预应力钢筒混凝土管内壁环形裂缝的控制

奚 军

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)



预应力钢筒混凝土管内壁环形裂缝的控制

奚 军

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)

针对南水北调工程中预应力钢筒混凝土管(PCCP)内壁易出现的环形裂缝问题，通过分析环形裂缝的成因，探讨了不同的管道生产工艺对裂缝的影响，并提出了生产过程中控制裂缝的一些具体措施. 结果表明：混凝土干缩和缠丝应力是产生内壁环形裂缝的主要原因，一般难以避免，但可以采取优化混凝土配合比、 选取直径较小的钢丝、 提高管芯混凝土缠丝强度，控制强度指标在45 MPa以上、 加强管道内壁养护等措施降低裂缝出现的概率.

预应力钢筒混凝土管； 环形裂缝； 缠丝应力； 缠丝强度

0 引 言

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是在带钢筒的混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并喷涂水泥砂浆保护层而制成的管子. 由于其具有承受内压和外荷载高、 接头密封好、 抗渗性及耐久性好等优点，被大量运用在国内南水北调大口径调水工程中. 由于绝大部分厂家采用钢筒螺旋焊接工艺生产PCCP[1]，使得管道内壁普遍存在环形裂缝，导致管道使用寿命降低，严重时甚至会影响到管芯外侧预应力钢丝，造成预应力钢丝锈蚀、 断裂. 因此，严格控制裂缝显得尤为重要.

欧美等发达国家早在20世纪40年代就开始研究PCCP，对其力学行为、 退化机理、 检测评定和维修加固等进行了系统的研究[2-4]，并通过计算机模拟、 无损伤监测等先进技术来控制裂缝的产生. 我国从80年代开始研究PCCP，在PCCP混凝土裂缝形成的原因和机理上取得了较大进展. 张社荣[5]等人使用有限元模型研究了PCCP在制造、 施工到运行的各个阶段的力学特性. 余洪方等[6]对 PCCP 各种裂缝的产生原因进行了总结，探讨了消除裂缝的具体措施. 胡少伟等[7]进行了原型管道的抗裂外压承载力试验，探讨了预存管芯外壁纵向裂缝对承载力的影响，分析了混凝土管的受力特性，对PCCP抗裂外压试验进行了结构数值模拟. 尽管国内在PCCP混凝土裂缝的控制上取得了较大进展，但由于“国家预应力钢筒混凝土管标准”[8]允许PCCP管芯内壁混凝土存在裂缝，使得减免裂缝和裂缝的诊治处理难度加大.

本文针对河北省南水北调配套工程保沧干渠工程保定段PCCP生产过程中管道内壁出现的环形裂缝进行了成因分析、 不同的管道生产工艺对裂缝影响试验分析，最后提出了相应的控制措施. 这能有效地预防和控制PCCP裂缝的形成，从而提高其使用寿命，对保定段工程(主要担负向曲阳、 定州、 安国、 博野、 蠡县和高阳6个县(市)的7个供水目标的供水任务)的实施具有重要的理论和工程实际意义.

1 管芯内壁环形裂缝的成因

工程第一批成品管道达到出厂要求，在管道出厂验收时，所有管道内壁均发现有螺旋形裂缝，其中个别管道裂缝分布在整个管道内壁，单根裂缝长度近20 m，最大裂缝宽度达到0.35 mm. 按照河北省南水北调工程建设委员会颁布的“河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程PCCP标准管外观质量验收控制标准(试行)”，该批管道中不合标准的管道占成品的18%，这样高的废品率不仅造成了极大的浪费，同时严重影响了管道的生产进度. 管芯内壁产生环形裂缝的主要原因为如下两点：

1) 混凝土的干缩变形. 管道内壁在管芯脱模后暴露于大气环境，干缩变形便开始作用于管道混凝土，尤其在成品管放倒后，内壁不但完全暴露于大气环境，而且通风较好，因此干缩变形在此时发展较快，并随放置时间延长，整体干缩变形不断增大[9]. 对于螺旋焊接钢筒管道，因管芯已存在环向预压应力，其内壁环向干缩变形可以自由发展而减小混凝土的预压应力，不会由于干缩而产生纵向裂缝； 但纵向的干缩变形则受到钢筒中钢板搭接焊缝的约束不能自由发展，同时由于钢板搭接焊缝处内壁混凝土断面厚度减小了1.5 mm(钢板厚度)，成为相对的薄弱断面，因此在该部位易产生由干缩引起的裂缝.

裂缝宽度与干缩变形及钢板宽度直接相关. 当混凝土的干缩变形Es超过其极限拉伸值Etu时，混凝土就沿钢板接缝处拉裂，随干缩变形不断增大，裂缝宽度也逐渐加剧，裂缝宽度始终等于钢板宽度b乘以干缩变形Es. 裂缝宽度还与缝间的垂直距离成正比，螺旋缝宽度Wc=Etu×b[10].

后期养护对管道内壁干缩裂缝的出现和发展也有一定影响[11]，如果养护不到位，会导致管芯内壁混凝土干缩加剧，造成原有裂缝宽度及长度增加，或未出现裂缝的管道出现裂缝.

2) 预应力钢丝缠绕后，在钢筒焊缝部位产生应力集中现象，造成该部位产生螺旋形裂缝[12]. 钢筒焊缝的走向与施加预应力的方向存在约20°的夹角，焊缝限制了内壁混凝土延管周的自由变形，在焊缝附近产生应力集中现象，当拉应力超过混凝土抗拉强度后，延钢板搭接焊缝处的内壁薄弱断面产生裂缝. 尤其在高工况的管道中，缠丝总应力较大，个别管道在缠丝完成后就出现了环形裂缝.

另外，缠丝用预应力钢丝直径较粗，缠丝过程中局部应力过大，也可能造成裂缝的产生[10,13]. 5 mm的钢丝缠丝拉力约21.6 kN，而7 mm的钢丝缠丝拉力约42.3 kN，钢丝拉力相差约1倍. 相同工况下，虽然采用不同直径钢丝产生的最终总应力基本一致，但在缠丝过程中管芯混凝土内部应力变化过程是不一样的. 细直径钢丝对管芯混凝土内部应力变化影响较缓和，使得混凝土适应应力分配时间相对较长，有利于混凝土的整体变形，减少局部应力集中的现象.

2 不同生产工艺对管道裂缝的影响

依据上述裂缝产生的原因，在不影响管道生产质量的前提下，对管道的相关生产工艺的影响因素进行了一系列的对比试验，以确定影响裂缝的主要因素，从而提出有效的控制措施预防和控制裂缝的产生，延长管道的使用寿命.

2.1 钢筒焊接质量及不同工况对管道的裂缝影响

对钢筒焊缝情况进行详细的检查和标识，尤其是焊缝高度较高、 搭接宽度变化较大，以及局部搭接钢板不平整的部位都作为重点在钢筒端部进行标识，以便对成品管相应部位进行后续观察.

该批试验管道共98节，其中内压0.6 MPa，覆土高度3 m工况的管道60节； 内压0.6 MPa，覆土高度5 m工况的管道38节. 不同工况管道裂缝的试验结果如表 1 所示. 通过观察和表 1 可以看出，首先出现裂缝的部位均为焊缝搭接宽度较大及局部搭接钢板不平整的部位，而且覆土5 m的管道最先出现裂缝，裂缝较覆土3 m的管道严重. 随着时间的延长，出现裂缝的管道数明显增多. 7 d后，覆土3 m的有8节管道出现不同程度的裂缝，覆土5 m的有13节出现不同程度的裂缝. 综合分析表 1 可知，缠丝总应力较大的管道容易产生裂缝，同时裂缝宽度及长度较大，而且首先出现裂缝的部位与钢筒制作质量有密切关系.

表1 不同工况管道裂缝统计表

2.2 不同直径预应力钢丝对管道裂缝的影响

不同直径的预应力钢丝对混凝土管芯产生的总预应力基本相同，只是单根钢丝的应力不同，缠丝螺距不同，造成预应力钢丝对混凝土管芯的应力分布的均匀性不同，较细的钢丝应力较均匀.

由于厂家不同直径预应力钢丝的进货数量有限，本次试验分别选取5, 6, 7 mm钢丝的管道各10节进行了比较. 管道工况为内压0.6 MPa，覆土3 m，试验结果见表 2. 从表 2 可以看出，随着钢丝直径的减小，裂缝增加的几率也减小，故采用细钢丝有利于控制管道内壁环形裂缝产生.

表2 不同直径钢丝管道裂缝统计表

2.3 缠丝时混凝土强度对管道裂缝的影响

一般情况管道混凝土缠丝强度不应小于混凝土设计强度的70%[14]，该强度在管芯蒸养结束静停1 d后基本上就能达到. 通常在管芯堆存场地允许的情况下，管芯需在常温下养护2～3 d后才进行缠丝，这样可以使混凝土的强度达到设计强度的80%～90%，抗拉强度也有所提高，使管芯内壁混凝土可以抵抗缠丝后产生的局部拉应力，以减少裂缝的产生.

本次抽取了在蒸养后常温养护1 d, 2 d及 4 d的管芯各30节进行相关试验，在其他条件相同(均为工况为内压0.6 MPa，覆土3 m管道)的情况下，记录了不同管芯混凝土的缠丝强度，并跟踪观察成品管道内壁的裂缝情况，结果见表 3. 从表 3 可以看出，混凝土缠丝强度的提高，从37.8 MPa 提高到46.5 MPa，最大裂缝宽度减小了27.8%，最大裂缝长度减小了37.5%，可见混凝土缠丝强度的提高对管芯混凝土内壁裂缝的控制效果明显.

2.4 后期养护对管道裂缝的影响

众所周知，洒水养护对混凝土的强度增长和控制干缩裂缝有着积极的作用. 管道混凝土及砂浆充分吸水后体积增加，这部分变形称为混凝土湿胀变形. 这种湿胀是由于水泥凝胶体吸水引起的，这里水分子起着克服凝聚力的作用，可迫使凝胶体粒子进一步分离，从而产生膨胀压力. 混凝土的湿胀，如水泥用量为 300 kg/m3的混凝土，在浇筑后180～365 d，其湿胀变形为 100×10-6～150×10-6. 可见，管道湿润所发生的湿胀是有益的，可使混凝土干缩变形减缓或得到部分恢复[13].

为了观察后期养护对PCCP内壁混凝土的环形裂缝的影响，选取两组相同工况的管道，其中一组在喷浆完成后，仅对外保护层进行养护，另外一组，在喷浆后同时进行外保护层及管道内壁的养护，保证管道始终处于潮湿环境. 7 d后，放倒管道进行观察，发现未进行内壁养护的管道，约20%出现环裂； 而内外同时养护的管道仅发现1节管道出现裂缝； 继续养护7 d后，其中未进行内壁养护的管道，出现裂缝的管道增加到30%左右，原内壁裂缝长度及宽度均有所发展，而内壁进行养护的管道，出现裂缝的管道增加了1节，原内壁裂缝长度及宽度均未继续发展. 可见后期养护可以延缓管道裂缝的扩展.

3 结 论

本文结合南水北调PCCP工程建设的需要，分析了管道内壁环形裂缝产生的原因，并对其进行了一系列的生产性试验，得出控制裂缝的措施如下：

1) 加强钢筒用薄钢板的质量控制，要求钢板的平整度、 宽度等指标应满足生产需要，同时改进钢筒生产工艺，尽量使螺旋焊接中钢板搭接宽度小于25 mm，且宽度均匀.

2) 提高混凝土管芯的缠丝强度，将缠丝强度控制指标提高到45 MPa以上，加强管芯脱模后的养护，缠丝前养护时间不小于3 d，管芯内外应同时洒水养护，以巩固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力.

3) 尽量采用较细的预应力钢丝，直径5 mm左右，以减小缠丝螺距，使混凝土管芯受力均匀.

4) 建议管道安装单位对现场未安装的管道进行管口封堵，防止穿堂风，避免管道裂缝的产生或发展； 管道安装后应及时回填，并对长期暴露的管口进行有效的封堵.

以上结论均及时应用于南水北调PCCP保定段工程建设中，这对保证工程质量和工程进度具有重要意义.

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Inner Annular Crack Control of Prestressed Concrete Cylinder Pipe

XI Jun

(Shanxi Province Survey Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Taiyuan 030024, China)

For the problem of prestressed concrete cylinder pipe (PCCP) lining ring crack in south-to-north water transfer project, by analyzing the causes of cracks on ring, the influence of different pipe production technology on crack was discussed, and some measures to the crack control in the process of production was put forward. Results show that the shrinkage of concrete and wrapped wire stress are major cause of the lining ring crack, which are generally difficult to avoid, but we can take the measures to reduce the possibility of cracking: optimizatinng of the mix proportioning of the concrete, selecting smaller diameter steel wire, improving the concrete pipe core wrapped wire strength, controling index larger than 45 MPa, strengthening the internal curing and other measures.

PCCP； annular crack； wrapped wire stress； wrapped wire strength

1673-3193(2016)05-0482-05

2016-03-12 基金项目：河北省南水北调配套工程重点项目(2013001)

奚 军(1967-)，男，高级工程师，主要从事水利工程质量控制研究.

TU528.73

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.009