PCCP內(nèi)層混凝土裂縫濕脹自愈原型試驗(yàn)研究

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(guò)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(huì)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(guò)對(duì)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(hào)：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(jiǎn)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(zhǎng)度約670km，約占輸水管道總長(zhǎng)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(huì)影響PCCP的強(qiáng)度。但當(dāng)裂縫寬度較大而不修補(bǔ)時(shí)，會(huì)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(guó)水行業(yè)協(xié)會(huì)研究基金報(bào)告顯示[3]，美國(guó)在1942-2006年共發(fā)生399次PCCP爆管事故。

針對(duì)PCCP內(nèi)層混凝土裂縫可能產(chǎn)生的危害，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)多少時(shí)需要修補(bǔ)等問(wèn)題還缺乏深入的研究，特別是未對(duì)大尺度原型PCCP內(nèi)層混凝土進(jìn)行過(guò)濕脹試驗(yàn)。因此，通過(guò)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(duì)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(guó)水工協(xié)會(huì)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(guó)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(guó)國(guó)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(guó)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(duì)PCCP內(nèi)層混凝土環(huán)狀螺旋裂縫遇水自愈能力認(rèn)識(shí)的差異，也就是說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外的研究還沒(méi)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(guó)水行業(yè)協(xié)會(huì)的《管道手冊(cè)》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(lái)的氫氧化鈣會(huì)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(shuō)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(duì)混凝土裂縫濕脹自愈的認(rèn)識(shí)，而沒(méi)有具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

化學(xué)自愈雖對(duì)裂縫自愈抗?jié)B有一定作用，但需要時(shí)間較長(zhǎng)、可靠性較差。現(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(wú)約束條件下的混凝土濕脹試驗(yàn)研究。黃國(guó)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(guò)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(duì)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(yáng)縣境內(nèi)的浙江巨龍管業(yè)股份有限公司原陽(yáng)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(zhǎng)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(hào)：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(cè)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(cè)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(cè)臺(tái)；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(cè)臺(tái)。

（5）測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)裂縫寬度并記錄。

（6）檢測(cè)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(cè)點(diǎn)布置見圖1，不同浸泡時(shí)間裂縫寬度測(cè)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(cè)點(diǎn)布置見圖2，不同浸泡時(shí)間裂縫寬度測(cè)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(cè)點(diǎn)、75d齡期PCCP的1#檢測(cè)點(diǎn)位于PCCP插口端附近，75d齡期PCCP的24#～26#檢測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；εim為檢測(cè)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(cè)點(diǎn)未浸泡時(shí)的裂縫寬度，aim為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)浸泡m天時(shí)的裂縫寬度；li為檢測(cè)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(huì)發(fā)生濕脹變形，其原因是水泥凝膠體吸水后，水分子會(huì)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?cè)酱?，越接近自由濕脹?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(shuō)，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(huì)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(guó)國(guó)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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