shí)際抗拉強(qiáng)度值下降，不足以抵抗纏繞鋼絲時(shí)該部位因截面突變形成的應(yīng)力集中而直接頂壓管芯內(nèi)壁混凝土形成的表面拉應(yīng)力，從而形成環(huán)向裂縫。

3.4 吊運(yùn)

PCCP在成型、脫模、纏絲和制作水泥砂漿保護(hù)層時(shí)均為立式操作。吊具為特制的自鎖卡具，卡在插口異型鋼環(huán)上的橡膠密封圈凹槽內(nèi)。由于插口鋼環(huán)與端部管芯混凝土之間沒有可靠的錨固措施來保證共同工作，混凝土與鋼材兩種不同材料變形性能不同，管子每次吊運(yùn)時(shí)因管子自重及其沖擊力會(huì)導(dǎo)致插口鋼環(huán)拉力突然增大，造成端部管芯混凝土軸向受拉，插口鋼環(huán)與端部管芯混凝土之間已產(chǎn)生的微裂縫會(huì)增大，頻繁的吊運(yùn)會(huì)加大裂縫寬度。

3.5 混凝土的干縮

混凝土的干縮變形促使裂縫寬度進(jìn)一步發(fā)展。插口端裂縫產(chǎn)生于管道生產(chǎn)期，之后一般存放于露天環(huán)境直至管道安裝，其間要經(jīng)歷長期相對(duì)濕度較低的氣干過程，一般設(shè)計(jì)天數(shù)為90d，個(gè)別情況下會(huì)達(dá)到半年甚至超過1年。混凝土在長期干燥環(huán)境下收縮會(huì)產(chǎn)生裂縫，對(duì)于已產(chǎn)生的裂縫，其兩側(cè)混凝土還成為干縮的自由邊界，插口端部裂縫寬度不斷發(fā)展。

4 防治措施

根據(jù)國標(biāo)G B/T 19685-2005《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》有關(guān)規(guī)定：對(duì)于PCCP內(nèi)壁裂縫，管子內(nèi)表面出現(xiàn)的環(huán)向裂縫或螺旋狀裂縫寬度不應(yīng)大于0.5m m（浮漿裂縫除外）；距管子插口端300m m范圍內(nèi)出現(xiàn)的環(huán)向裂縫寬度不應(yīng)大于1.5m m；成品管子內(nèi)表面沿管子縱軸線的平行線成15°夾角范圍內(nèi)不允許存在裂縫長度大于150m m的縱向可見裂縫。可見只要對(duì)管芯內(nèi)壁裂縫發(fā)展進(jìn)行有效的控制，就能夠保證PCCP的質(zhì)量和應(yīng)用。根據(jù)上述插口端環(huán)裂的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本研究制定了不改變管芯壁厚295m m的設(shè)計(jì)尺寸，從結(jié)構(gòu)和混凝土工藝上采取如下防治措施。

4.1 結(jié)構(gòu)措施

4.1.1 插口鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的鋼絲網(wǎng)片直徑由合同要求的φ 4m m增加至φ 5m m，鋼絲網(wǎng)片的寬度由300m m增加為500m m；同時(shí)插口鋼環(huán)的外側(cè)擬增設(shè)布置整圈鋼絲網(wǎng)片，直徑規(guī)格為φ 5，寬度尺寸為500m m。主要考慮是利用鋼網(wǎng)片的抗拉特性，同時(shí)通過足夠?qū)挾鹊匿摻z網(wǎng)片在纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲的工藝過程中使結(jié)構(gòu)截面突變引發(fā)的應(yīng)力集中造成的頂壓力得到分散，可化解或減小該部位的應(yīng)力集中造成環(huán)向裂縫的危害程度。

4.1.2 擬適當(dāng)?shù)靥嵘炷磷陨韽?qiáng)度指標(biāo)，將現(xiàn)有的C 55強(qiáng)度級(jí)別的混凝土提升為C 60，以提升管芯內(nèi)壁混凝土自身的抗裂能力。

4.2 工藝措施

4.2.1 加強(qiáng)各組分原材料的質(zhì)量控制，執(zhí)行工藝確定的最佳攪拌時(shí)間，在控制好水灰比的前提下確?；炷恋膭蛸|(zhì)性、和易性和可施工性。

4.2.2 立式振動(dòng)成型工藝存在上部石子下沉，砂漿上浮，在插口端會(huì)形成富含砂漿（缺少石子）的區(qū)段，采取添加合格的新拌混凝土并通過外模的溢留口擠走（置換）該區(qū)段的浮漿層，改善和提高插口端混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度值，從而提高該部位混凝土的抗裂能力。

4.2.3 加強(qiáng)管芯后期灑水養(yǎng)護(hù)，控制纏絲時(shí)的管芯混凝土強(qiáng)度指標(biāo)≥45MP a，鞏固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力。

5 研究結(jié)論

本文通過對(duì)實(shí)際在產(chǎn)的PCCP管芯內(nèi)壁混凝土裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：

（1）PCCP管芯內(nèi)壁混凝土裂縫的形成原因包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制管工藝、混凝土強(qiáng)度、吊運(yùn)措施和混凝土干縮特性等，往往各種原因的綜合作用是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因。

（2）目前國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是允許PCCP管芯內(nèi)壁混凝土產(chǎn)生裂縫的，但應(yīng)采取積極的措施，嚴(yán)格控制裂縫的寬度和發(fā)展。

（3）通過生產(chǎn)改造實(shí)踐表明，針對(duì)成因分析成果從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施、工藝措施兩方面入手進(jìn)行裂縫控制是可行的，今后可結(jié)合不同工況和工藝設(shè)計(jì)的管型，進(jìn)一步深入研究各項(xiàng)因素影響的定量閾值研究，從而在管廠設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)設(shè)備、材料和生產(chǎn)工藝的配備。

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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：1672-2469（2015）05-0067-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.021

唐連濤，男，（1972年—），工程師。