PCCP管芯外壁纵裂的机理分析与控制

朱茂宏

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 PCCP简述及问题提出

PCCP是预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）的简称，它是指由两端带承插口钢圈的钢筒和钢筒内、外两侧混凝土层组成管芯，并在管芯外壁缠绕预应力高强钢丝，再辊射水泥砂浆保护层而制成的一种复合型管材。管芯混凝土通常采用钢筒内外加设模板、立式浇筑、扶壁式振捣器振捣成型、蒸汽养护而制成。

在生产初期发现部分管芯外壁产生纵向裂缝，经统计三个单位生产了998节、289节和364节管芯，其中各有69节、17节和3节出现纵向裂缝，分别占生产总量的7%、6%和1%，裂缝出现频率超出了同类项目。

2 混凝土裂缝机理和管道裂缝形成的原因分析

2.1 一般结构混凝土裂缝机理

一般结构混凝土产生裂缝原因可归结为以下几个方面：一是温度湿度变化引起的混凝土干缩、温缩变形，受到约束作用所引起的约束拉伸开裂；二是混凝土结构在外力等荷载作用下所引起的裂缝；三是混凝土内部某种化学反应引起的裂缝，主要指碱骨料反应裂缝；四是混凝土在浇筑后呈塑性状态时因收缩或沉降等所引发的开裂。

混凝土干燥收缩变形是其内部的水分变化而引起的，干缩与内部水的存在形式有关，其过程是由表及里逐步发展。由于环境不同，混凝土的干缩由表及里各个层次的脱水程度不同，进而影响到各个层次的干缩应变不同，形成的干缩裂缝就有两种情况，一种是混凝土的贯穿性裂缝，另一种是混凝土的表面性裂缝。

混凝土伴随温度升降要发生胀缩变形，变形量εt取决于温度变化量ΔT和混凝土线膨胀系数 αt，即εt＝αt·ΔT，混凝土的线膨胀系数根据骨料岩性不同而不同，通常取为10×10－6℃-1。温度裂缝与干缩裂缝类似，一种是贯穿性的，一般是由于混凝土结构平均温度的温降幅度ΔTm所引起（εt＝αt·ΔTm）；二是表面性的，多是混凝土的表里温差ΔTd引起（εt＝αt·ΔTd）。

2.2 管道裂缝机理分析

PCCP管芯裂缝产生的主要原因是混凝土的干缩；管芯除高温季节外一般采用蒸汽养护，AWWA.C301规定养护的最高温度为52℃，结束蒸汽养护后管芯温度一般还在50～60℃，根据前面所分析，管芯和外界环境存在温差ΔTm，管芯的表面和管芯内部的混凝土间存在温差ΔTd，由于管芯除承口部位受地面磨擦外再没有任何约束，因此一般不会产生整体收缩温度裂缝；而管芯由于受施工工艺影响仍需保持直立状态，此时只有顶口露天，内部相对封闭，因此管芯内壁混凝土散热慢，ΔTd值较小，而管芯外壁混凝土的ΔTd值则相对大，因此管芯外壁混凝土表面开裂的可能性要比内壁大的多。

在外界温度与蒸养温差较大或遭遇急骤降温天气时，管芯蒸养结束降温过程中，管芯混凝土外壁产生较大的温差 ΔTd，当 ΔTd达到8～14℃时，混凝土的表层温度应变εt为：

而混凝土的极限拉伸值较小，一般在50×10-6～100×10-6间，所以管芯外壁极易发生开裂。

2.3 本项目管芯外壁纵向裂缝特征分析

裂缝集中在插口端部外壁自上而下延伸、宽度由上自下逐渐缩小并消失；长度从0.2 m到4.0 m不等，长度、宽度和深度分布规律成正比，多数为浅表层，极少数为深度穿透性；插口端部外壁裂缝深度约5～7 mm，而至管身处一般为1～2 mm；宽度在初期一般不超过0.25 mm，放置一段时间后宽度会增加，且长度也随之延长。

因三个单位均选用低碱水泥，且C3A成分控制在8%以下，所以不再考虑材料选用的影响。据此分析，产生管芯纵向裂缝原因可能来自于以下几方面：

管芯组成的钢性材料在脱模瞬间产生的应力释放，使混凝土产生裂缝。

混凝土温度裂缝和干缩裂缝。从裂缝的方向分析，裂缝自上而下。裂缝始端宽度大于裂缝末端宽度，这是温度裂缝典型的表现。主要是因为脱模后的混凝土与环境之间产生较大温差，混凝土应力发生突变，故而产生温度裂缝。而环境湿度偏低易形成混凝土的干缩裂缝。

立式浇注振动成型工艺。大直径PCCP多采用立式浇注工艺，细骨料及水泥浆在浇筑时受振动的影响会产生向上集中现象，造成管芯插口部混凝土骨料相对较少，强度相对较低，所以小裂缝全部集中在上端部。

工装质量造成管芯裂缝。管模的结构设计是否合理，各部位之间衔接是否受力平衡也影响到管芯各种裂缝的出现。如：内模合缝部位受力不平衡会造成混凝土内壁纵向裂缝。

外力损伤产生裂缝。PCCP生产过程，管芯需要经过多次吊装才能完成制造，钢制吊具的就位磕碰、堆放的磕碰等均有可能造成裂缝，但这类裂缝的形成一般宽度较大。

3 控制管芯裂缝的技术和措施

3.1 管芯混凝土的温度及干缩裂缝控制措施

（1）原材料的选择和存放

水泥的选择和温度控制：尽量采用水化热低的水泥；同时为了保证高温季节混凝土的温控质量，对进厂水泥在入罐前进行温度控制。采用散装水泥时，其入罐温度应控制在65℃以下，否则打入水泥罐后温度还会继续升高，实测温度曾高达75℃，这将会直接影响搅拌站出机口混凝土的温度。降低骨料温度措施：骨料场设贮料隔仓分别堆放，隔仓堆料平均堆高不宜过高（减少存量）。尽量避免材料的囤积，防止骨料长期暴晒；必要时对骨料堆放场可采取搭建凉棚等措施。

（2）施工工艺及标准控制

通过对混凝土成型的工艺分析，混凝土振动成型过程中富集的净浆堆积在混凝土的表层，造成该部位混凝土强度偏低。因此，在常规控制混凝土成型的原材料温度、混凝土浇筑温度的前提下，针对管道结构特性，管芯成型时标准振动时间为60±10 min（混凝土20～26 m3），要求在保证排气充分情况下避免过度振动形成浮浆过多，同时控制混凝土拌和的塌落度（夏季90～110 mm、低温季节70-90 mm）。在管芯养护时充分利用水泥水化热，严格控制前期的静停时间和升温周期，控制混凝土入仓温度不超过32℃，并尽可能降低该温度指标。炎热天气应尽可能采用自然养护，养护时罩内环境温度控制在40～50℃间。管芯静停时即在插口端面，外露混凝土的位置覆盖棉纱布用以保湿，并于整个养护过程，养护罩整体覆盖表面，间歇洒水保湿降温，满足端面混凝土的湿度要求和降低管芯养护时水泥水化散热造成的环境温度过高的现象。浇注端面混凝土时，尽可能提高该处的混凝土强度，以控制塌落度下限为原则。低温季节养护的恒温阶段分2阶段进行，前半段恒温40～52℃，后半段应控制温度在32～40℃间，防止降温时间过长或脱模温差过大造成混凝土温度裂缝。

低温季节控制标准：①对使用材料预热，确保混凝土拌和温度不低于4℃；②拌和用水通蒸汽升温，保持水温60℃左右；③骨料仓保温不低于10℃；④标准养护时间不低于16 h。⑤脱模温差小于20℃，脱模强度不小于设计强度的70%。⑥禁止管芯水养。

（3）炎热季节的具体控制措施

控制混凝土坍落度：在夏季高温条件下，混凝土的坍落度损失是比较明显的。而水分蒸发是其最主要原因。控制水分蒸发就可降低坍落度损失，具体措施：①缩短浇筑时间，可使其坍落度损失不低于原坍落度的90%。②采用缓凝性减水剂改善混凝土和易性，以利振捣密实。

控制混凝土的温度减少塑性收缩开裂。可以采取以下措施：①向骨料堆中洒水，利用水分蒸发以促进骨料降温来降低混凝土的温度。该方法可使骨料温度下降3～5℃，以利于降低混凝土搅拌后的温度。②用冷水或冰水来代替部分拌和水，在环境温度30～35℃时，采用5℃的冷水拌和，可降低混凝土出仓温度4～5℃；10℃的冷水拌和，可降低混凝土出机温度2～3℃。③尽量在夜间浇筑混凝土，因夜间温度变化相对较少，同时，混凝土终凝可控制在日出前后，这时空气中的相对湿度是一天中最高的，可以避免混凝土的早期干燥和开裂。④控制好温差，包括混凝土与外界的温差及混凝土内部与表面的温差。管芯脱模时先脱内模养护，而后再脱外模，这样既加快提高了强度，又使管芯从内冷却。⑤为防止表面裂缝引发纵向裂缝，可采取调整混凝土表面温湿度的措施。管芯静停时，在插口端面外露混凝土的位置覆盖大布以达到保湿之功效，并在整个养护过程中，养护罩整体覆盖表面，间歇洒水保湿，满足端面混凝土的湿度要求。⑥应尽可能采用管芯自然养护的方法，并保证养护时管芯环境温度控制在40～50℃。如温度过高，可进行水养降温以降低管芯养护时水泥水化散热造成的环境温度过高的现象。⑦优先采用水养方法连续养护。在管芯浇注后的前一两天，应保证管芯处于充分湿润的状态，一周内坚持经常洒水保持湿润，后14天采用间断养生的养护法。

3.2 其他原因的裂缝控制

由于管模的结构设计及加工质量一定程度上会引发管芯裂缝的出现，建议管道制造单位对工装设备进行改进，要求改进后管模组模后的力量分配均衡，尤其是上压盖就位时与内外模尺寸配合要精确，合缝螺杆压紧装置锁紧时的密闭质量要好，避免模具合缝处在混凝土温度效应和焊道应力的影响下，成为应力释放的薄弱点。

4 结论

本项目通过以上裂缝控制措施使裂缝的发生率从生产初期的7%降低到1%，起到了非常好的效果。为加快工程进度和质量控制，除文中提及的措施外，还需要根据工程所在地的环境条件（温度、湿度）和当地材料（骨料、水泥）使用情况，从混凝土配合比、管芯模具、浇筑工艺、养护、脱模等各环节进一步进行技术质量研究、改进，确保产品质量。