黑君淼 張雷順

摘要：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）內(nèi)層混凝土出現(xiàn)環(huán)狀螺旋裂縫的現(xiàn)象較為普遍，有些裂縫在使用過程中遇水自愈不需要修補(bǔ)，而當(dāng)裂縫寬度較大不修補(bǔ)時(shí)，裂縫會引起PCCP內(nèi)置薄壁鋼筒的銹蝕，形成事故隱患，為此開展了PCCP內(nèi)層混凝土裂縫濕脹自愈原型試驗(yàn)研究，以期為PCCP內(nèi)層混凝土裂縫寬度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。試件采用2根齡期分別為36d和75d的原型PC-CP，外徑2864mm、內(nèi)徑2400mm、長度6000mm，鋼筒厚1.5mm、直徑2513mm。試驗(yàn)時(shí)將PCCP試件置于試驗(yàn)井，觀測在水中浸泡不同時(shí)間后內(nèi)層混凝土裂縫閉合情況。根據(jù)測量得到的裂縫寬度改變值，推算出內(nèi)層混凝土的濕脹速度、應(yīng)變等。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出防止內(nèi)置鋼筒銹蝕的PCCP內(nèi)層混凝土表面裂縫控制寬度計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管；裂縫寬度；濕脹；自愈

中圖分類號：TV522；TU528.31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.031

河南省南水北調(diào)配套工程共敷設(shè)各類輸水管道900多km，其中管徑大于等于1.4m、壓力高于0.8MPa的管道一般選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP）。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，河南省南水北調(diào)配套工程中敷設(shè)PCCP總長度約670km，約占輸水管道總長的70%。

PCCP生產(chǎn)、運(yùn)輸、放置和安裝期間，內(nèi)層混凝土出現(xiàn)環(huán)狀螺旋裂縫的現(xiàn)象較為普遍。理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐表明[1-2]，在現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝下，PCCP內(nèi)層混凝土出現(xiàn)環(huán)狀螺旋裂縫難以避免，這些裂縫不會影響PCCP的強(qiáng)度。但當(dāng)裂縫寬度較大而不修補(bǔ)時(shí)，會引起PCCP內(nèi)置1.5mm厚薄壁鋼筒的銹蝕，使用時(shí)在水壓力作用下，可能引起管道滲漏甚至爆管，引發(fā)事故。美國水行業(yè)協(xié)會研究基金報(bào)告顯示[3]，美國在1942-2006年共發(fā)生399次PCCP爆管事故。

針對PCCP內(nèi)層混凝土裂縫可能產(chǎn)生的危害，國內(nèi)外對最大環(huán)狀螺旋裂縫寬度提出了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對裂縫產(chǎn)生的原因、裂縫寬度控制等進(jìn)行了大量研究[4-5]。但對環(huán)狀螺旋裂縫多大寬度可以靠PCCP使用時(shí)遇水自愈而不需要修補(bǔ)、當(dāng)裂縫寬度超過多少時(shí)需要修補(bǔ)等問題還缺乏深入的研究，特別是未對大尺度原型PCCP內(nèi)層混凝土進(jìn)行過濕脹試驗(yàn)。因此，通過試驗(yàn)研究提供較為合理、可靠的裂縫濕脹自愈寬度數(shù)據(jù)，對PCCP的生產(chǎn)、驗(yàn)收和使用具有非常重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

美國水工協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管·鋼筒型》（ANSI/AWWAC 301-2007）規(guī)定[6]：PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫寬度不大于1.5mm時(shí)不需要修補(bǔ)；寬度大于1.5mm的環(huán)狀螺旋裂縫，若連續(xù)浸泡在水中能自愈到顧客滿意，也可以不修補(bǔ)。我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（JC 625-1996）規(guī)定[7]：PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫寬度不大于0.25mm時(shí)可以不修補(bǔ)，大于0.25mm時(shí)應(yīng)修補(bǔ)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）規(guī)定[8]：PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫寬度不大于0.5mm時(shí)可以不修補(bǔ)，大于0.5mm時(shí)應(yīng)修補(bǔ)。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫不修補(bǔ)的最大寬度相差甚大，從0.25mm到1.5mm。筆者認(rèn)為其原因之一是對PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫遇水自愈能力認(rèn)識的差異，也就是說，目前國內(nèi)外的研究還沒有為PCCP內(nèi)層混凝土裂縫寬度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提供較為可靠的依據(jù)。

美國水行業(yè)協(xié)會的《管道手冊》中“混凝土的自愈合”一節(jié)里列舉了混凝土自愈的部分實(shí)例，并闡述了混凝土自愈的機(jī)理[9]：混凝土內(nèi)游離氧化鈣以及被水泥中硅酸三鈣釋放出來的氫氧化鈣會與周圍空氣中的水、二氧化碳結(jié)合形成碳酸鈣晶體。碳酸鈣晶體沉淀后，直接堆積于裂縫表面，從而使裂縫愈合。這里所說的混凝土裂縫自愈實(shí)際上是混凝土裂縫遇水后的化學(xué)自愈，而不是濕脹自愈。張成軍等[10]認(rèn)為：管道安裝后，內(nèi)壁浸于水中，致使管道混凝土及砂漿充分吸水并產(chǎn)生體積增加，即產(chǎn)生混凝土濕脹變形。管道埋人地下后所發(fā)生的濕脹是有益的，可使混凝土干縮變形得到部分恢復(fù)，而使裂縫寬度減小。其闡述了對混凝土裂縫濕脹自愈的認(rèn)識，而沒有具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

化學(xué)自愈雖對裂縫自愈抗?jié)B有一定作用，但需要時(shí)間較長、可靠性較差?，F(xiàn)有的混凝土濕脹研究都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試塊試驗(yàn)研究，屬于無約束條件下的混凝土濕脹試驗(yàn)研究。黃國興[11]認(rèn)為，混凝土濕脹變形比水泥濕脹變形小得多，濕脹應(yīng)變?yōu)?00～150με（με是微應(yīng)變，等于10-6，下同）；李惠明等[12]通過室內(nèi)濕脹試驗(yàn)認(rèn)為，不加摻合料的混凝土，7d自由濕脹應(yīng)變?yōu)?50～200με，之后稍有增加；席耀忠認(rèn)為[13]，水泥用量為300kg/m3的混凝土180～365d的濕脹應(yīng)變僅為130με。

然而，PCCP內(nèi)層混凝土的濕脹變形是在約束條件下進(jìn)行的，其濕脹受到PCCP內(nèi)置鋼筒和未被水浸泡的混凝土的約束。這種約束條件下的濕脹應(yīng)變與自由濕脹應(yīng)變有多大差別，能不能把混凝土自由濕脹應(yīng)變值用于PCCP內(nèi)層混凝土濕脹分析，目前缺少相應(yīng)的研究。因此，進(jìn)行PCCP內(nèi)層混凝土濕脹原型試驗(yàn)，了解在這種實(shí)際結(jié)構(gòu)條件下的內(nèi)層混凝土濕脹特性很有必要，對于合理制定PCCP內(nèi)層混凝土裂縫寬度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等具有重要意義。

2 濕脹試驗(yàn)

為掌握PCCP內(nèi)層混凝土在水中浸泡時(shí)的濕脹和裂縫自愈情況、裂縫自愈的速度，能自愈的最大裂縫寬度，筆者在河南省原陽縣境內(nèi)的浙江巨龍管業(yè)股份有限公司原陽分廠進(jìn)行了PCCP濕脹原型試驗(yàn)。

2.1 試件選擇

試件選用2根PCCP，1根齡期36d、另1根75d，其參數(shù)如下。

幾何尺寸：PCCP內(nèi)徑2400mm、外徑2864mm、長度6000mm，內(nèi)層混凝土外徑2800mm，內(nèi)置鋼筒直徑2513mm、厚度1.5mm。

內(nèi)層混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，原材料配合比：水175kg/m3、水泥510kg/m3、砂620kg/m3、石子1102kg/m3、減水劑（聚羧酸高效減水劑）5.1kg/m3。

水泥型號：P.042.5普通硅酸鹽水泥。

鋼筒外纏繞的預(yù)應(yīng)力鋼絲：直徑7mm，間距14.9mm，張拉應(yīng)力1278mPa。

PCCP養(yǎng)護(hù)：靜養(yǎng)3h，升溫2～3h，恒溫6h，恒溫溫度（52～62）℃，降溫（1～2）h。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)前檢測PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫分布，繪出裂縫分布圖，標(biāo)注裂縫檢測點(diǎn)位置及裂縫寬度。

（2）用桁架吊車將PCCP吊放進(jìn)試驗(yàn)井。

（3）向試驗(yàn)井注水，使內(nèi)層混凝土被水浸泡，PCCP外層不被水浸泡。

（4）36d齡期的PCCP，連續(xù)浸泡1、3.5、11d時(shí)，用桁架吊車吊出、平移，并平放在檢測臺；75d齡期的PCCP，連續(xù)浸泡1、3、16d時(shí)，用桁架吊車吊出、平移，并平放在檢測臺。

（5）測量檢測點(diǎn)裂縫寬度并記錄。

（6）檢測完后立即將PCCP吊放回試驗(yàn)井，繼續(xù)浸泡。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 36d齡期的PCCP濕脹試驗(yàn)結(jié)果

裂縫分布及檢測點(diǎn)布置見圖1，不同浸泡時(shí)間裂縫寬度測量結(jié)果見表1。

32 75d齡期的PCCP海脹試驗(yàn)結(jié)果

裂縫分布及檢測點(diǎn)布置見圖2，不同浸泡時(shí)間裂縫寬度測量結(jié)果見表2。

4 結(jié)果分析及結(jié)論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果處理

由于36d齡期PCCP的1#～5#檢測點(diǎn)、75d齡期PCCP的1#檢測點(diǎn)位于PCCP插口端附近，75d齡期PCCP的24#～26#檢測點(diǎn)位于承口端附近，因此這些點(diǎn)的裂縫寬度變化受端部邊界影響較大，在處理數(shù)據(jù)時(shí)將其剔除。

將各檢測點(diǎn)的平均濕脹應(yīng)變近似作為內(nèi)層混凝土的濕脹應(yīng)變，由下式求得：式中：εm為浸泡m天時(shí)內(nèi)層混凝土的平均濕脹應(yīng)變；n為檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)；εim為檢測點(diǎn)i浸泡m天時(shí)沿PCCP軸向發(fā)生的濕脹應(yīng)變；ai0為第i個(gè)檢測點(diǎn)未浸泡時(shí)的裂縫寬度，aim為第i個(gè)檢測點(diǎn)浸泡m天時(shí)的裂縫寬度；li為檢測點(diǎn)i距前后兩條裂縫距離之和的一半。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)處理得到的內(nèi)層混凝土濕脹應(yīng)變與浸泡時(shí)間的關(guān)系見圖3。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 濕脹與自愈

試驗(yàn)表明，PCCP內(nèi)層混凝土浸水后一定會發(fā)生濕脹變形，其原因是水泥凝膠體吸水后，水分子會克服凝聚力的作用，迫使凝膠體粒子進(jìn)一步分離，從而產(chǎn)生膨脹壓力，同時(shí)水的浸入又使凝膠體的表面張力變小，因而混凝土?xí)a(chǎn)生濕脹。內(nèi)層混凝土的濕脹變形使裂縫寬度減小，較小的裂縫可以完全閉合，較大的裂縫可以閉合一定程度，使得裂縫寬度和深度減小。

4.2.2 濕脹速度

試驗(yàn)表明，內(nèi)層混凝土浸泡初期濕脹速度最大，1d的濕脹應(yīng)變約占15d總濕脹應(yīng)變的70%，3d濕脹應(yīng)變約占80%，3d后濕脹速度變緩。由此可知，內(nèi)層混凝土裂縫濕脹自愈速度較快，裂縫將在PCCP通水后最初幾天內(nèi)完全閉合或裂縫深度迅速縮小。

4.2.3 裂縫與齡期

36d齡期PCCP在濕脹試驗(yàn)前，內(nèi)層混凝土平均裂縫寬度0.12mm，平均裂縫深度6mm，寬深比為0.020；75d齡期PCCP在濕脹試驗(yàn)前，內(nèi)層混凝土平均裂縫寬度0.21mm，平均裂縫深度12mm，寬深比為0.018。75d齡期PCCP內(nèi)層混凝土平均裂縫寬度、深度分別是36d齡期PCCP的1.75、2倍。36d齡期和75d齡期PCCP內(nèi)層混凝土在約束條件下的最大濕脹應(yīng)變分別為96、140με。因此，最大濕脹應(yīng)變隨平均裂縫寬度、深度增大而增大，它還與約束條件有關(guān)。

進(jìn)一步分析表明[13]，PCCP內(nèi)層混凝土濕脹應(yīng)變的大小與裂縫深度有一定關(guān)系。裂縫深度越大，混凝土濕脹受到PCCP內(nèi)置鋼筒及未浸水混凝土的約束作用越小，濕脹應(yīng)變越大，越接近自由濕脹應(yīng)變。36d齡期PCCP裂縫深度6mm，內(nèi)層未浸水混凝土的約束濕脹系數(shù)為1.7，75d齡期PCCP的裂縫深度12mm，內(nèi)層未浸水混凝土的約束濕脹系數(shù)為1.3，二者換算得到的內(nèi)層混凝土自由濕脹應(yīng)變約為180με。這與實(shí)驗(yàn)室得到的混凝土自由濕脹應(yīng)變?yōu)?00～200με的結(jié)論相近[14-15]。

4.2.4 內(nèi)層混凝土表面裂縫寬度允許值

控制內(nèi)層混凝土表面裂縫寬度的目的是使PCCP通水工作時(shí)裂縫深度離內(nèi)置鋼筒有一定距離h0，以防止鋼筒銹蝕。假定裂縫截面成三角形（見圖4）。在保證h0時(shí)，內(nèi)層混凝土裂縫表面寬度應(yīng)滿足

b≤（h-h0）γ+εsl（1）式中；b為內(nèi)層混凝土表面裂縫控制寬度；h為內(nèi)層混凝土厚度；γ為內(nèi)層混凝土裂縫表面寬度與裂縫深度之比；εs為內(nèi)層混凝土約束濕脹應(yīng)變；l為PCCP螺旋焊縫螺距。圖4中：b0為水浸后表面裂縫寬度；b1為濕脹后表面裂縫寬度的減小量。

將試件PCCP參數(shù)h=40mm、h0=20mm、γ=0.02、εs=150×10-6、l=1000mm代入式（1），可得內(nèi)層混凝土表面裂縫控制寬度為0.55mm。也就是說，在裂縫寬度不大于0.55mm時(shí)，裂縫濕脹自愈使得裂縫深處距內(nèi)置鋼筒的距離不小于20mm，不會引起鋼筒銹蝕，不必進(jìn)行裂縫修補(bǔ)。

式（1）計(jì)算的內(nèi)層混凝土表面裂縫控制寬度與我國國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）給出的控制值0.5mm非常接近。當(dāng)試件PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)向裂縫條數(shù)較少時(shí)，裂縫寬度的限制可適度放寬。譬如，當(dāng)環(huán)向裂縫僅有4條時(shí)，裂縫間距增大到l=1250mm，由此求得的b≤0.59mm；當(dāng)環(huán)向裂縫僅有2條時(shí)，裂縫間距增大到l=2000mm，由此求得的b≤0.70mm。

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