尚鵬然, 劉桂榮, 王軍, 付強軍, 裴松偉, 趙順波

(1.華北水利水電大學 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046;2.華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045;3.河南省富臣管業(yè)有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453400)

預應力鋼筒混凝土管道(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是一種由混凝土、鋼筒、預應力鋼絲、保護砂漿及防腐涂料組合而成的復合管材[1]。PCCP以鋼筒內襯離心成型或薄鋼筒內外立式澆筑混凝土形成混凝土管芯,在鋼筒外側或混凝土表面纏繞預應力鋼絲,最后以致密的砂漿噴射覆蓋鋼絲表面形成保護層。鋼絲為PCCP提供環(huán)向預壓應力,鋼材處于水泥基材料所提供的高堿性環(huán)境中,可防止銹蝕[2]。目前,PCCP已被廣泛應用于輸水領域[3-4]。

PCCP管芯在承受內水壓力的同時也是外部荷載的主要承受部分。因此,制作管芯的混凝土質量直接影響PCCP成品的服役性能?；炷临|量從時間上可分為硬化前及硬化后兩個階段的質量,硬化前的混凝土質量主要取決于原材料質量、配合比的合理性以及施工的規(guī)范性;硬化后的質量則更多取決于養(yǎng)護環(huán)境與養(yǎng)護措施?；炷临|量控制問題較為復雜,一方面是評價準則不唯一,每個方案指標都可能在某一個評價準則上表現(xiàn)良好,而在另一評價準則上表現(xiàn)較差;另一方面是對于每一個評價準則,影響因素較多,較難直接得出影響因素的最佳排序[5]。這種復雜性使PCCP管芯的成型控制更多依賴于現(xiàn)場技術人員的經(jīng)驗判斷。因此,如何確保和提高混凝土管芯的生產(chǎn)質量,是PCCP生產(chǎn)過程中亟待解決的重要問題。

綜上所述,需采取更科學有效的方法來降低生產(chǎn)現(xiàn)場因技術人員的經(jīng)驗判斷所產(chǎn)生的局限性與負面影響?；炷临|量的現(xiàn)場控制問題可視為多準則決策問題。針對此類問題，國外學者SAATY T L基于矩陣理論提出了層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)，通過建立AHP多準則決策模型,得到了不同準則及對應影響因素的最佳排序[5-6]。但在使用中其可量化的信息有限,專家在采用1～9標度法進行打分時，可能存在非客觀判斷的情況，進而導致一致性檢驗結果較差。

為此,以某輸水工程的PCCP生產(chǎn)過程為例,其輸水管道采用單管埋置式PCCP,總長61.62 km,設計流量13.80 m3/s,管道內徑3.2 m,有效長度5.0 m,工作壓力0.4 MPa,覆土深度5～8 m,工程等級為Ⅰ等大(Ⅰ)型;管芯混凝土強度等級為C55,水泥、粉煤灰和外加劑貨源穩(wěn)定,貨量充足；砂、石骨料生產(chǎn)場地受環(huán)境防控影響,部分時段需采用備用料源?；贏HP,通過選取不同評價準則及相應的影響因素,建立了PCCP混凝土管芯質量控制多準則決策模型;依據(jù)專家打分,結合Monte Carlo法確定了最終的模型判斷矩陣;結合實際生產(chǎn)情況，進一步分析了模型計算所得各準則及相應影響因素排序的合理性，以期為PCCP混凝土管芯質量控制提供科學方法。

1 決策模型

AHP模型的建立步驟一般為:①建立問題層次遞階結構;②構建比較判斷矩陣;③進行層次單排序和層次總排序[5]。

1.1 PCCP混凝土管芯生產(chǎn)質量控制

PCCP管芯的成型方式采用立式振搗澆筑,養(yǎng)護方式為蒸汽養(yǎng)護。管芯在纏繞預應力鋼絲之前的質量控制以混凝土強度和管壁裂縫為主要依據(jù),并輔以管芯內外壁的外觀質量。

1.1.1 混凝土強度

混凝土強度分為脫模強度、纏絲強度和齡期28 d強度。脫模強度滿足要求時可進行脫模,纏絲強度決定纏絲工序的開始時間,28 d強度用來判斷混凝土是否達到了設計強度等級。結合現(xiàn)場情況,脫模強度可達設計強度的50%～70%(32～45 MPa),符合規(guī)范要求(不小于20 MPa)[7];纏絲強度在冬季施工期間強度偏低時,可采取纏絲工序時間后推1～2 d的措施。因此,脫模強度與纏絲強度不作為影響混凝土管芯質量的因素,僅考慮齡期28 d強度。

1.1.2 管壁裂縫

管壁裂縫可分為外壁縱向裂縫、插口端環(huán)狀裂縫、內壁環(huán)狀或螺旋狀裂縫[8-10]。外壁縱向裂縫多發(fā)生于纏絲前,主要由溫度應力引起;插口端環(huán)狀裂縫主要由于纏絲后的結構應力及吊運過程中的應力引起;內壁環(huán)狀或螺旋狀裂縫主要緣于鋼筒焊縫處的搭接平臺以及存放期間的干燥收縮[8-9]。

1.1.3 管壁外觀質量

管壁外觀質量主要取決于混凝土拌和物的工作性能(流動性、保水性及黏聚性)。若工作性能差,混凝土管芯成型脫模后表面會出現(xiàn)氣孔、水紋等外觀缺陷。其一方面會影響PCCP成品驗收;另一方面會影響PCCP的內壁粗糙度,進而增大輸水過程中的沿程損失[11]。

1.2 PCCP混凝土管芯質量評價準則及相應影響因素的確定

綜上所述,PCCP混凝土管芯質量的3個評價標準分別為:①混凝土28 d強度;②管壁外觀質量;③管壁裂縫。

對于混凝土28 d強度,施工階段的影響因素主要為原材料的貨源穩(wěn)定性、澆筑成型方法等。結合工程現(xiàn)場實際情況,選取砂率、砂石骨料含泥量、碎石級配、振動時間等作為影響因素。

對于管壁外觀質量,主要考慮對混凝土拌和物工作性能影響較大的因素,選取砂石骨料含泥量、碎石級配、振動時間等作為影響因素。

對于管壁裂縫,混凝土強度不足或管壁外觀質量問題均可在一定程度上引發(fā)混凝土開裂[9]。此外,由于PCCP管芯混凝土采用蒸汽養(yǎng)護,脫模時如果管芯混凝土與外界環(huán)境的溫差過大,混凝土將產(chǎn)生溫度裂縫[7-9]。因此,脫模溫差也被視為主要影響因素。

1.3 建立層次遞階關系結構圖

綜上所述,結合專家討論投票,選取砂率、砂石骨料含泥量、碎石級配、振動時間、脫模溫差(管芯蒸汽養(yǎng)護脫模時的溫度與環(huán)境溫度的差值)作為影響因素,建立層次遞階關系結構圖,如圖1所示。

圖1 PCCP混凝土管芯質量層次遞階關系結構圖

1.4 構建判斷矩陣及層次排序

根據(jù)1～9標度法打分,對各層級構造比較判斷矩陣,確定各影響因素的權重。1～9標度法中各數(shù)值的含義見表1。

表1 1～9標度法數(shù)值含義

層次排序分為單排序與總排序。單排序指對于準則層的判斷矩陣B,計算滿足BW=λmaxW的特征值與特征向量。其中,λmax為B的最大特征值,W為相應于λmax的正規(guī)化特征向量,即權重。層次總排序在準則層單排序完成的基礎上進行。依據(jù)準則層的排序結果與影響因素層的各因素重新構造一個新的判斷矩陣,綜合評價各影響因素的權重,并計算判斷矩陣的隨機一致性比例CR。其計算公式為:

(1)

(2)

式中:CI表示判斷矩陣的一致性指標;RI為不同階判斷矩陣的平均隨機一致性指標,根據(jù)表2取值[4];n為矩陣B的階數(shù)。

當0≤CR<0.10時,認為判斷矩陣具有滿意的一致性,否則需要調整判斷矩陣,再次重復上述步驟,直至判斷矩陣具有滿意的一致性為止。CR越接近于0,一致性越強。

表2 判斷矩陣的RI取值(1～10階)

1.5 判斷矩陣及排序結果

首先,由專家判斷各準則及影響因素間的重要性標度范圍,例如矩陣A-B中,B1與B2相比,重要性在5標度以上,那么此時標度值可取為6、7、8、9。因此,初步構造的矩陣具有不唯一性,即在一定范圍內會出現(xiàn)各判斷矩陣的最終排序結果一致,但矩陣不唯一的情況。

其次,依據(jù)專家判斷出的各準則及影響因素間的重要性標度范圍,基于Monte Carlo法模擬出所有可能的判斷矩陣排序結果。最后，遵循以下原則進行篩選，確定最終選用的判斷矩陣:①所構建的判斷矩陣中各準則或影響因素的影響程度互不相等;②所構建的判斷矩陣必須滿足一致性檢驗要求,即CR<0.1,同時為避免完全一致,所構建的判斷矩陣一致性比例CR≠0;③在滿足前兩項原則的基礎上,遵循CR取小的原則。

以A-B的判斷矩陣為例,按照上述①、②原則,構建A-B的判斷矩陣,見表3。由于兩種判斷矩陣的計算結果中各準則的最終排序一致,此時遵循③原則,選擇編號1的矩陣作為A-B的判斷矩陣。確定A-B的判斷矩陣后,以相同的方式,建立B-C的判斷矩陣并進行單排序,結果分別見表4—6,總排序結果見表7。

表3 A-B的判斷矩陣及單排序結果

表4 B1-C的判斷矩陣及單排序結果

表5 B2-C的判斷矩陣及單排序結果

表6 B3-C的判斷矩陣及單排序結果

表7 影響因素C層總排序結果

2 結果分析與討論

2.1 評價準則排序

由表3可知,評價準則B1、B2、B3的權重分別為0.592、0.075、0.333,按其大小對3個準則進行排序為:混凝土28 d強度、管壁裂縫、管壁外觀質量，表明混凝土28 d強度對PCCP混凝土管芯質量的影響最大。

混凝土28 d強度為PCCP設計的重要指標,通常以95%保證率的試配強度計算水灰(膠)比。若試配強度不足,成品PCCP管芯將直接報廢。

PCCP的插口端環(huán)狀裂縫以及內壁環(huán)狀或螺旋狀裂縫在生產(chǎn)中尚無根治的措施,只要裂縫寬度在規(guī)范要求的限值內,尚允許這兩類裂縫的存在[7-9]。此外,這兩類裂縫在PCCP通水運行后有自愈合的趨勢[15]。管芯外壁縱向裂縫多為溫度裂縫,規(guī)范GB/T 19685—2017[7]中對于此類裂縫并未有明確規(guī)定。現(xiàn)場出現(xiàn)的縱向裂縫均存在于外壁插口端,呈現(xiàn)“上寬下窄”的形態(tài)特征,這與南水北調中線工程中管徑4 m的PCCP管芯外壁縱向裂縫相似[10]。對管徑4 m的縱向裂縫PCCP進行原型外壓試驗測得的最大裂縫寬度達1.5 mm[16-17],結果表明，管壁縱向裂縫并未顯著削弱PCCP的外壓承載能力。故管壁裂縫的重要性排在混凝土28 d強度之后是合理的。

管壁外觀缺陷體現(xiàn)在氣孔、蜂窩麻面等方面,主要影響PCCP成品驗收。規(guī)范GB/T 19685—2017[7]規(guī)定,對于尺寸不大于10 mm的氣孔可不做處理,大于10 mm的氣孔可進行人工修補。此外,混凝土管壁的缺陷面積不得大于總面積的10%。以管徑3.2 m的PCCP為例,其內壁總面積的10%約為5 m2,生產(chǎn)中極少出現(xiàn)管壁缺陷面積為5 m2的情況。故管壁外觀質量準則的權重最低。

2.2 影響因素排序

由表7可知5個影響因素按權重從大到小的排序結果為:砂石骨料含泥量、碎石級配、脫模溫差、振動時間、砂率。其中,砂石骨料含泥量所占權重最大(0.421),其次是碎石級配與脫模溫差的,砂率的最小。

由表6和表7可知,砂石骨料含泥量不僅是混凝土28 d強度準則中的主要影響因素,也是管壁裂縫準則中的主要影響因素(在管壁裂縫準則中權重排第2位)。砂石中的泥粉是指粒徑小于0.075 mm的細粉微粒。砂石骨料含泥量在一定程度上抑制減水劑(特別是聚羧酸系減水劑)對水泥的電荷保護作用以及減水分散能力[18-19]。混凝土中的泥粉在吸附水與減水劑的同時也作為一種惰性摻料,當砂石骨料含泥量超過某一限值時會導致混凝土強度降低[20-22]。此外,砂石骨料含泥量對混凝土強度的負面影響在高強度混凝土中更為明顯[23]?；炷翉姸炔蛔?導致抵抗拉應力的能力不足，易于開裂。因此,應嚴格控制砂石骨料的含泥量。

碎石級配不合理表現(xiàn)為粒徑偏小或偏大。粒徑偏小會增大用水量,用水量增加引起水灰比增大進而降低混凝土強度。粒徑偏大則易因焊縫(螺旋焊)處混凝土沉降形成富集水區(qū)域,導致插口端與鋼筒螺旋焊縫之間的混凝土骨漿分離,造成強度不均勻；同時，也為后續(xù)干燥收縮引起管壁環(huán)狀或螺旋狀裂縫提供了條件[8]。

脫模溫差是混凝土管芯外壁開裂的主要影響因素,現(xiàn)場出現(xiàn)的裂縫多由此產(chǎn)生,且管芯外壁縱裂現(xiàn)象集中于發(fā)生冬季施工期間?，F(xiàn)場蒸汽養(yǎng)護恒溫段溫度為52℃,脫模后管芯外壁表面實測溫度可達40 ℃～50 ℃,而管芯外壁混凝土內部的溫度更高,混凝土內、外溫度差ΔT最大可達12 ℃[24]。根據(jù)規(guī)范GB 50010—2010[25],取混凝土線膨脹系數(shù)lc為1×10-5/℃,可計算管芯外壁混凝土內、外溫差產(chǎn)生的最大溫度應變εT為:εT=lcΔT=120×10-6。此時混凝土極限拉應變約為100×10-6,容易因混凝土的抗拉能力不足而導致開裂。此外,管芯纏絲前采取立式存放,管芯外壁直接接觸外部環(huán)境,而管芯內壁僅在頂部插口端接觸外部環(huán)境,承口端直接接觸地面。外壁混凝土的散熱速率遠大于內壁混凝土的,進一步增大了混凝土管芯開裂的風險。因此,為避免拆模時出現(xiàn)裂縫,控制混凝土管芯內、外溫差十分必要。

振動時間主要影響混凝土的外觀質量。同一工作性能的混凝土拌和物,振搗時間短,混凝土基體密實度不足;過度振動則會增大泌水、離析的風險。因此,振動時間存在一個合理范圍,在該范圍內能保證混凝土拌和物密實又不會出現(xiàn)水紋等外觀缺陷。

砂率的調整是為了改善混凝土拌和物的工作性能,進而改善管壁外觀質量。在實際生產(chǎn)過程中,若出現(xiàn)原材料波動(如粗細骨料粒徑變化等)的情況,可以通過調整砂率的方式改善拌和物的工作性能。但對于直接影響強度的水灰(膠)比、用水量以及膠凝材料用量嚴禁隨意更改。由于其僅作為工作性能調整的手段,故權重最低。

綜上所述,根據(jù)AHP多決策模型計算結果,若PCCP混凝土管芯出現(xiàn)強度問題,應首先檢查現(xiàn)場砂石骨料的含泥量和級配是否合理;若出現(xiàn)管壁縱向裂縫問題,應立即檢查施工記錄,確定脫模溫差是否過大;若出現(xiàn)管壁外觀質量問題,應重點檢查澆筑施工記錄,檢查振搗時間是否合理。

3 實際現(xiàn)場控制

PCCP生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)了管壁縱裂以及管壁外觀問題,依據(jù)AHP模型的計算結果對不同問題采取相應措施。

3.1 管壁縱裂問題

PCCP在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了混凝土管芯外壁縱裂的現(xiàn)象,如圖2所示。由圖2可知,縱向裂縫均始于插口端,向下延伸,呈現(xiàn)“上寬下窄”的形態(tài)特征。統(tǒng)計生產(chǎn)中的裂管情況見表8。由表8可知:管芯裂縫在2020年11月份的出現(xiàn)頻次最多。

圖2 PCCP混凝土管芯外壁縱裂

表8 裂管統(tǒng)計情況

據(jù)現(xiàn)場提供的施工記錄,裂縫多在脫模前就已發(fā)生,且裂縫管的蒸汽養(yǎng)護環(huán)境與正常管芯的一致。由AHP模型的計算結果可知,脫模溫差是管芯外壁縱裂的主要影響因素。因此,統(tǒng)計了生產(chǎn)期間的月平均溫度,如圖3所示。

圖3 PCCP生產(chǎn)期間各月份溫度

由圖3可知,2020年11月份時最低溫度僅為5 ℃,混凝土管芯蒸養(yǎng)結束脫模時的表面溫度與環(huán)境溫差超過30 ℃。因此,從2020年12月份開始,除在現(xiàn)場采取拌和水加熱、預熱骨料等措施外,增加了以下措施:①增加管芯養(yǎng)護前的靜停時間;②適當減少管芯澆筑的數(shù)量,延長管芯的降溫時間;③嚴禁在管芯降溫過程中去除蒸養(yǎng)罩;④當插口端的浮漿過厚時,采取人工拋石等方式處理。通過采取以上措施,實現(xiàn)了冬季施工期平緩過渡到升溫期的目標,裂管數(shù)量得到了控制。2021年2月份以后,隨著環(huán)境溫度逐漸回升,縱裂問題逐漸得到了解決。

3.2 管壁外觀問題

在生產(chǎn)過程中,某段時間內天然河砂的級配質量出現(xiàn)較大波動,采用了級配偏粗的河砂。實際澆筑時出現(xiàn)了插口端收口困難的情況,脫模后管壁出現(xiàn)大量氣孔,如圖4所示。

圖4 管壁氣孔

針對此類問題,由實驗室提供的檢測記錄可知,砂的細度模數(shù)達到了3.0～3.2,且4.75 mm以上的顆粒含量較多,而原有配比使用的砂細度模數(shù)為2.6～2.8，應在原有配比不變的情況下,減少漿體量,增多骨料。因此,施工現(xiàn)場采取了增大砂率的調整方法。但該方法引發(fā)了管芯水紋的外觀質量問題,如圖5所示。

圖5 管壁水紋

根據(jù)AHP模型的計算結果可知,管壁外觀質量的首要影響因素是混凝土振動時間。以往管芯模具振動器開啟后持續(xù)工作至混凝土澆筑完畢,因管芯采用立式澆筑,上下部混凝土振動時間不同,調整砂率后增大了混凝土的漿體量,導致出現(xiàn)底部水紋、頂部氣孔的現(xiàn)象。因此,采取了如下措施:①澆筑時控制下料速度為6～8 min/罐;②振動器隨著混凝土高度的變化分上、中、下3層逐層振動,每層振動時間控制在10～15 min,嚴禁過度振動;③嚴格控制內外壁混凝土的高度差。通過采取以上措施,保證了現(xiàn)場混凝土管芯的外觀質量。

4 結語

本文借助AHP,從混凝土28 d 強度、管壁外觀質量、管壁裂縫3個準則層出發(fā),選取了砂率、砂石骨料含泥量、碎石級配、振動時間、脫模溫差5個影響因素,建立了PCCP混凝土管芯質量控制多準則決策模型,計算了各影響因素的權重,并結合某輸水工程,分析了PCCP混凝土管芯生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的管壁裂縫及管壁外觀問題的原因,基于決策模型的計算結果提出了相應的解決措施,得出以下結論:

1)針對判斷矩陣構建時存在的不唯一的情況，提出了相應的篩選原則,減少了AHP使用的不確定性。經(jīng)對比,AHP計算結果滿足一致性檢驗要求,各評價指標的權重排序合理,符合工程實際。

2)PCCP混凝土管芯質量主要受混凝土28 d強度、管壁外觀質量和管壁裂縫的影響;混凝土28 d強度為管芯質量的主要控制指標,管壁裂縫為次要控制指標,管壁外觀質量的影響最小。

3)AHP是一種可避免單憑經(jīng)驗進行處理的多準則決策方法,可用于混凝土管芯的質量控制和其他相關領域。