PCCP管芯混凝土裂縫自愈合試驗研究

(天津市水務(wù)基建管理處， 天津 300061)

PCCP管芯混凝土裂縫自愈合試驗研究

楊釗

(天津市水務(wù)基建管理處， 天津 300061)

本文介紹了PCCP(預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管)裂縫的分類和產(chǎn)生機理，針對PCCP混凝土管芯裂縫自愈合能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：摻入適量粉煤灰的混凝土試件，后期強度增長幅度較大，對裂縫后期的愈合效果作用明顯；PCCP裂縫自愈合的速度與裂縫寬度和齡期有關(guān)，裂縫的寬度變化量越大，裂縫自愈合的容許寬度越小。PCCP管內(nèi)水壓越大，裂縫自愈合的速度越慢，容許寬度越小。針對天津地區(qū)制管條件及工程運行特點，建議距插口段300mm外管身裂縫寬度應(yīng)小于0.25mm，距插口段300mm內(nèi)裂縫寬度應(yīng)小于0.5mm。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管； 混凝土裂縫； 自愈合

1 前 言

天津市南水北調(diào)中線濱海新區(qū)供水一期工程輸水管線全長約36.195km，其中采用PCCP線路全長為23.37km，占線路總長的64.6%。PCCP的制造與安裝投資約占管線工程投資的40%。PCCP的質(zhì)量直接影響到工程的整體質(zhì)量。PCCP由薄鋼板和高強混凝土制成，具有高抗壓和高抗?jié)B的優(yōu)點，但在生產(chǎn)和儲備運輸過程中，由于受工藝和養(yǎng)護(hù)等其他因素影響，管道的內(nèi)襯混凝土?xí)a(chǎn)生裂縫。

在PCCP的正常運行中，管道承受內(nèi)水壓力和外荷載作用，運行環(huán)境較為復(fù)雜。在內(nèi)外壓作用下，PCCP 出現(xiàn)裂縫后，流體會使鋼筒和鋼絲發(fā)生銹蝕，降低管道的結(jié)構(gòu)承載能力，嚴(yán)重時鋼絲會發(fā)生斷裂，在內(nèi)水壓較大的情況下易發(fā)生爆管。因此，混凝土損傷自愈合能力研究關(guān)系到PCCP管材的使用壽命，甚至直接關(guān)系到人民的生命安全。為保證PCCP質(zhì)量，進(jìn)一步提高工程建設(shè)水平，實現(xiàn)創(chuàng)建“優(yōu)質(zhì)工程”的目標(biāo)，針對PCCP的結(jié)構(gòu)特點和裂縫產(chǎn)生情況，開展PCCP管芯混凝土自愈合試驗研究工作具有重要意義與現(xiàn)實必要性。本文介紹了PCCP裂縫的分類和產(chǎn)生機理，對PCCP 管芯混凝土裂縫自愈合能力開展試驗研究，為制定PCCP管芯混凝土裂縫的驗收標(biāo)準(zhǔn)，提供技術(shù)支撐。

2 PCCP裂縫產(chǎn)生機理分析及控制措施

2.1 PCCP裂縫產(chǎn)生機理分析

PCCP管道裂縫一般包括插口端環(huán)向縫、內(nèi)壁螺旋縫或環(huán)向縫、管芯外壁縱向縫、管芯外壁螺旋縫或環(huán)向縫、保護(hù)層縱向縫、保護(hù)層環(huán)向縫等多種。較常見的裂縫一般有插口端環(huán)向縫、內(nèi)壁螺旋縫或環(huán)向縫、管芯外壁縱向縫3種。

a.插口端環(huán)向裂縫。插口端環(huán)向裂縫最為普遍，其產(chǎn)生于管道纏絲期，一般位于距端部約250 mm 處，呈環(huán)向，大多已連通且已深至鋼筒內(nèi)表面， 寬度一般為0.1～1.5mm。該裂縫的產(chǎn)生機理主要包括兩方面的原因：一是末圈纏絲應(yīng)力致使裂縫產(chǎn)生，二是混凝土的干縮變形促使裂縫寬度進(jìn)一步發(fā)展。

b.內(nèi)壁螺旋縫或環(huán)向縫。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道內(nèi)壁螺旋縫或環(huán)向縫幾乎與插口端環(huán)向縫一樣常見，但寬度要小得多，一般為0.1～0.5mm，主要在管道制成后產(chǎn)生。該類裂縫的產(chǎn)生及走向取決于鋼筒的制作方式。鋼筒制作方式一般有自動螺旋焊接、拼筒環(huán)向焊接、拼板縱向焊接3種，因為鋼筒的焊縫走向完全不同，決定了混凝土裂縫的走向不同，而采用拼板縱向焊接鋼筒的管道一般不會產(chǎn)生裂縫。

c.管芯外壁縱向裂縫。在纏絲前管芯外壁有產(chǎn)生溫度裂縫的可能， 同時因管芯承口端面受到地面磨擦而易產(chǎn)生外壁承口端部縱向裂縫， 當(dāng)端面受力不均勻時還會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致了該種裂縫的產(chǎn)生。

2.2 PCCP裂縫控制措施

管道裂縫的危害性主要是腐蝕鋼筒和鋼絲而降低管道壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)斐晒艿辣?。為了盡可能減少裂縫，一般采取以下三種方法：?改螺旋焊為直板焊，由于直板焊工藝效率較低，先進(jìn)性較差，目前在中小型PCCP企業(yè)中應(yīng)用較多，在大型PCCP生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用較少，在PCCP生產(chǎn)企業(yè)中有逐漸減少的應(yīng)用趨勢，且改變焊接方式只是對減少裂縫有一定的改進(jìn)作用，并不能消除裂縫；?提高管芯混凝土的抗拉性能(如:使混凝土的粗細(xì)骨料顆粒形狀和級配更加合理，骨料更加清潔，科學(xué)配比，科學(xué)振搗，延長養(yǎng)護(hù)時間，或在混凝土中增加纖維等),一般會比較明顯地增加PCCP的制造成本，也會降低生產(chǎn)效率，但仍難以完全消除裂縫；?充分利用混凝土裂縫在水中的自愈合特性，既能有效消除PCCP裂縫，又能不明顯增加生產(chǎn)成本及降低功效，關(guān)鍵是確定其允許的合理縫寬。

3 PCCP管芯混凝土裂縫自愈合試驗研究

混凝土裂縫自愈合的合理縫寬與混凝土的組成、浸泡水的化學(xué)成分以及水壓等因素有關(guān)，不同區(qū)域、不同工程也有較大差別，一般在0.1～1.5mm之間。本節(jié)主要研究劈裂抗拉強度及裂縫寬度兩個指標(biāo)，從而評價裂縫的自愈合能力。

3.1 粉煤灰對裂縫自愈合能力的影響

3.1.1 試驗用原材料

水泥： PO42.5硅酸鹽水泥；

粉煤灰：F類，Ⅰ級粉煤灰；

外加劑：萘系緩凝高效減水劑 ZB-1A；

骨料：河沙，中砂，碎石 5～25mm。

3.1.2 試驗方案

按照混凝土配合比設(shè)計規(guī)程確定配合比，選用0.30mm厚、150mm×200mm 的鋼片，插入剛成型混凝土中，在混凝土初凝后終凝前拔出，形成貫穿混凝土試件的裂縫，放入清水中養(yǎng)護(hù)，達(dá)到齡期后，沿裂縫處劈裂。試驗過程按《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)混凝土劈裂抗拉強度試驗方法進(jìn)行。比較摻粉煤灰有裂縫的試件和無裂縫試件的劈裂抗拉強度，分析粉煤灰對混凝土裂縫自愈合的影響，根據(jù)混凝土裂縫處劈裂抗拉強度增長趨勢，研究裂縫自愈合的發(fā)展情況。

3.1.3 試驗結(jié)果及分析

不同粉煤灰摻量的混凝土試件養(yǎng)護(hù)后劈裂抗拉強度見下頁表1。

表1 不同粉煤灰摻量混凝土劈裂抗拉強度試驗結(jié)果

注: Ja1、La1是無裂縫的試件；Jb1、 Lb1為無裂縫的普通試件。

按公式(1)計算摻粉煤灰無裂縫的混凝土試件，7d、14d、28d、90d齡期與未摻粉煤灰無裂縫劈裂抗拉強度比，計算結(jié)果見表2。

無裂縫試件抗拉強度比=

(1)

按公式(2)計算摻粉煤灰有裂縫的混凝土試件，7d、14d、28d、90d齡期與未摻粉煤灰有裂縫劈裂抗拉強度比，計算結(jié)果見表2。

有裂縫試件抗拉強度比=

(2)

表2 摻粉煤灰有裂縫試件與不摻粉煤灰有裂縫試件不同齡期劈裂抗拉強度比

由表1、表2分析混凝土裂縫處劈裂抗拉強度增長趨勢，表明摻有粉煤灰的混凝土試件，混凝土裂縫處早期劈裂抗拉強度發(fā)展較慢，28d 劈裂抗拉強度只能達(dá)到未摻粉煤灰有裂縫試件強度的 87%左右，在 28～90d之間，混凝土裂縫處的劈裂抗拉強度增長最為明顯，90d后摻有粉煤灰有裂縫的試件劈裂抗拉強度超過未摻粉煤灰有裂縫的試件，抗壓強度比為104%。這說明摻入適量粉煤灰的混凝土試件，后期強度增長幅度較大，對裂縫后期的愈合效果作用明顯，這可能是因為水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2可以與粉煤灰中的化學(xué)成分反應(yīng)產(chǎn)生生成物充填裂縫，提高了混凝土裂縫自愈合能力。

3.2 PCCP運行工況對混凝土的自愈合能力的影響

結(jié)合天津地區(qū)地質(zhì)條件、運行環(huán)境及該工程的輸水特點，通過建立模型、模擬管道運行工況，比較不同水壓力對裂縫自愈合能力的影響。

試驗采用φ2200mm×5000mm預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土模型管。試驗前先利用三點荷載法將該管道壓至開裂，裂縫寬度控制在0.7mm以內(nèi)，然后卸除外壓，測量實際裂縫寬度，并將裂縫標(biāo)于管道內(nèi)壁。裂縫分布：距插口段300mm以內(nèi)為0.5～0.7mm，距插口段300mm以外為不大于0.25mm。待準(zhǔn)備工作完成后將管道兩端密封，對PCCP管施加不同內(nèi)水壓模擬不同運行工況，記錄不同齡期裂縫的愈合情況。

加壓裝置采用套筒式，套筒由若干個鋼架組成，具有足夠的剛度。套筒下側(cè)與底座固定，加壓內(nèi)套筒外直徑為2100mm，PCCP 與內(nèi)套筒間為100mm 的加壓空腔，兩端均用橡膠密封圈密封，形成一個密封的加壓空腔，在管道的兩側(cè)用鋼構(gòu)件法蘭盤將內(nèi)套筒固定，用加壓泵將水注入加壓空腔模擬內(nèi)水壓力，試驗中采用油壓系統(tǒng)以0.25MPa、0.75MPa分別加壓。每級壓力維持56d，記錄不同寬度、不同齡期裂縫的愈合情況。

試驗結(jié)果表明，自然養(yǎng)護(hù)條件下，預(yù)壓裂縫基本無變化，說明水在裂縫自愈合的過程中發(fā)揮了重要作用。試驗過程中，PCCP在有水環(huán)境中，裂縫處產(chǎn)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了混凝土裂縫的自愈合。在同一運行工況下，PCCP裂縫自愈合的速度與裂縫寬度和齡期有關(guān)，裂縫的寬度變化量越大， 裂縫自愈合的容許寬度越小。距插口段300mm外管身寬度小于0.25mm裂縫在28d齡期內(nèi)可以完全愈合；距插口段300mm內(nèi)寬度小于0.5mm裂縫在56d齡期內(nèi)可以完全愈合；大于0.5mm的裂縫56d齡期內(nèi)未完全愈合。PCCP管內(nèi)水壓越大，裂縫自愈合的速越慢，容許寬度越小。無論哪種工況下，寬度超過0.5mm，短時間內(nèi)幾乎難以愈合。

針對天津地區(qū)制管條件及工程運行特點，建議距插口段300mm外管身裂縫寬度應(yīng)小于0.25mm；距插口段300mm內(nèi)裂縫寬度應(yīng)小于0.5mm。

4 結(jié) 論

a.摻粉煤灰的混凝土試件，早期裂縫處劈裂抗拉強度較低，隨著自愈合時間的增長，后期強度增長幅度較大，粉煤灰不利于混凝土早期裂縫自愈合強度的增長，但對裂縫后期的愈合效果作用明顯。

b.在同一運行工況下，PCCP裂縫自愈合的速度與裂縫寬度和齡期有關(guān)，裂縫的寬度變化量越大，裂縫自愈合的容許寬度越小。PCCP管內(nèi)水壓越大，裂縫自愈合的速度越慢，容許寬度越小。無論哪種工況下，寬度超過0.5mm，短時間內(nèi)幾乎難以愈合。

c.針對天津地區(qū)制管條件及該工程運行特點，建議距插口段300mm外管身裂縫寬度應(yīng)小于0.25mm，距插口段300mm內(nèi)裂縫寬度應(yīng)小于0.5mm。

Research of Self-healing Test of PCCP Pipe Core Concrete Cracks

YANG Zhao

(Tianjin Water Infrastructure Management Office, Tianjin 300061, China)

Classification and generation mechanisms of PCCP cracks are introduced in the paper. Self-healing ability of PCCP concrete pipe core cracks is studied. The result shows that concrete specimens mixed with appropriate amount of fly ash has larger subsequent intensity increase extent, its subsequent healing effect and function on the cracks are prominent, PCCP crack self-healing speed is related with crack width and age. Crack width change is larger, allowable width of crack self-healing is smaller. Water pressure in PCCP is larger, speed of crack self-healing is slower, and allowable width is smaller. Aiming at pipe manufacture requirements and project operation features in Tianjin area, it is recommended that external pipe crack width 300mm away from the socket segment should be less than 0.25mm, internal crack width 300m away from socket section should be less than 0.5mm.

PCCP; concrete cracks; self-healing

TV41

A

1005-4774(2014)12-0017-03