摘要：預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是指在帶有鋼筒的高強度混凝土管芯上纏繞環(huán)向預應力鋼絲，再在其上噴制致密的水泥砂漿保護層制成的輸水管。是一種將高強預應力鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的抗?jié)B有機結合在一起，具備高強度、高抗?jié)B和高密封性的符合型管材，能夠滿足長距離輸水干線、城市供水工程等多行業(yè)工作需要。避免該管道生產中出現的各種裂縫，將對該管道的使用提供質量保證。

　　關鍵詞：預應力,鋼筒,混凝土管,PCCP,裂縫,抗裂試驗

　　隨著我國綜合國力的增加和環(huán)境保護意識的日益提高，采用封閉、有壓輸水必將成為發(fā)展的主流，PCCP管已經廣泛使用于我國的水利、電力、市政給排水等多個領域，市場前景非常廣闊。

　　河北興水管業(yè)有限公司開展了PCCPDE3200x5000/P0.6/H2埋置式預應力鋼筒混凝土管的技術研發(fā)。項目研發(fā)過程中，攻克了管子裂縫、管芯澆筑的技術難題，研制并生產出符合現行質量技術標準的PCCP管材。

　　一、管材結構形式

　　PCCP是由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土構成的復合管材，是預應力鋼筒混凝土管（PRESTRESSEDCONCRETECYLINDERPIPE）的英文縮寫。這種管材是在帶鋼筒的混凝土管芯上環(huán)向纏繞預應力鋼絲，最后在管外部施噴水泥砂漿保護層而制成的。結構形式詳見圖

　　圖PCCP-E標準結構圖

　　圖PCCP-E埋置式預應力鋼筒混凝土管

　　埋置式預應力鋼筒混凝土管（PCCP-E），是將鋼筒埋置在管芯混凝土里面，然后在管芯混凝土上纏繞環(huán)向預應力鋼絲后輥射沙漿保護層。

　　二、PCCP的技術、經濟特性

　　PCCP具有設計方法先進、安全，承受高的內壓和外荷載，良好的抗?jié)B性及耐久性，接頭密封好，耐腐蝕性能好，較高的通水能力，安裝速度快，PCCP半剛性接頭對地基適應性好等技術經濟特性。

　　三、產品質量指標

　　產品外觀質量，接頭配合尺寸、公差，管芯厚度及混凝土／砂漿實際強度、砂漿保護層表面吸水性或保護層砂漿吸水率及成品管表面裂縫等其他相關指標質量均符合《預應力鋼筒混凝土管》GB/T19685-2005標準。

　　四、項目研發(fā)中攻克的難點

　　4.1管子裂縫

　　目前PCCP同行業(yè)內制作難點是裂縫的控制，尤其是插口端部的環(huán)縫問題如何避免是最大的難點。通過對國內PCCP生產企業(yè)的情況調查，裂縫形式主要有以下幾種：

　　①管芯混凝土內壁或外壁出現的環(huán)向裂縫或螺旋狀裂縫；

　�、诠苄緝缺诰喙茏硬蹇诙�300mm范圍內出現的環(huán)向裂縫，裂縫長度通常為管子內壁周長的2/3至整圈。

　�、酃苄净炷�土內壁或外壁出現的縱向裂縫；

　�、芡獗Ｗo層砂漿出現的微裂縫。

　　4.1.1裂縫的種類與成因分析

　　根據裂縫出現的時間劃分，可分為纏繞環(huán)向預應力鋼絲前出現在混凝土管芯上的裂縫、纏繞環(huán)向預應力鋼絲后出現在管芯混凝土上的裂縫和場內堆放、儲存期間管芯混凝土和水泥砂漿保護層上出現的裂縫。雖然成因各不相同，但都可看作是管芯混凝土或保護層水泥砂漿出現的變形受到限制（約束）而在混凝土（砂漿）內部產生應力。該應力值與混凝土（砂漿）內部結構的剛度大小有關，當應力值超過一定數值后才出現裂縫。一旦出現裂縫，變形則得到滿足或部分滿足，同時混凝土內部結構的剛度逐步下降，應力也相應發(fā)生松弛。因此，裂縫的出現與擴展不是同一時間內完成的，而是一個傳遞、多次產生與擴展的過程。

　�。�1）纏繞環(huán)向預應力鋼絲前出現在混凝土管芯上的裂縫

　　此期間出現的裂縫主要有：

　　1）沉縮裂縫

　　澆筑混凝土管芯時，因混凝土流動性不足或流動性過大，且硬化前振動不充足，使其沉降不足或沉降不勻，就會在管芯表面出現裂縫。此裂縫在混凝土澆筑振動成型結束后2h內，混凝土尚處于塑性階段時已經出現，管芯蒸養(yǎng)時水分大量蒸發(fā)，混凝土產生收縮，在管芯錨固座預埋件或擋塊位置處產生的收縮和不均勻沉降遠大于管芯其他部位，從而在該處產生裂縫。因其產生的原因主要是混凝土的沉降與收縮，故稱為沉縮裂縫。

　　裂縫寬度一般在0.3mm以上，最大可至10mm左右，其特點是裂縫出現后不因受到其他自然力（濕度）或非自然力（荷載）等的作用而發(fā)生寬度與長度的擴展，是一種穩(wěn)定性裂縫。

　　2）溫差裂縫

　　為縮短預應力鋼筒混凝土管的（PCCP)的生產周期，提高生產效率，國內外的PCCP廠家普遍都采用蒸汽養(yǎng)護工藝加速管芯混凝土的硬化。蒸養(yǎng)時，由于水泥早期水化熱較大及水化熱溫度峰值集中，如蒸養(yǎng)溫度過高，混凝土中的水分蒸發(fā)過快或拆模時管芯表面與周圍介質的溫差過大，都會在管芯表面出現由溫度變化引發(fā)的溫差裂縫。此類裂縫出現在管芯外表面時，裂縫呈縱向，一般在管模外模的合縫附近；出現在管子內表面時，裂縫呈環(huán)向，一般在插口端管芯橫截面發(fā)生變化處。裂縫初期的寬度僅0.2-0.3mm，隨著時間的推移受周圍介質、濕度的影響產生干縮應力，是裂縫逐漸擴展與延伸，縱向裂縫從插口端延伸至管芯全長，環(huán)向裂縫則會從一段延伸至整環(huán)，寬度也會擴展至2mm，是一種隨時間變化的不穩(wěn)定裂縫。

　　3）纏繞環(huán)向預應力鋼絲時管芯出現的裂縫

　　在管壁厚度不變的管芯從管端纏繞環(huán)向預應力鋼絲時，纏絲區(qū)段產生徑向壓縮，而未纏絲區(qū)段則阻止其變形。這樣，在已纏絲區(qū)段與未纏絲區(qū)段的交界處以及附近相當長范圍內會產生縱向彎曲力矩，使管道縱向小條發(fā)生縱向彎曲應力。

　　隨著纏繞的進展，管壁縱向小條產生的彎曲力矩的大小與方向也隨之改變。隨著纏絲部分的不斷增長，最大彎矩引起的最大拉應力截面也不斷向前移動，即當纏絲在一定長度時，在某一確定的截面內出現最大拉應力，隨著纏絲的進展，在此截面中的拉應力變小，甚至消失、變號，而在另一確定的截面內卻出現最大拉應力值。纏絲結束后，由于管子全長均勻徑向受壓，管壁中臨時出現的最大彎矩，彎曲應力等也隨之消失，這種僅在纏絲過程中出現，纏絲結束后自行消失的應力，稱為臨時應力。

　　實際上PCCPE管芯的插口工作面不纏絲，因此，管芯全長并非是均勻徑向壓縮，在纏絲區(qū)段(管身)與非纏絲區(qū)段(插口段)之間就會殘留纏絲過程建立的臨時應力，從而在非纏絲區(qū)段建立彎曲力矩和拉應力，形成永久應力。當該拉應力值大于該區(qū)混凝土的抗拉強度時，就會在纏絲區(qū)與非纏絲區(qū)的交界處產生內壁環(huán)向裂縫。

　　由臨時應力轉化為永久應力產生的環(huán)向裂縫一般均在插口端300mm段內，剛出現時裂縫的寬度在0.1—0.2mm，在堆放期受干縮及自重的影響會逐步擴展至1.5mm以內并延伸至整環(huán)。

　　4）廠內堆放、儲存期間管材內、外出現的裂縫

　　此期間，由于未及時對管材進行灑水養(yǎng)護，極易在堆儲一個月后在管內壁中部出現環(huán)向干縮裂縫。裂縫的寬度初期在0.1-0.2mm，隨著時間的推遲，裂縫會逐步擴展至1.0-1.5mm。此類裂縫的條數不多，一般僅1-2條，幾乎全部發(fā)生在管子的中段。同時在水泥砂漿保護層上也會因水養(yǎng)不充分而出現肉眼不易觀察到，但遇水后有水印的不規(guī)則的龜裂，裂縫寬度都在0.1mm以下。造成這種裂縫的原因主要是干縮，因此，可統稱為堆儲期管芯上出現的干縮裂縫。

　　5）變形的疊加和裂縫的歸合

　　如上所述，混凝土的裂縫是其變形積累到一定程度后的結果，對PCCPE，產生變形的原因很多，但其變形結果的表現形式，只有環(huán)向與縱向裂縫兩種�；炷�土是一種非勻質材料，因此，即使在同一原因下其變形也是非均勻的。如在混凝土內部結構最薄弱的場區(qū)產生最大的變形，一旦開裂變形能得到局部或全部釋放后，已開裂的部位則成為其他原因產生變形時變形能釋放的優(yōu)選部位，該原理稱之為“應變能的疊加”，其結構形式是裂縫的擴展與延伸，故又稱裂縫的歸合。

　　由此可見，PCCPE混凝土管芯在生產與堆儲期間實際出現的裂縫也絕不是單一原因引發(fā)，而是多項前期原因的綜合體現，我們在制訂預防或減緩裂縫的措施時，就應予以充分的注意。

　　4.1.2防止管材開裂的對策與措施

　　針對上述成因分析，我們在研發(fā)過程中采取如下的措施：

　�。�1）避免環(huán)縫措施

　　環(huán)縫主要是纏絲過程中產生，是由于上PCCPE管芯的插口工作面不纏絲，在纏絲區(qū)段(管身)與非纏絲區(qū)段(插口段)之間就會殘留纏絲過程建立的臨時應力，從而在非纏絲區(qū)段建立彎曲力矩和拉應力，形成永久應力。當該拉應力值大于該區(qū)混凝土的抗拉強度時，就會在纏絲區(qū)與非纏絲區(qū)的交界處產生內壁環(huán)向裂縫。采取的措施主要有兩點。

　　1）增加插口端剛度及強度。

　　鋼筒焊接、試壓后，在插口段鋼筒的內、外壁分別周圈焊接0.3m寬鋼筋網片，防止吊運、裝入管�？呐鲈斐砷_裂，增加鋼筒與插口環(huán)的連接剛度，推遲混凝土裂縫的出現，從而提高該區(qū)段混凝土的極限拉伸值，減免插口端內壁環(huán)縫的出現，防環(huán)裂效果非常好。

　　2）為避免管插口端部內壁的環(huán)縫，在0.4m高度范圍內，混凝土攪拌時加入一定質量分數摻加材料，增強了輕質混凝土的抗折強度和延展性，，非常有效地緩解插口端內壁的環(huán)縫出現。

　　（2）合理選擇附著式風動振動器的頻率與振幅，優(yōu)化內外管模附著式風動振動器的數量及布置方式，以提高管芯混凝土的振動質量。

　　（3）優(yōu)化管芯混凝土的配合比設計，合理地摻加粉煤灰和外加劑，降低單位混凝土中水泥的水化熱峰值，提高混凝土的早期強度值，縮短管芯的中間堆放時間，盡早進入纏絲工序。

　　（4）合理選擇蒸汽養(yǎng)護制度�？刂乒懿牡恼麴B(yǎng)時間。

　　（5）加強對管芯吊具等輔助工裝的檢查、保養(yǎng)與維修。（6）及時并充分地對堆、儲存管材的內壁與保護層進行灑水養(yǎng)護。

　　4.1.3防裂縫措施效果

　　在研發(fā)過程中，經過采用上述的科學合理的措施，管芯混凝土及砂漿保護層的裂縫控制效果非常好，除插口端內壁有極輕微的規(guī)范允許的環(huán)縫外，沒有其他的裂縫出現。

　　4.2管芯澆筑

　　4.2.1澆筑方式

　　共設有兩個全自動化拌合站，攪拌能力為60m3/h,配有一輛混凝土輸送車及兩個混凝土儲料罐。每個罐的容量為3m3。

　　在全自動攪拌站完成攪拌后，下料至儲料罐，用混凝土輸送車將儲料罐運送到裝好模具的澆筑地點，用10噸電動葫蘆門式起重機提升儲料罐到模具的下料錐上方，通過下料錐的中上部立柱頂起混凝土罐底部的彈簧擋片，使混凝土沿著下料錐流入到模具內。

　　4.2.2澆筑要求、存在問題及解決措施

　　采取鋼管內外同時澆筑，改造了導向分流片的寬度和形狀，使內側混凝土的澆筑面高于外側混凝土的澆筑面，并保持約0.5m的高差，防止鋼筒變形。

　　節(jié)省了澆筑時間，節(jié)省了人力，極大地提高了澆筑效率和過程質量。

　　五、結論

　　研發(fā)過程中，通過對預應力鋼筒混凝土管制作過程中常見問題的預先分析研究，并采取有效處理措施，PCCP及配件的缺陷基本得到良好控制和消除，滿足了規(guī)范要求，保證了管道成品及半成品的質量。研制出幾何裝配尺寸、管子的外觀質量、管子的內壓及外壓抗裂試驗都達到規(guī)范質量要求的產品。

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