PCCP管芯外壁縱裂的機(jī)理分析與控制

朱茂宏

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 PCCP簡述及問題提出

PCCP是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）的簡稱，它是指由兩端帶承插口鋼圈的鋼筒和鋼筒內(nèi)、外兩側(cè)混凝土層組成管芯，并在管芯外壁纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，再輥射水泥砂漿保護(hù)層而制成的一種復(fù)合型管材。管芯混凝土通常采用鋼筒內(nèi)外加設(shè)模板、立式澆筑、扶壁式振搗器振搗成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而制成。

在生產(chǎn)初期發(fā)現(xiàn)部分管芯外壁產(chǎn)生縱向裂縫，經(jīng)統(tǒng)計(jì)三個單位生產(chǎn)了998節(jié)、289節(jié)和364節(jié)管芯，其中各有69節(jié)、17節(jié)和3節(jié)出現(xiàn)縱向裂縫，分別占生產(chǎn)總量的7%、6%和1%，裂縫出現(xiàn)頻率超出了同類項(xiàng)目。

2 混凝土裂縫機(jī)理和管道裂縫形成的原因分析

2.1 一般結(jié)構(gòu)混凝土裂縫機(jī)理

一般結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生裂縫原因可歸結(jié)為以下幾個方面：一是溫度濕度變化引起的混凝土干縮、溫縮變形，受到約束作用所引起的約束拉伸開裂；二是混凝土結(jié)構(gòu)在外力等荷載作用下所引起的裂縫；三是混凝土內(nèi)部某種化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫，主要指堿骨料反應(yīng)裂縫；四是混凝土在澆筑后呈塑性狀態(tài)時因收縮或沉降等所引發(fā)的開裂。

混凝土干燥收縮變形是其內(nèi)部的水分變化而引起的，干縮與內(nèi)部水的存在形式有關(guān)，其過程是由表及里逐步發(fā)展。由于環(huán)境不同，混凝土的干縮由表及里各個層次的脫水程度不同，進(jìn)而影響到各個層次的干縮應(yīng)變不同，形成的干縮裂縫就有兩種情況，一種是混凝土的貫穿性裂縫，另一種是混凝土的表面性裂縫。

混凝土伴隨溫度升降要發(fā)生脹縮變形，變形量εt取決于溫度變化量ΔT和混凝土線膨脹系數(shù) αt，即εt＝αt·ΔT，混凝土的線膨脹系數(shù)根據(jù)骨料巖性不同而不同，通常取為10×10－6℃-1。溫度裂縫與干縮裂縫類似，一種是貫穿性的，一般是由于混凝土結(jié)構(gòu)平均溫度的溫降幅度ΔTm所引起（εt＝αt·ΔTm）；二是表面性的，多是混凝土的表里溫差ΔTd引起（εt＝αt·ΔTd）。

2.2 管道裂縫機(jī)理分析

PCCP管芯裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土的干縮；管芯除高溫季節(jié)外一般采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，AWWA.C301規(guī)定養(yǎng)護(hù)的最高溫度為52℃，結(jié)束蒸汽養(yǎng)護(hù)后管芯溫度一般還在50～60℃，根據(jù)前面所分析，管芯和外界環(huán)境存在溫差ΔTm，管芯的表面和管芯內(nèi)部的混凝土間存在溫差ΔTd，由于管芯除承口部位受地面磨擦外再沒有任何約束，因此一般不會產(chǎn)生整體收縮溫度裂縫；而管芯由于受施工工藝影響仍需保持直立狀態(tài)，此時只有頂口露天，內(nèi)部相對封閉，因此管芯內(nèi)壁混凝土散熱慢，ΔTd值較小，而管芯外壁混凝土的ΔTd值則相對大，因此管芯外壁混凝土表面開裂的可能性要比內(nèi)壁大的多。

在外界溫度與蒸養(yǎng)溫差較大或遭遇急驟降溫天氣時，管芯蒸養(yǎng)結(jié)束降溫過程中，管芯混凝土外壁產(chǎn)生較大的溫差 ΔTd，當(dāng) ΔTd達(dá)到8～14℃時，混凝土的表層溫度應(yīng)變εt為：

而混凝土的極限拉伸值較小，一般在50×10-6～100×10-6間，所以管芯外壁極易發(fā)生開裂。

2.3 本項(xiàng)目管芯外壁縱向裂縫特征分析

裂縫集中在插口端部外壁自上而下延伸、寬度由上自下逐漸縮小并消失；長度從0.2 m到4.0 m不等，長度、寬度和深度分布規(guī)律成正比，多數(shù)為淺表層，極少數(shù)為深度穿透性；插口端部外壁裂縫深度約5～7 mm，而至管身處一般為1～2 mm；寬度在初期一般不超過0.25 mm，放置一段時間后寬度會增加，且長度也隨之延長。

因三個單位均選用低堿水泥，且C3A成分控制在8%以下，所以不再考慮材料選用的影響。據(jù)此分析，產(chǎn)生管芯縱向裂縫原因可能來自于以下幾方面：

管芯組成的鋼性材料在脫模瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，使混凝土產(chǎn)生裂縫。

混凝土溫度裂縫和干縮裂縫。從裂縫的方向分析，裂縫自上而下。裂縫始端寬度大于裂縫末端寬度，這是溫度裂縫典型的表現(xiàn)。主要是因?yàn)槊撃：蟮幕炷僚c環(huán)境之間產(chǎn)生較大溫差，混凝土應(yīng)力發(fā)生突變，故而產(chǎn)生溫度裂縫。而環(huán)境濕度偏低易形成混凝土的干縮裂縫。

立式澆注振動成型工藝。大直徑PCCP多采用立式澆注工藝，細(xì)骨料及水泥漿在澆筑時受振動的影響會產(chǎn)生向上集中現(xiàn)象，造成管芯插口部混凝土骨料相對較少，強(qiáng)度相對較低，所以小裂縫全部集中在上端部。

工裝質(zhì)量造成管芯裂縫。管模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，各部位之間銜接是否受力平衡也影響到管芯各種裂縫的出現(xiàn)。如：內(nèi)模合縫部位受力不平衡會造成混凝土內(nèi)壁縱向裂縫。

外力損傷產(chǎn)生裂縫。PCCP生產(chǎn)過程，管芯需要經(jīng)過多次吊裝才能完成制造，鋼制吊具的就位磕碰、堆放的磕碰等均有可能造成裂縫，但這類裂縫的形成一般寬度較大。

3 控制管芯裂縫的技術(shù)和措施

3.1 管芯混凝土的溫度及干縮裂縫控制措施

（1）原材料的選擇和存放

水泥的選擇和溫度控制：盡量采用水化熱低的水泥；同時為了保證高溫季節(jié)混凝土的溫控質(zhì)量，對進(jìn)廠水泥在入罐前進(jìn)行溫度控制。采用散裝水泥時，其入罐溫度應(yīng)控制在65℃以下，否則打入水泥罐后溫度還會繼續(xù)升高，實(shí)測溫度曾高達(dá)75℃，這將會直接影響攪拌站出機(jī)口混凝土的溫度。降低骨料溫度措施：骨料場設(shè)貯料隔倉分別堆放，隔倉堆料平均堆高不宜過高（減少存量）。盡量避免材料的囤積，防止骨料長期暴曬；必要時對骨料堆放場可采取搭建涼棚等措施。

（2）施工工藝及標(biāo)準(zhǔn)控制

通過對混凝土成型的工藝分析，混凝土振動成型過程中富集的凈漿堆積在混凝土的表層，造成該部位混凝土強(qiáng)度偏低。因此，在常規(guī)控制混凝土成型的原材料溫度、混凝土澆筑溫度的前提下，針對管道結(jié)構(gòu)特性，管芯成型時標(biāo)準(zhǔn)振動時間為60±10 min（混凝土20～26 m3），要求在保證排氣充分情況下避免過度振動形成浮漿過多，同時控制混凝土拌和的塌落度（夏季90～110 mm、低溫季節(jié)70-90 mm）。在管芯養(yǎng)護(hù)時充分利用水泥水化熱，嚴(yán)格控制前期的靜停時間和升溫周期，控制混凝土入倉溫度不超過32℃，并盡可能降低該溫度指標(biāo)。炎熱天氣應(yīng)盡可能采用自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時罩內(nèi)環(huán)境溫度控制在40～50℃間。管芯靜停時即在插口端面，外露混凝土的位置覆蓋棉紗布用以保濕，并于整個養(yǎng)護(hù)過程，養(yǎng)護(hù)罩整體覆蓋表面，間歇灑水保濕降溫，滿足端面混凝土的濕度要求和降低管芯養(yǎng)護(hù)時水泥水化散熱造成的環(huán)境溫度過高的現(xiàn)象。澆注端面混凝土?xí)r，盡可能提高該處的混凝土強(qiáng)度，以控制塌落度下限為原則。低溫季節(jié)養(yǎng)護(hù)的恒溫階段分2階段進(jìn)行，前半段恒溫40～52℃，后半段應(yīng)控制溫度在32～40℃間，防止降溫時間過長或脫模溫差過大造成混凝土溫度裂縫。

低溫季節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)：①對使用材料預(yù)熱，確?；炷涟韬蜏囟炔坏陀?℃；②拌和用水通蒸汽升溫，保持水溫60℃左右；③骨料倉保溫不低于10℃；④標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間不低于16 h。⑤脫模溫差小于20℃，脫模強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%。⑥禁止管芯水養(yǎng)。

（3）炎熱季節(jié)的具體控制措施

控制混凝土坍落度：在夏季高溫條件下，混凝土的坍落度損失是比較明顯的。而水分蒸發(fā)是其最主要原因?？刂扑终舭l(fā)就可降低坍落度損失，具體措施：①縮短澆筑時間，可使其坍落度損失不低于原坍落度的90%。②采用緩凝性減水劑改善混凝土和易性，以利振搗密實(shí)。

控制混凝土的溫度減少塑性收縮開裂?？梢圆扇∫韵麓胧孩傧蚬橇隙阎袨⑺?，利用水分蒸發(fā)以促進(jìn)骨料降溫來降低混凝土的溫度。該方法可使骨料溫度下降3～5℃，以利于降低混凝土攪拌后的溫度。②用冷水或冰水來代替部分拌和水，在環(huán)境溫度30～35℃時，采用5℃的冷水拌和，可降低混凝土出倉溫度4～5℃；10℃的冷水拌和，可降低混凝土出機(jī)溫度2～3℃。③盡量在夜間澆筑混凝土，因夜間溫度變化相對較少，同時，混凝土終凝可控制在日出前后，這時空氣中的相對濕度是一天中最高的，可以避免混凝土的早期干燥和開裂。④控制好溫差，包括混凝土與外界的溫差及混凝土內(nèi)部與表面的溫差。管芯脫模時先脫內(nèi)模養(yǎng)護(hù)，而后再脫外模，這樣既加快提高了強(qiáng)度，又使管芯從內(nèi)冷卻。⑤為防止表面裂縫引發(fā)縱向裂縫，可采取調(diào)整混凝土表面溫濕度的措施。管芯靜停時，在插口端面外露混凝土的位置覆蓋大布以達(dá)到保濕之功效，并在整個養(yǎng)護(hù)過程中，養(yǎng)護(hù)罩整體覆蓋表面，間歇灑水保濕，滿足端面混凝土的濕度要求。⑥應(yīng)盡可能采用管芯自然養(yǎng)護(hù)的方法，并保證養(yǎng)護(hù)時管芯環(huán)境溫度控制在40～50℃。如溫度過高，可進(jìn)行水養(yǎng)降溫以降低管芯養(yǎng)護(hù)時水泥水化散熱造成的環(huán)境溫度過高的現(xiàn)象。⑦優(yōu)先采用水養(yǎng)方法連續(xù)養(yǎng)護(hù)。在管芯澆注后的前一兩天，應(yīng)保證管芯處于充分濕潤的狀態(tài)，一周內(nèi)堅(jiān)持經(jīng)常灑水保持濕潤，后14天采用間斷養(yǎng)生的養(yǎng)護(hù)法。

3.2 其他原因的裂縫控制

由于管模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工質(zhì)量一定程度上會引發(fā)管芯裂縫的出現(xiàn)，建議管道制造單位對工裝設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，要求改進(jìn)后管模組模后的力量分配均衡，尤其是上壓蓋就位時與內(nèi)外模尺寸配合要精確，合縫螺桿壓緊裝置鎖緊時的密閉質(zhì)量要好，避免模具合縫處在混凝土溫度效應(yīng)和焊道應(yīng)力的影響下，成為應(yīng)力釋放的薄弱點(diǎn)。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過以上裂縫控制措施使裂縫的發(fā)生率從生產(chǎn)初期的7%降低到1%，起到了非常好的效果。為加快工程進(jìn)度和質(zhì)量控制，除文中提及的措施外，還需要根據(jù)工程所在地的環(huán)境條件（溫度、濕度）和當(dāng)?shù)夭牧希ü橇?、水泥）使用情況，從混凝土配合比、管芯模具、澆筑工藝、養(yǎng)護(hù)、脫模等各環(huán)節(jié)進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)質(zhì)量研究、改進(jìn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。