预应力钢筒混凝土管(PCCP)耐久性探讨

顾晓波

(宁夏青龙管业股份有限公司，银川 750001)

预应力钢筒混凝土管结构为钢筒和混凝土加工而成，分为内衬式与埋置式。基于结构上分析，两种结构形式钢筒的直接目的是防渗，预应力钢丝与混凝土承载内水压与外部回填土压力，起到钢丝保护效果。承插口和保护层质量对PCCP使用时间具有较大影响。对此，在生产加工过程中，还需要科学选择集料和控制碱集料反映，确保预应力钢丝和保护层质量。

1 有害张力时效和氢脆化

PCCP能够承载较大重力，其原理为预应力钢丝绕在混凝土管芯，其荷载力主要集中于管芯混凝土。此时，如果钢筋质量较差，则会直接影响管筒承载力，其钢丝耐久性也多受有害张力时效与氢脆化影响[1]。

1.1 有害张力时效

在钛元素三度基体角中包含一个铁原子。脱位的铁平面结构图见图1，该阶段的铁有着一定的延性，较为柔和稳定不容易断裂。PCCP加工时，因为钢丝在较短时间中抽拉，其热量能够达到300-371℃。这一阶段钢丝若未完全冷却，碳原子与氮原子将会移动到铁平面结构中，同时锁定脱位。因为碳原子和氢原子阻挡脱位变动，将钢丝格构锁定使得其延性削弱，减少钢丝延伸度与减缩量，让钢筋变得脆化容易折断。

图1 铁平面格构图

1.2 氢脆化

PCCP使用的冷拉钢丝抗拉性大，其格构也易受氢原子攻击。在氢原子侵袭到钢丝格构后，生成氢分子，一个氢分子分为2个氢原子。这样一来，其占用的面积将会增加继而使钢丝受到膨胀压力，继而造成脆化。

钢丝绕在混凝土管芯组合成为PCCP应用过程中，因为氢原子侵袭继而生成氢脆化。按照国外对氢脆化管理的研究，得出：判断氢原子来源可以分为3点：①腐蚀影响生成的铁锈；②电化学腐蚀；③阴极防腐系统产生的电压。

根据这一研究得出：①做好PCCP使用的较大强度钢丝缠绕技术，尤其是钢丝抽拉温度。②PCCP钢丝需要制定阻断防腐方法继而减少氢原子来源。③按照AWWA301--99《预应力钢筒混凝土压力管道》以及ASTMA648《预应力混凝土管道用冷拉钢丝》相关要求，进行逐个钢丝抗拉强度检测及其及截面积缩减、扭转剪切面实验。做好氢脆化反应度检测，确保符合要求后投入应用。

2 防范混凝土碱集料反应方法

混凝土碱集料反应主要为混凝土内碱与混凝土集料内的碱活性矿物质。当混凝土固结后逐渐产生化学反应形成胶凝物质。该种物质与水充分接触后出现膨胀，造成混凝土裂缝。在混凝土搅拌过程中，需要对水泥与外加剂内的碱进行有效控制，继而避免混凝土碱集料发生反应。针对低碱活性材料通过填入矿粉、粉煤灰等，进而减少混凝土缝隙内碱离子浓度。

2.1 添加混合集料方法

通过活性较大的集料拌制混凝土，添加料为沸石粉。其中，填入量为5%、10%、20%、30%。通过实验得出：①在没有添加沸石粉和添加量在5%的水泥砂浆棒3个月时间膨胀率达到0.05%；②在9个月后，膨胀率达到0.1%，形成有害膨胀。在添加料10%、20%、30%状态下，碱集料反应膨胀受到了阻碍。得出：在PCCP的混凝土内添加一定量的拌料，能够有效避免碱集料活性膨胀。随着沸石粉量的增加，其影响效果更为显著。另一方面，添加较多料能够让水泥砂浆棒膨胀率在一段时间后逐渐缓和。

2.2 不同集料参入效果对比

在不同类型集料参与效果上，中国进行了多次试验。某大学教授针对这一现象进行系统分研究对比。当集料为粉煤灰、矿料、硅灰、沸石粉时，使用的集料活性较强。根据试验证明，各集料对碱集料反应膨胀率的阻止情况，硅灰抑制性最强，其添加量为10%；9个月膨胀率达到0.03%。沸石粉与粉煤灰参入量为20%时，膨胀量为0.03%；矿渣添加量在40%下，其膨胀率为0.03%。碱集料反应导致混凝土制品膨胀率是通过集料的增加而降低；各集料类型对于膨胀抵制效果不一。其中，硅灰能够让碱集料反应的膨胀率迅速减少，其添加量较低膨胀率能够减少至0.005%。对此，还需要选择有效方法，膨胀是能够抵制的。其参入量衡量可以结合集料活性状态制定。

3 PCCP保护层效果提升方法

当预应力钢丝绕在管芯后，其保护层起到的作用是至关重要的，其密实性与防渗效果对干式防腐效果有着直接影响。保护层在其结构的外端，抵抗着硫酸盐、氯离子等攻击和防干扰作用。因此，提升保护层质量才能让PCCP延长耐久性。

3.1 增加保护层密度

增加保护密度其原理是合理的辊射工艺与减少砂浆水灰比[2]。

现阶段，使用的辊射工艺多为国外引进，对此，还需要：

1)事先进行砂浆配比，在筛分曲线内选择砂径，让辊射有力。

2)做好距离控制，确保砂浆最小颗粒在管芯上。

3)做好管芯旋转速度与移动速度控制，确保保护层平滑。

做好砂浆比配合后，选择级配适当的砂，较小颗粒能够确保砂浆填充密实，优化界面层强度与密实性。这样一来，能够有效提升保护层防渗效果。参照S.Mindess研究，分析水灰比与防渗性关系(见表1)。水灰比小，则防渗参数越小[3]。

表1 水灰比对抗渗的影响

3.2 集料添加

要确保保护层耐久性，则需要对抗碳化、抗氯离子破坏、抗钢筋腐蚀等制定有效方法。

1)碳化反应。中国通过相关实验证明：PCCP保护层碳化反应不明显，甚至无变化。

2)氯离子。氯离子破坏主要是其在保护层中移动，例如：分散渗入、毛细孔吸收等。渗入主要因为压力低影响，氯离子不断的移动；毛细孔吸收主要是氯离子与水接触在毛孔内移动；分散则是因为氯离子浓度而形成的[4]。

3)钢丝腐蚀。氯离子的移动速度影响着钢丝腐蚀。钢丝腐蚀将会造成PCCP结构损坏。腐蚀过程通常为锈蚀初始阶段与锈蚀扩散阶段。如图2，当t1状态下钢丝失钝，造成腐蚀，氯离子为有效浓度，腐蚀将会持续扩大。在t2-t3状态下，钢丝钝化膜被逐渐损坏，造成点蚀。这一过程保护层将会出现缝隙。T2-t3状态下，保护层脱落。T3-t4状态，结构有损坏的危险。

图2 钢丝锈蚀过程

针对这一问题，可以通过几种方法抑制锈蚀。首先，提升保护层膜底，阻碍氯离子扩大逐步深入。其次，提升水泥砂浆孔结构比电参数，减少电量流通继而抑制氯离子渗入。通过加入硅灰、粉煤灰集料其效果不同。加入粉煤灰后水泥混凝土通过电量对比见表2。加入元宝山I级粉煤灰30%-50%后，电量明显减少；加入西高井II级粉煤灰30%-50%后，变化明显。不过，相对于元宝山粉煤灰存在差异性[5]。

表2 加入粉煤灰后水泥混凝土通过电量对比

4)硫酸盐腐蚀。PCCP的土质环境包含硫酸盐，其溶液将会与保护层结合。硫酸盐溶液和水泥中Ca(OH)2和水化铝酸钙产生化学反应，形成石膏与硫铝酸钙，出现体积膨胀导致保护层裂缝造成混凝土被损害。

针对这一问题，可以结合介质内硫酸盐浓度制定。通常状态下，保护层中的水泥砂浆加入硅灰10%，能够有效阻止膨胀。腐蚀严重的，需要将管芯和保护层都适用硫酸盐水泥。

3.3 保护层外层保护

当PCCP外界环境发生问题时，保护层能够通过涂煤沥青环氧涂料。阴极保护也是一种有效PCCP保护方法。不过，在使用过程中需要做好土地环境、地下水等调研，慎重使用。

4 结 语

PCCP自身有着一定有利特征，其使用时间能够达到100a。通过对PCCP工艺控制，排除外部环境影响。其方法为：

1)绕预应力钢丝过程中，应防止过快的抽拉、避免高热量、高抗拉强度。同时，做好氢脆化灵敏性实验，继而避免钢丝氢脆化问题。

2)PCCP内钢丝需要制定有效方法减少氢原子来源。

3)做好外添加剂、水泥控制。按照有关要求进行定期检测，进而防止PCCP碱集料发生变化。不过，在同等区域集料各地层将会有明显不同，还应做好考量。

4)保护层作为PCCP重要影响因素，应结合实际状态选择添加的集料。在必要条件时，可以通过阴极保护。

5)电化学再生技术，通过电荷同性相斥与电迁移，把氯离子除掉。此外，构建PCCP耐久性预测模型，通过多种方法确保PCCP稳定运行[6]。

[1]辛成泽.预应力钢筒混凝土管配件在水利工程建设中的质量控制[J].山西农经,2017(02)：127-128.

[2]根涛,高春花.预应力钢筒混凝土管(PCCP)数字化蒸养在实际生产中的应用[J].四川水泥,2015(12)：129+4.

[3]苗振铎.预应力钢筒混凝土管(PCCP管)内拉法施工[J].安徽建筑,2016，23(04)：78-79.

[4]孙立强,张京京,李恒，等.软土地基上影响预应力钢筒混凝土管相对转角关键因素研究[J].岩土力学,2015(s1)：293-298.

[5]郁龙,赵新铭,胡少伟，等.基于ABAQUS的在役PCCP管道承载水压有限元分析[J].混凝土,2015(10)：135-138.

[6]谭秋华.信丰县第二水厂一期工程预应力钢筒混凝土输水管施工[J].广西水利水电,2014(04)：54-56.