黃　娟，　徐　浩

(中國水利水電第五工程局有限公司 第三分局，四川 成都　610225)

埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管插口環(huán)向裂縫形成機(jī)理及防治措施

黃娟，徐浩

(中國水利水電第五工程局有限公司 第三分局，四川 成都610225)

摘要：埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPE)插口端內(nèi)壁混凝土環(huán)向裂縫主要出現(xiàn)在靠插口端300 mm范圍內(nèi)。義縣管道分公司生產(chǎn)的PCCPDE3800管材插口環(huán)向裂縫達(dá)到了GB/T19685-2005國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的合格要求，但管材插口端普遍存在的環(huán)向裂縫使用戶始終疑慮，擔(dān)心影響其使用功能。該管道分公司采用理論分析結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用的方式，解析了PCCPE管材插口環(huán)向裂縫的形成機(jī)理，用較小的經(jīng)濟(jì)投入，從結(jié)構(gòu)和工藝兩方面探索了防治插口環(huán)裂的措施，提升了管材外觀品質(zhì)，提升了公司PCCPE制管的品質(zhì)和社會(huì)知名度。

關(guān)鍵詞：PCCPE；插口環(huán)裂；機(jī)理；防治

1概述

埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPE)插口端內(nèi)壁混凝土環(huán)向裂縫主要出現(xiàn)在靠插口端300 mm范圍內(nèi)，國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》GB/T19685-2005規(guī)定距管子插口段300 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)的環(huán)向裂縫寬度不應(yīng)大于1.5 mm。雖然義縣管道分公司生產(chǎn)的PCCPDE3800管材達(dá)到了國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的合格要求，但管材插口端普遍存在的環(huán)向裂縫使用戶始終疑慮，擔(dān)心影響管材產(chǎn)品的使用功能。為消除用戶疑慮，該管道分公司以管芯插口端內(nèi)壁混凝土環(huán)向裂縫形成機(jī)理及防治措施研究為課題，采用理論分析結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用的方式，通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析和管材產(chǎn)品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證開展研究，為提升管材外觀質(zhì)量提供了技術(shù)支撐。

2PCCPE插口環(huán)向裂縫產(chǎn)生的原因分析

管材插口端內(nèi)壁環(huán)向裂縫形成機(jī)理復(fù)雜，其主要受管材結(jié)構(gòu)、混凝土抗拉力、立式起吊、混凝土收縮、纏絲工藝局部剪切受力狀態(tài)以及混凝土的干燥收縮等多種因素綜合影響形成。

2.1結(jié)構(gòu)方面的原因

PCCPE管芯內(nèi)嵌埋的防滲薄鋼筒厚度為1.5 mm，而插口鋼環(huán)的型材尾部厚度為7.5 mm，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20 mm，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7.5 mm的截面突變。理論上，插口鋼環(huán)尾部可采取加大寬度并削薄的加工措施，但由于其不經(jīng)濟(jì)，行業(yè)內(nèi)無生產(chǎn)廠家采??；且搭接焊縫必須存在并經(jīng)致密性水壓試驗(yàn)合格，故搭接焊縫引起的截面突變?cè)诮Y(jié)構(gòu)上不可避免。

2.2工藝方面的原因

PCCPE管芯在纏繞預(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。

2.3混凝土強(qiáng)度的原因

管芯插口端的內(nèi)壁混凝土強(qiáng)度自身偏弱。在管芯混凝土立式澆筑的振動(dòng)密實(shí)過程中，石子往下沉，往往造成插口端的管芯混凝土缺少石子而富含砂漿，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。

2.4立式起吊原因

標(biāo)準(zhǔn)管生產(chǎn)過程中，管芯到成品工序均由專用圓盤式吊具吊運(yùn)。圓盤式吊具通過卡具鎖死插口鋼圈的第二個(gè)凹槽，對(duì)插口鋼圈施加環(huán)向壓力起吊重達(dá)50 t的管芯。該環(huán)向壓力在插口鋼圈與薄鋼板搭接焊形成的截面突變處造成應(yīng)力集中，同時(shí)，插口端內(nèi)壁混凝土則因傳導(dǎo)管材自身重量形成拉力，兩項(xiàng)應(yīng)力疊加易形成環(huán)向裂縫。

2.5環(huán)境因素

成品管材后期存儲(chǔ)環(huán)境干燥，混凝土易形成干縮裂縫。在管材插口端部區(qū)域由于混凝土環(huán)向預(yù)應(yīng)力和混凝土干縮效應(yīng)疊加，易形成環(huán)向裂縫。

綜上所述，插口鋼圈與薄鋼板搭接處的截面突變?yōu)椴蹇诃h(huán)向裂縫形成的結(jié)構(gòu)原因，管材吊運(yùn)及鋼絲纏繞施加的環(huán)向預(yù)壓力為工藝因素，而插口鋼圈與薄鋼板搭接處混凝土強(qiáng)度不足以承受拉應(yīng)力為出現(xiàn)環(huán)向裂縫的直接原因。經(jīng)分析，可采取提升管芯混凝土強(qiáng)度的措施以及在制造過程中采取減少和分散插口端受力條件的措施，可以減少裂縫出現(xiàn)的概率。

3防治措施

3.1結(jié)構(gòu)措施

減少和分散管材插口端承受拉應(yīng)力的措施：將插口鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的鋼絲網(wǎng)片直徑由合同要求的φ4增加為φ5，鋼絲網(wǎng)片的寬度保持300 mm，定位焊接固定尺寸(靠插口鋼環(huán)上邊緣)由20 mm調(diào)整為60 mm。其原理是充分利用鋼網(wǎng)片的抗拉特性，相對(duì)增加插口鋼環(huán)下邊緣位置鋼絲網(wǎng)片的分布寬度，從而分散和減少在鋼絲纏繞過程中因截面突變引發(fā)的應(yīng)力，減小該部位因應(yīng)力集中造成環(huán)向裂縫的危害程度。

3.2工藝措施

改善插口端混凝土的均勻性，提升其強(qiáng)度：

(1)加強(qiáng)各組分原材料尤其是聚羧酸高效減水劑的質(zhì)量控制，執(zhí)行工藝試驗(yàn)確定的最佳攪拌時(shí)間；在控制好水灰比的前提下確保混凝土攪拌均勻，具有良好的和易性和可施工性；

(2)立式振動(dòng)成型工藝存在上部石子下沉，在插口端會(huì)形成富含砂漿(缺少石子)的區(qū)段。調(diào)整振動(dòng)器振動(dòng)順序并控制振動(dòng)時(shí)間，隨混凝土澆筑依次打開下、上部位的振動(dòng)器，澆筑完成后，減少上部振動(dòng)器延后振動(dòng)時(shí)間，避免出現(xiàn)過振現(xiàn)象，從而減少浮漿層厚度；同時(shí)對(duì)收面工序增加措施：插口端采用添加合格的新拌混凝土用以置換浮漿層，通過外模的溢流口擠走該區(qū)段的浮漿層，改善插口端混凝土的組成和均勻性，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。

(3)加強(qiáng)管芯后期的灑水養(yǎng)護(hù)，將纏絲時(shí)的管芯混凝土強(qiáng)度控制指標(biāo)由原來的≥38.5 MPa提高為≥45 MPa，以鞏固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力。

4采用防治措施后取得的應(yīng)用效果

抽取義縣管道分公司2014年度生產(chǎn)的300根PCCPDE3800×5 000 mm成品管材，將插口部分混凝土環(huán)向裂縫統(tǒng)計(jì)情況列于表1。插口端無環(huán)向裂縫的為9根(占比3%)，非整圈環(huán)向裂縫的為135根(占比45%)，整圈環(huán)向裂縫的156根(占比52%)。

表1　義縣管道分公司2014年環(huán)裂情況統(tǒng)計(jì)表

注：抽樣管材內(nèi)壁環(huán)向裂縫的寬度不超過0.4 mm，裂縫寬度指標(biāo)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和合同文件的合格要求。

2015年，管道分公司標(biāo)準(zhǔn)管材生產(chǎn)任務(wù)全部完成。統(tǒng)計(jì)成品管環(huán)向裂縫情況共計(jì)704節(jié)，其中單纏管246節(jié)，無環(huán)向裂縫管占比48%；雙纏管458節(jié)，無環(huán)向裂縫管占比29%。插口端環(huán)向裂縫質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

將表1、2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：2015年無環(huán)向裂縫管整體占比為33.8%，相比2014年無環(huán)向裂縫管占比提升約30.8%，防治措施效果明顯。2015年單纏管中無環(huán)向裂縫管占比為47.97%；雙纏管中無環(huán)向裂縫管占比為25.8%。雙纏管的無環(huán)向裂縫管比例相對(duì)較低，其原因可能為生產(chǎn)工藝上存在二次纏絲、二次噴漿過程，比單纏管材多經(jīng)過一次預(yù)應(yīng)力纏絲和最少四次垂直起吊過程，致使部分無環(huán)向裂縫管進(jìn)一步發(fā)育為環(huán)向裂縫管。

表2　2015年環(huán)向裂縫情況統(tǒng)計(jì)表

5結(jié)語

在不改變管芯壁厚設(shè)計(jì)尺寸的前提下，從結(jié)構(gòu)和混凝土工藝上采取防治措施，如調(diào)整插口鋼環(huán)內(nèi)側(cè)鋼絲網(wǎng)片直徑、置換插口端浮漿層、加強(qiáng)原材料的質(zhì)量控制等控制措施，分散插口端管芯承受的拉應(yīng)力及提升插口端混凝土強(qiáng)度，可以減少管芯內(nèi)壁環(huán)向裂縫產(chǎn)生的數(shù)量，提高成品管材的外觀質(zhì)量，提升制造廠商的品牌知名度。

收稿日期:2016-04-06

中圖分類號(hào):TV554;TV52;TV553;TV546

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1001-2184(2016)03-0057-02

作者簡介:

黃娟(1987-)，女，湖北荊州人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

徐浩(1986-)，男，江蘇徐州人，項(xiàng)目工程部主任，助理工程師，從事道路、橋梁施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)