預應力鋼筒混凝土管（PCCP）保護層設計探討

李向東

（水利部山西省水利勘測設計研究院，太原 030024）

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是在帶有鋼筒的混凝土管芯外纏繞環(huán)向預應力鋼絲，再輥射以致密水泥砂漿保護層而制成的管子。保護層一方面保護預應力鋼絲不受物理損害，另一方面又能阻止有害介質(zhì)和水分侵入，避免腐蝕結(jié)構(gòu)內(nèi)預應力鋼絲和鋼筒，是保證耐久性和提高質(zhì)量的關(guān)鍵。

來自有關(guān)國外工程的調(diào)查表明，保護層脫落、裂縫及厚度不足等問題是引起PCCP引水工程事故的原因之一，如利比亞大人工河工程和美國的輸水工程[1]等。雖然我國引進PCCP的時間較晚，但在已投入運行的埋地預應力鋼筋混凝土管工程中，發(fā)生了大量混凝土保護層脫落、管身露筋銹蝕等質(zhì)量問題，有的甚至發(fā)生爆管[2]。故應借鑒國內(nèi)預應力鋼筋混凝土管及國外PCCP工程的成熟經(jīng)驗，采取措施提高保護層質(zhì)量，提高PCCP工程安全性和耐久性。本文結(jié)合南水北調(diào)PCCP工程及山西坪上應急供水工程實踐，從設計角度分析了PCCP砂漿保護層的主要技術(shù)指標。

圖1 山西坪上應急供水工程PCCP結(jié)構(gòu)大樣

1 坪上應急供水工程保護層受力分析

PCCP管道的設計主要考慮正常使用極限狀態(tài)、彈性極限狀態(tài)、強度極限狀態(tài)。為了說明問題，對山西坪上應急供水工程DN1800PCCP，在正常使用極限條件下，荷載組合W1（W1=管身自重+輸送介質(zhì)自重+外部恒載+工作內(nèi)壓）、WT1（WT1=管身自重+輸送介質(zhì)自重+外部恒載+工作內(nèi)壓+瞬時內(nèi)壓），對PCCP管芯及保護層的受力狀態(tài)進行分析。

1.1 PCCP基本設計參數(shù)

內(nèi)徑1.8m、工作壓力0.6MPa、瞬時內(nèi)壓0.276MPa、管頂覆土3m、回填料容重19.2kN/m3，管基中心角90°，汽車荷載為汽-20級。結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

1.2 保護層應力情況

在荷載作用下，以鋼筒為界，管芯內(nèi)層混凝土管頂?shù)牡谝恢鲬Ψ植继卣鳛閮?nèi)壁大外壁?。ü茼攦?nèi)壁頂點處拉應力最大）；而管側(cè)為內(nèi)壁小外壁大。管芯外層混凝土第一主應力的分布與內(nèi)層混凝土不同，管芯兩側(cè)的應力值較管頂、管底大，內(nèi)壁小而外壁大。管頂管底的應力內(nèi)壁大外壁小。在PCCP管與墊層接觸的區(qū)域，拉應力最小，但壓應力最大。因此極限狀態(tài)設計法以管頂/管底的內(nèi)壁裂縫及管側(cè)的外層混凝土、砂漿保護層裂縫為設計的控制條件。砂漿保護層僅20mm，輥射在纏絲的管芯上，開裂之前應力分布規(guī)律基本與管芯外層混凝土一致，最大值出現(xiàn)在管側(cè)外壁，因此管兩側(cè)砂漿保護層首先開裂，開裂后兩側(cè)應力釋放，主拉應力的最大值向下轉(zhuǎn)移，引起其它部位繼續(xù)開裂。

在組合荷載W1、WT1作用下，采用美國AWWA C304對PCCP應力進行復核。將管芯內(nèi)、外層混凝土、砂漿的應變值列表1如下：

表1 PCCP理論應變值

由表1知，保護層拉應變均大于管芯的應變值，而外層管芯的拉應變最小，管芯內(nèi)壁拉應變居中。砂漿保護層的應變值之所以最大，由PCCP的結(jié)構(gòu)特點決定：鋼絲對管芯有預應力的作用，當結(jié)構(gòu)受內(nèi)水壓力時，鋼絲預應力抵消后才能在管芯上產(chǎn)生拉應力、拉應變破壞；砂漿保護層沒有預應力，易產(chǎn)生拉應力、拉應變。因此，砂漿保護層將先于PCCP其他部分而破壞。

2 保護層技術(shù)性質(zhì)

保護層產(chǎn)生裂縫或破壞后，氯離子及其它腐蝕性離子進入PCCP結(jié)構(gòu)內(nèi)部，腐蝕預應力鋼絲，發(fā)生預應力損失甚至斷絲，最終產(chǎn)生爆管等結(jié)構(gòu)破壞。因此，保護層是保護預應力鋼絲的一道屏障，其質(zhì)量也是制約PCCP結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵之一。

2.1 原材料

保證PCCP質(zhì)量，應從原材料入手。保護層原材料主要由水泥、細骨料和減水劑組成，除應符合我國水泥、建筑用砂、減水劑相關(guān)規(guī)范外，應重點避免堿骨料反應。建議普通硅酸鹽水泥堿含量低于0.6%，鋁酸三鈣含量不高于5%；保護層砂漿用非堿活性天然細砂作為骨料；減水劑采用低堿、低收縮、高保坍、低摻量的聚羧酸高效減水劑，并控制砂漿混合物中水溶性氯離子含量不超過水泥重量的0.06%。南水北調(diào)PCCP工程原材料質(zhì)量要求較高，水泥實測堿含量為0.49%，細砂實測最大膨脹率為0.05%。

2.2 厚度

根據(jù)氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究成果，氯離子侵蝕導致抗力衰減的起點與混凝土厚度的平方成正比，保護層厚度微小增加，可導致鋼筋初銹時間大幅后移，延長結(jié)構(gòu)使用壽命[3]，但隨著厚度的增加，保護層外表面受鋼絲握裹作用降低，在受拉或彎矩情況下容易形成保護層裂縫，引起預應力鋼絲腐蝕和PCCP壽命縮短[4]。因此，保護層厚度的確定應綜合考慮PCCP特征、沿線土壤中腐蝕性離子濃度的影響。AWWA C301規(guī)定，PCCP預應力鋼絲砂漿保護層的最小厚度為19mm?！额A應力鋼筒混凝土管》（GB/T 19865-2005）建議，直徑1.4m以上雙膠圈埋置式PCCP保護層的厚度為20mm。在南水北調(diào)工程中，DN4000PCCP設計保護層厚度為25mm，山西坪上應急供水工程DN1800PCCP保護層厚度取20mm。綜合考慮環(huán)境濕度、水灰比及保護層厚度等因素，可以預測在不進行防腐、質(zhì)量合格且環(huán)境濕度RH＞60%的情況下，預應力鋼絲開始銹蝕的時間大于50年[5]。

2.3 強度

除保護鋼絲不受腐蝕外，砂漿保護層主要起著抵抗可能的外界碰撞、傳遞外荷載及承受由荷載引起的拉應力和壓應力作用，因此應具有足夠的強度。AWWA C304規(guī)定，砂漿保護層的設計抗壓強度（圓柱體）為37.9MPa；設計抗拉強度：

在PCCP制作過程中，按AWWA C301要求對保護層砂漿強度進行控制：將水泥砂漿直接輥射到固定管芯的模板上，制作試樣后采取保護層同條件養(yǎng)護，然后用金剛石鋸片從砂漿試樣上切下6塊25mm×25mm×25mm試塊。按ASTM C109實驗要求進行抗壓強度檢驗，6塊立方體試塊的28天齡期抗壓強度平均值不得低于48MPa。南水北調(diào)北京段PCCP28d檢驗強度見表2。

表2 保護層砂漿立方體抗壓強度統(tǒng)計

2.4 密實度和吸水率

砂漿屬于多孔結(jié)構(gòu)，具有一定的滲透性，腐蝕性介質(zhì)可通過保護層侵蝕內(nèi)部預應力鋼絲，且介質(zhì)擴散速度主要與保護層表面介質(zhì)濃度、保護層密實度等因素有關(guān)。因此，提高砂漿密實度是增強保護層抗?jié)B性和抑制碳化的有效途徑。工程中通過完善配合比和采用合理生產(chǎn)工藝實現(xiàn)提高密實度的目的。AWWA C301要求保護層砂漿配比按重量計不大于1：3（水泥：砂），從攪拌機采樣的砂漿含水量應不小于拌和物干總重的7%。南水北調(diào)北京段PCCP工程和山西坪上應急供水工程采用低水灰比的砂漿配合比（1：2，水泥：砂），選用級配良好的天然細砂作為骨料，采用合理的輥射工藝，利用一對輥射輪，以最大45.8m/s的線速度，將砂漿輥射至PCCP，形成密實的保護層。

AWWA C301用砂漿吸水率間接檢驗和控制保護層密實度，吸水率實驗依據(jù)為ASTM C497方法A。取同班同批噴涂保護層作業(yè)中的至少3個試件的平均值作測定。試件采用與管道保護層相同的制作方法和養(yǎng)護方法。工程要求砂漿試件吸水率的平均測定值小于9%，且單件測定值小于11%。保護層砂漿吸水率試驗結(jié)果見表3。

表3 保護層砂漿吸水率試驗結(jié)果

2.5 抗裂性能

為保護預應力鋼絲不受腐蝕，PCCP保護層外表面不允許出現(xiàn)可見裂縫（寬0.025mm）。設計人員應通過對管芯混凝土、鋼筒、纏絲面積及保護層砂漿配比、厚度等進行系統(tǒng)選擇，從設計角度避免保護層裂縫。以南水北調(diào)北京段PCCP工程工作壓力0.6MPa、管頂覆土深度5m的PCCP管型為例，在WT1作用下，保護層計算最大拉應變?yōu)?.13×10-4，低于產(chǎn)生可見裂縫的拉應變限值1.14×10-3；在W1作用下，保護層計算最大拉應變?yōu)?.54×10-4，低于產(chǎn)生微裂縫的拉應變限值9.12×10-4。所以理論上在正常使用極限狀態(tài)下不會出現(xiàn)微裂縫和可見裂縫。生產(chǎn)廠對該工況管道進行了三邊承載試驗，試驗荷載達到設計荷載的120%時保護層仍未出現(xiàn)裂縫，達到設計荷載的140%時，管側(cè)保護層及管頂內(nèi)壁開始出現(xiàn)微裂縫。試驗說明，在荷載作用下，PCCP裂縫的產(chǎn)生與極限狀態(tài)設計法的管芯內(nèi)、外層混凝土應力的分布特征相吻合。因此保護層應作為保證和提高PCCP工程耐久性的關(guān)鍵因素進行高度重視。

3 結(jié)論

保護層是決定PCCP影響結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。在我國工程實踐中，通過精心設計，規(guī)范施工和認真總結(jié)，PCCP工程師掌握了一套科學的提高保護層砂漿性能的理論，使其更好地為PCCP提供保護，為PCCP在長距離輸水工程中的應用提供更廣闊的前景。

［1］蔡建平.淺談預應力鋼筒混凝土管原材料質(zhì)量控制［J］.南水北調(diào)與水利科技，2005（3）：49-51.

［2］張迪，張春娟.寶雞市大口徑輸水預應力混凝土管爆管原因與對策［J］.中國給水排水，2008（10）：99-102.

［3］吳瑾，吳勝興.氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命評估［J］.土木工程學報，2005（2）：59-64.

［4］楊勇宏.關(guān)于混凝土鋼筋保護層厚度探討［J］.廣東建材，2006（11）：78-79.

［5］張偉平，張譽.一般大氣條件下混凝土中鋼筋開始銹蝕時間的預測［J］.四川建筑科學研究，2002（1），29-30.