預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的預(yù)應(yīng)力裂縫、愈合機(jī)理及其界限

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，供水工程對(duì)輸水管材的質(zhì)量要求也日益提高。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管作為以混凝土為基材的薄壁制品，與其他混凝土薄壁制品一樣，在制造、使用階段，因物理和機(jī)械作用，當(dāng)混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土?xí)霈F(xiàn)各種類型的裂縫。本文對(duì)可能出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力裂縫的定義、特征、產(chǎn)生原因、“愈合”機(jī)理及界限進(jìn)行分析和闡述。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管；預(yù)應(yīng)力裂縫；愈合機(jī)理文章編號(hào)：2095-4085（2024）05-0215-03

0引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe簡(jiǎn)稱PCCP）是一種在帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，再在其上噴制致密的水泥砂漿保護(hù)層而制成的管子。管材中內(nèi)襯或埋置的鋼筒起著提高管身抗?jié)B和傳遞由外荷載產(chǎn)生的縱向力的作用；管芯混凝土起著保護(hù)鋼筒管身不受侵蝕和增加管材剛度的作用；而纏繞在混凝土管芯外的預(yù)應(yīng)力鋼絲則主要起著承受內(nèi)、外荷載的作用。復(fù)合后的管材保留了鋼管的高抗?jié)B性和預(yù)應(yīng)力混凝土管的耐久性等優(yōu)點(diǎn)，克服了鋼管的耐久性差、使用壽命短、外力作用下柔性變形大和預(yù)應(yīng)力混凝土管承載能力小等缺點(diǎn)。特別是復(fù)合后的管材采用的是鋼制承插口圈、滑動(dòng)膠圈柔性密封，更是進(jìn)一步提高了管材接頭的密封性和可靠性，使得PCCP成為一種充分發(fā)揮兩種不同類型管材特性的新型輸水管材。因此自PCCP問(wèn)世以來(lái)，很快在世界各國(guó)的大口徑、高工壓、長(zhǎng)距離的輸水工程中得到了廣泛應(yīng)用，也是我國(guó)南水北調(diào)使用的主要管材之一。

與預(yù)應(yīng)力混凝土管（SYG）不同，由于PCCP管材結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，世界各國(guó)的PCCP標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了當(dāng)出廠管材內(nèi)壁出現(xiàn)工藝性裂縫時(shí)，若裂縫的寬度在一定的范圍之內(nèi)仍視為合格，可以不予修補(bǔ)。并認(rèn)為管材安裝使用后，在一定條件下這些裂縫會(huì)逐漸自動(dòng)愈合。PCCP出廠管內(nèi)壁出現(xiàn)的工藝性裂縫中最常見(jiàn)的是預(yù)應(yīng)力裂縫（Prestress Cracking）。

本文將闡述可能出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力裂縫的定義、特征、產(chǎn)生原因、“愈合”機(jī)理及界限。

1預(yù)應(yīng)力裂縫的定義和特證

預(yù)應(yīng)力裂縫（Prestress Cracking）是指因施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力在管材混凝土中產(chǎn)生的局部縱向拉應(yīng)力所引發(fā)的環(huán)向裂縫。環(huán)向裂縫通常出現(xiàn)在自PCCP承、插口端部起300mm區(qū)段處，大部分發(fā)生在插口端，此時(shí)裂縫呈環(huán)狀，其寬度在1.5mm以下。此類裂縫大部分在管子堆放期間出現(xiàn)。偶而在管身上也會(huì)出現(xiàn)呈環(huán)狀或螺旋狀的裂縫。

PCCP作為以混凝土為基材的薄壁制品，與其他混凝土薄壁制品一樣，在制造、使用階段，因物理和機(jī)械作用，當(dāng)混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土?xí)霈F(xiàn)各種類型的裂縫。其中有因管材設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上的原因，在使用時(shí)內(nèi)、外荷載作用下管材變形而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性裂縫；有生產(chǎn)過(guò)程中因工藝原因，在管材上出現(xiàn)的如干縮裂縫、溫差裂縫和預(yù)應(yīng)力裂縫等工藝性裂縫［1］。

2預(yù)應(yīng)力裂縫的成因及危害

（1）按照PCCP生產(chǎn)工藝的要求，混凝土管芯外側(cè)需纏繞一層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲。纏絲時(shí)，纏絲區(qū)段受環(huán)向壓縮使得該區(qū)段的管體縮小，與之相鄰的未纏絲區(qū)段則力圖阻止管體縮小變形。因此在管體的纏絲區(qū)段與未纏絲區(qū)段交界處的一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生縱向的局部彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力在管體正在纏絲的部位最大，并隨著纏絲的方向在管體上向前推移。纏絲結(jié)束后，如果管體全長(zhǎng)均呈環(huán)向均勻壓縮，則在管壁中的縱向彎曲應(yīng)力會(huì)全部消失。由于PCCP鋼筒兩端的承、插口鋼圈與鋼筒筒體的厚度不同，在交界處有一明顯的過(guò)渡變截面，因此纏絲時(shí)該區(qū)段的管體并非均勻壓縮，從而存在縱向彎距并引起不會(huì)自行消失的縱向拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力大于管內(nèi)壁混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在該區(qū)段的內(nèi)壁混凝土就會(huì)出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

（2）預(yù)應(yīng)力裂縫的危害與控制要求。因纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，管體非均勻壓縮在該區(qū)段產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力是采用外纏環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋工藝時(shí)必然產(chǎn)生的工藝應(yīng)力。采用同樣工藝的三階段預(yù)應(yīng)力混凝土管（SYG），在承插口段也存在相同的縱向拉應(yīng)力。但由于SYG承受內(nèi)、外荷載能力較PCCP低，施加在YYG管壁上的環(huán)向預(yù)應(yīng)力值較PCCP小，一般在該段產(chǎn)生的縱面拉應(yīng)力小于該段砼的極限抗拉強(qiáng)度。而且，由于SYG管材抗?jié)B完全取決于管壁混凝土的密實(shí)度，一旦上述工藝應(yīng)力使混凝土管壁開(kāi)裂，就會(huì)引起管材的滲漏，從而使管材喪失其使用功能。為保證管材的使用功能，在SYG的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或有關(guān)規(guī)范中規(guī)定，絕對(duì)不允許管體有一點(diǎn)裂縫。

如前所述，PCCP管材的抗?jié)B主要由內(nèi)襯或嵌埋在管壁的鋼筒所承擔(dān)。由于在管壁上施加較高的環(huán)向預(yù)應(yīng)力值使管壁混凝土產(chǎn)生的微細(xì)裂縫并不會(huì)引起管材的滲漏，仍能保持其使用功能，因此通常允許在非均勻壓縮區(qū)段產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力略大于該區(qū)段混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。即如果裂縫的寬度在規(guī)定的范圍內(nèi)，管材仍能夠保持其使用性能，并達(dá)到PCCP承受內(nèi)、外荷載能力高的效果。

3裂縫“愈合”的機(jī)理

實(shí)踐證明，在一定條件下，因上述工藝應(yīng)力而在管壁混凝土上產(chǎn)生的裂縫還具有自“愈合”的能力。“愈合”是一個(gè)物理和化學(xué)作用的復(fù)合過(guò)程，其主要機(jī)理如下。

3.1物理作用

如前所述，PCCP纏絲過(guò)程中的管體非均勻壓縮段產(chǎn)生的環(huán)向裂縫，通常發(fā)生在管材的插口與承口端附近300mm左右區(qū)段，管材非均勻壓縮導(dǎo)致該段的截面產(chǎn)生由圓形至橢圓形的變形。由于PCCP的承插口配合采用的是公差配合、橡膠圈滑動(dòng)密封（承插口的配合間隙在2mm左右），當(dāng)管材對(duì)接后，插口槽內(nèi)的膠圈受承口工作面的限制所產(chǎn)生的反彈力，會(huì)使承、插口段非均勻壓縮變形減小，截面逐步恢復(fù)至圓形，導(dǎo)致該區(qū)段管壁砼上的裂縫寬度減小，甚至“消失”，從而達(dá)到“愈合”的效果。

3.2化學(xué)作用

試驗(yàn)表明，按通常條件攪拌成型的混凝土在空氣中養(yǎng)護(hù)時(shí)，受水化反應(yīng)界面和水份滲透速度的限制，混凝土中有約30%～40％的水泥未得到充分水化，甚至未參與水化。一旦改變水化反應(yīng)的條件，未得到充分水化或未水化的水泥仍會(huì)繼續(xù)水化。長(zhǎng)期浸水養(yǎng)護(hù)混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于空氣中養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度就是一個(gè)例證。

PCCP管壁混凝土產(chǎn)生微細(xì)裂縫后，在供水充分的前題下，混凝土的開(kāi)裂增加了該處水泥水化的反應(yīng)界面，而管中的內(nèi)壓又加快了水份的滲透速度，因此該處混凝土中未得到充分水化或未水化的水泥將繼續(xù)水化。水泥水化時(shí)水泥中的C3A與CaSO4生成含有32個(gè)結(jié)晶水的鈣礬石（3C3A CaSO4.32H2O）針狀結(jié)晶，體積膨脹，而水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)方向?qū)⒊拗谱钚〉牧芽p空間展開(kāi)，隨著水化的深入，水化產(chǎn)物會(huì)逐漸填滿裂縫，使裂縫達(dá)到“愈合”。由于化學(xué)作用“愈合”的速度很慢，且取決于許多外界的因素與條件。因此，PCCP管內(nèi)壁混 "凝土微細(xì)裂縫的“愈合”主要是物理作用。

混凝土微細(xì)裂縫的“愈合”及其產(chǎn)生機(jī)理，一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論不休的課題。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的論證與試驗(yàn)，目前學(xué)術(shù)界已普遍接受在一定的條件下微細(xì)裂縫可以自行“愈合”的結(jié)論。美國(guó)AWWA對(duì)PCCP工藝裂縫的態(tài)度即為一個(gè)例證，該會(huì)C301標(biāo)準(zhǔn)（84年版）鑒于當(dāng)時(shí)仍有爭(zhēng)議，所以未涉及此問(wèn)題，但94年修訂版中已明確確認(rèn)了裂縫的“愈合”，并列入了標(biāo)準(zhǔn)的前言說(shuō)明。

電化學(xué)的鈍化原理表明浸泡在PH＞10的溶液中的鋼材，其表面會(huì)形成一層鈍化膜，阻止鋼材遇水后的銹蝕。在PCCP管內(nèi)壁裂縫處，未水化或未全部水化的水泥遇水水化時(shí)釋放出的CaO與水反應(yīng)生成Ca（OH）2，由于裂縫的空間很小，會(huì)在該處很快形成一個(gè)穩(wěn)定的高堿性環(huán)境（pH=12）。以最不利情況考慮，假設(shè)裂縫已到達(dá)內(nèi)埋鋼筒的表面（實(shí)際上很少會(huì)發(fā)生此情況），由于鋼筒表面在堿性環(huán)境中形成了鈍化膜，也還會(huì)阻止鋼筒的銹蝕。只要環(huán)境不發(fā)生巨大的變化，鋼筒就不會(huì)銹蝕破壞，嵌埋在鋼筋混凝土中的預(yù)埋件遇水不會(huì)銹蝕也即是這個(gè)原理。

4PCCP管內(nèi)壁預(yù)應(yīng)力裂縫的界限

美國(guó)AWWA前主席Mr. Neubauer早在1975年就曾以書(shū)面形式向美國(guó)的有關(guān)主管部門陳述以下結(jié)論：“我們認(rèn)為管子（預(yù)應(yīng)力）裂縫未在AWWA C301中特別調(diào)的原因是：一則很難確定該裂縫的程度和長(zhǎng)度，再則這些裂縫從來(lái)就不曾是影響管子質(zhì)量的問(wèn)題”，“可以說(shuō)PCCP由于管內(nèi)壁（預(yù)應(yīng)力）裂縫而影響其質(zhì)量的情況，在過(guò)去三十年中是微乎其微的，在管子生產(chǎn)中出現(xiàn)微細(xì)的（預(yù)應(yīng)力）裂縫是極自然的現(xiàn)象，這種裂縫不會(huì)導(dǎo)致管子的失敗，除非管子本身結(jié)構(gòu)有問(wèn)題，一旦管子安裝通水后，微細(xì)裂縫就會(huì)自然愈合。”

如前所述，決定裂縫愈合速度的因素很多，其中裂縫寬度是一個(gè)很主要的因素，為此世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)均列出了裂縫的寬度。鑒于目前國(guó)內(nèi)PCCP的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，現(xiàn)將美國(guó)Price Brothers公司五十年P(guān)CCP生產(chǎn)所積累的經(jīng)驗(yàn)和AFWA認(rèn)可的管內(nèi)環(huán)向或螺旋狀裂縫的允許寬度轉(zhuǎn)述如下：成品管內(nèi)部出現(xiàn)的環(huán)向裂縫和螺旋狀裂縫寬度不大于0.5mm；距管子插口端300mm出現(xiàn)在管身的環(huán)向裂縫的寬度不大于1.5mm；成品管內(nèi)壁沿管子縱軸線的平行線成15。夾角范圍內(nèi)出現(xiàn)的長(zhǎng)度不大于150mm縱向可見(jiàn)裂縫均不需要修復(fù)。

根據(jù)我國(guó)PCCP管材生產(chǎn)與使用的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)裂縫寬度小于上述條件時(shí)，在使用條件下裂縫會(huì)自然愈合而不會(huì)影響PCCP的使用功能，裂縫的長(zhǎng)度對(duì)愈合沒(méi)有任何影響，所以不予專門的規(guī)定。

據(jù)美國(guó)Price Brothers公司對(duì)1945年至1994年五十年生產(chǎn)的PCCP使用情況的調(diào)查，按照上述裂縫判別條件生產(chǎn)的管材完全可以符合用戶的要求。此間PB公司向北美地區(qū)供應(yīng)了超過(guò)7800km的多種口徑PCCP管材，服務(wù)于超過(guò)6 000個(gè)工程項(xiàng)目。迄今為止，僅有20個(gè)項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中因特殊情況需要更換管材。值得一提的是，即便在需要更換的極少數(shù)情況下，所更換的管材數(shù)量也極為有限，總計(jì)僅更換了30根，且沒(méi)有任何一個(gè)項(xiàng)目的更換數(shù)量超過(guò)3根。這一數(shù)據(jù)充分表明，PB公司供應(yīng)的PCCP管材項(xiàng)目出事率低于0.33％，而管材的更換率更是低至0.002％以下。我國(guó)的第一條PCCP生產(chǎn)線是由山東電力管道工程公司與1988年首家引進(jìn)，先后承擔(dān)了多條大型輸水管道工程（包括山西萬(wàn)家寨引黃調(diào)水工程、哈爾濱磨盤山引水工程等），PCCP管道最長(zhǎng)安全運(yùn)行30年左右時(shí)間，均未出現(xiàn)因裂縫而出現(xiàn)的工程質(zhì)量問(wèn)題，上述調(diào)查也從一個(gè)側(cè)面反映了PCCP的可靠性。

5結(jié)語(yǔ)

（1）PCCP的預(yù)應(yīng)力裂縫是指施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力在管材混凝土中產(chǎn)生的局部縱向拉應(yīng)力引發(fā)的環(huán)向裂縫；通常出現(xiàn)在管端承、插口段300mm區(qū)域內(nèi)，少數(shù)也會(huì)出現(xiàn)在管身。

（2）在安裝使用過(guò)程中，該裂縫會(huì)自行“愈合”，“愈合”是一個(gè)物理和化學(xué)的復(fù)合過(guò)程，以物理作用為主。裂縫未愈合前，由于在該處會(huì)因水泥水化形成一個(gè)穩(wěn)定的堿性環(huán)境，因此鋼筒表面會(huì)形成一層鈍化膜，從而阻止鋼筒的銹蝕。

（3）裂縫“愈合”的條件：充分的水化條件和水份滲透速度；采用公差配合接合的承插口、橡膠圈滑動(dòng)密封接頭；裂縫寬度應(yīng)小于1.5mm。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄧凱斌.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管內(nèi)壁裂縫原因調(diào)查及處理措施研究［1］.水利建設(shè)，2019（9）：59-60.