顧曉波

(寧夏青龍管業(yè)股份有限公司，銀川 750001)

預應力鋼筒混凝土管結(jié)構為鋼筒和混凝土加工而成，分為內(nèi)襯式與埋置式?；诮Y(jié)構上分析，兩種結(jié)構形式鋼筒的直接目的是防滲，預應力鋼絲與混凝土承載內(nèi)水壓與外部回填土壓力，起到鋼絲保護效果。承插口和保護層質(zhì)量對PCCP使用時間具有較大影響。對此，在生產(chǎn)加工過程中，還需要科學選擇集料和控制堿集料反映，確保預應力鋼絲和保護層質(zhì)量。

1 有害張力時效和氫脆化

PCCP能夠承載較大重力，其原理為預應力鋼絲繞在混凝土管芯，其荷載力主要集中于管芯混凝土。此時，如果鋼筋質(zhì)量較差，則會直接影響管筒承載力，其鋼絲耐久性也多受有害張力時效與氫脆化影響[1]。

1.1 有害張力時效

在鈦元素三度基體角中包含一個鐵原子。脫位的鐵平面結(jié)構圖見圖1，該階段的鐵有著一定的延性，較為柔和穩(wěn)定不容易斷裂。PCCP加工時，因為鋼絲在較短時間中抽拉，其熱量能夠達到300-371℃。這一階段鋼絲若未完全冷卻，碳原子與氮原子將會移動到鐵平面結(jié)構中，同時鎖定脫位。因為碳原子和氫原子阻擋脫位變動，將鋼絲格構鎖定使得其延性削弱，減少鋼絲延伸度與減縮量，讓鋼筋變得脆化容易折斷。

圖1 鐵平面格構圖

1.2 氫脆化

PCCP使用的冷拉鋼絲抗拉性大，其格構也易受氫原子攻擊。在氫原子侵襲到鋼絲格構后，生成氫分子，一個氫分子分為2個氫原子。這樣一來，其占用的面積將會增加繼而使鋼絲受到膨脹壓力，繼而造成脆化。

鋼絲繞在混凝土管芯組合成為PCCP應用過程中，因為氫原子侵襲繼而生成氫脆化。按照國外對氫脆化管理的研究，得出：判斷氫原子來源可以分為3點：①腐蝕影響生成的鐵銹；②電化學腐蝕；③陰極防腐系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓。

根據(jù)這一研究得出：①做好PCCP使用的較大強度鋼絲纏繞技術，尤其是鋼絲抽拉溫度。②PCCP鋼絲需要制定阻斷防腐方法繼而減少氫原子來源。③按照AWWA301--99《預應力鋼筒混凝土壓力管道》以及ASTMA648《預應力混凝土管道用冷拉鋼絲》相關要求，進行逐個鋼絲抗拉強度檢測及其及截面積縮減、扭轉(zhuǎn)剪切面實驗。做好氫脆化反應度檢測，確保符合要求后投入應用。

2 防范混凝土堿集料反應方法

混凝土堿集料反應主要為混凝土內(nèi)堿與混凝土集料內(nèi)的堿活性礦物質(zhì)。當混凝土固結(jié)后逐漸產(chǎn)生化學反應形成膠凝物質(zhì)。該種物質(zhì)與水充分接觸后出現(xiàn)膨脹，造成混凝土裂縫。在混凝土攪拌過程中，需要對水泥與外加劑內(nèi)的堿進行有效控制，繼而避免混凝土堿集料發(fā)生反應。針對低堿活性材料通過填入礦粉、粉煤灰等，進而減少混凝土縫隙內(nèi)堿離子濃度。

2.1 添加混合集料方法

通過活性較大的集料拌制混凝土，添加料為沸石粉。其中，填入量為5%、10%、20%、30%。通過實驗得出：①在沒有添加沸石粉和添加量在5%的水泥砂漿棒3個月時間膨脹率達到0.05%；②在9個月后，膨脹率達到0.1%，形成有害膨脹。在添加料10%、20%、30%狀態(tài)下，堿集料反應膨脹受到了阻礙。得出：在PCCP的混凝土內(nèi)添加一定量的拌料，能夠有效避免堿集料活性膨脹。隨著沸石粉量的增加，其影響效果更為顯著。另一方面，添加較多料能夠讓水泥砂漿棒膨脹率在一段時間后逐漸緩和。

2.2 不同集料參入效果對比

在不同類型集料參與效果上，中國進行了多次試驗。某大學教授針對這一現(xiàn)象進行系統(tǒng)分研究對比。當集料為粉煤灰、礦料、硅灰、沸石粉時，使用的集料活性較強。根據(jù)試驗證明，各集料對堿集料反應膨脹率的阻止情況，硅灰抑制性最強，其添加量為10%；9個月膨脹率達到0.03%。沸石粉與粉煤灰參入量為20%時，膨脹量為0.03%；礦渣添加量在40%下，其膨脹率為0.03%。堿集料反應導致混凝土制品膨脹率是通過集料的增加而降低；各集料類型對于膨脹抵制效果不一。其中，硅灰能夠讓堿集料反應的膨脹率迅速減少，其添加量較低膨脹率能夠減少至0.005%。對此，還需要選擇有效方法，膨脹是能夠抵制的。其參入量衡量可以結(jié)合集料活性狀態(tài)制定。

3 PCCP保護層效果提升方法

當預應力鋼絲繞在管芯后，其保護層起到的作用是至關重要的，其密實性與防滲效果對干式防腐效果有著直接影響。保護層在其結(jié)構的外端，抵抗著硫酸鹽、氯離子等攻擊和防干擾作用。因此，提升保護層質(zhì)量才能讓PCCP延長耐久性。

3.1 增加保護層密度

增加保護密度其原理是合理的輥射工藝與減少砂漿水灰比[2]。

現(xiàn)階段，使用的輥射工藝多為國外引進，對此，還需要：

1)事先進行砂漿配比，在篩分曲線內(nèi)選擇砂徑，讓輥射有力。

2)做好距離控制，確保砂漿最小顆粒在管芯上。

3)做好管芯旋轉(zhuǎn)速度與移動速度控制，確保保護層平滑。

做好砂漿比配合后，選擇級配適當?shù)纳埃^小顆粒能夠確保砂漿填充密實，優(yōu)化界面層強度與密實性。這樣一來，能夠有效提升保護層防滲效果。參照S.Mindess研究，分析水灰比與防滲性關系(見表1)。水灰比小，則防滲參數(shù)越小[3]。

表1 水灰比對抗?jié)B的影響

3.2 集料添加

要確保保護層耐久性，則需要對抗碳化、抗氯離子破壞、抗鋼筋腐蝕等制定有效方法。

1)碳化反應。中國通過相關實驗證明：PCCP保護層碳化反應不明顯，甚至無變化。

2)氯離子。氯離子破壞主要是其在保護層中移動，例如：分散滲入、毛細孔吸收等。滲入主要因為壓力低影響，氯離子不斷的移動；毛細孔吸收主要是氯離子與水接觸在毛孔內(nèi)移動；分散則是因為氯離子濃度而形成的[4]。

3)鋼絲腐蝕。氯離子的移動速度影響著鋼絲腐蝕。鋼絲腐蝕將會造成PCCP結(jié)構損壞。腐蝕過程通常為銹蝕初始階段與銹蝕擴散階段。如圖2，當t1狀態(tài)下鋼絲失鈍，造成腐蝕，氯離子為有效濃度，腐蝕將會持續(xù)擴大。在t2-t3狀態(tài)下，鋼絲鈍化膜被逐漸損壞，造成點蝕。這一過程保護層將會出現(xiàn)縫隙。T2-t3狀態(tài)下，保護層脫落。T3-t4狀態(tài)，結(jié)構有損壞的危險。

圖2 鋼絲銹蝕過程

針對這一問題，可以通過幾種方法抑制銹蝕。首先，提升保護層膜底，阻礙氯離子擴大逐步深入。其次，提升水泥砂漿孔結(jié)構比電參數(shù)，減少電量流通繼而抑制氯離子滲入。通過加入硅灰、粉煤灰集料其效果不同。加入粉煤灰后水泥混凝土通過電量對比見表2。加入元寶山I級粉煤灰30%-50%后，電量明顯減少；加入西高井II級粉煤灰30%-50%后，變化明顯。不過，相對于元寶山粉煤灰存在差異性[5]。

表2 加入粉煤灰后水泥混凝土通過電量對比

4)硫酸鹽腐蝕。PCCP的土質(zhì)環(huán)境包含硫酸鹽，其溶液將會與保護層結(jié)合。硫酸鹽溶液和水泥中Ca(OH)2和水化鋁酸鈣產(chǎn)生化學反應，形成石膏與硫鋁酸鈣，出現(xiàn)體積膨脹導致保護層裂縫造成混凝土被損害。

針對這一問題，可以結(jié)合介質(zhì)內(nèi)硫酸鹽濃度制定。通常狀態(tài)下，保護層中的水泥砂漿加入硅灰10%，能夠有效阻止膨脹。腐蝕嚴重的，需要將管芯和保護層都適用硫酸鹽水泥。

3.3 保護層外層保護

當PCCP外界環(huán)境發(fā)生問題時，保護層能夠通過涂煤瀝青環(huán)氧涂料。陰極保護也是一種有效PCCP保護方法。不過，在使用過程中需要做好土地環(huán)境、地下水等調(diào)研，慎重使用。

4 結(jié) 語

PCCP自身有著一定有利特征，其使用時間能夠達到100a。通過對PCCP工藝控制，排除外部環(huán)境影響。其方法為：

1)繞預應力鋼絲過程中，應防止過快的抽拉、避免高熱量、高抗拉強度。同時，做好氫脆化靈敏性實驗，繼而避免鋼絲氫脆化問題。

2)PCCP內(nèi)鋼絲需要制定有效方法減少氫原子來源。

3)做好外添加劑、水泥控制。按照有關要求進行定期檢測，進而防止PCCP堿集料發(fā)生變化。不過，在同等區(qū)域集料各地層將會有明顯不同，還應做好考量。

4)保護層作為PCCP重要影響因素，應結(jié)合實際狀態(tài)選擇添加的集料。在必要條件時，可以通過陰極保護。

5)電化學再生技術，通過電荷同性相斥與電遷移，把氯離子除掉。此外，構建PCCP耐久性預測模型，通過多種方法確保PCCP穩(wěn)定運行[6]。

[1]辛成澤.預應力鋼筒混凝土管配件在水利工程建設中的質(zhì)量控制[J].山西農(nóng)經(jīng),2017(02)：127-128.

[2]根濤,高春花.預應力鋼筒混凝土管(PCCP)數(shù)字化蒸養(yǎng)在實際生產(chǎn)中的應用[J].四川水泥,2015(12)：129+4.

[3]苗振鐸.預應力鋼筒混凝土管(PCCP管)內(nèi)拉法施工[J].安徽建筑,2016，23(04)：78-79.

[4]孫立強,張京京,李恒，等.軟土地基上影響預應力鋼筒混凝土管相對轉(zhuǎn)角關鍵因素研究[J].巖土力學,2015(s1)：293-298.

[5]郁龍,趙新銘,胡少偉，等.基于ABAQUS的在役PCCP管道承載水壓有限元分析[J].混凝土,2015(10)：135-138.

[6]譚秋華.信豐縣第二水廠一期工程預應力鋼筒混凝土輸水管施工[J].廣西水利水電,2014(04)：54-56.