PCCP管芯混凝土裂缝自愈合试验研究

PCCP管芯混凝土裂缝自愈合试验研究
杨钊
【摘要】本文介绍了PCCP(预应力钢筒混凝土管)裂缝的分类和产生机理,针对PCCP混凝土管芯裂缝自愈合能力进行了研究,结果表明:掺入适量粉煤灰的混凝土试件,后期强度增长幅度较大,对裂缝后期的愈合效果作用明显;PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关,裂缝的宽度变化量越大,裂缝自愈合的容许宽度越小.PC-CP管内水压越大,裂缝自愈合的速度越慢,容许宽度越小.针对天津地区制管条件及工程运行特点,建议距插口段300mm外管身裂缝宽度应小于0.25 mm,距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm.
【期刊名称】《水利建设与管理》
【年(卷),期】2014(034)012
【总页数】4页(P17-19,16)
【关键词】预应力钢筒混凝土管;混凝土裂缝;自愈合
【作者】杨钊
【作者单位】天津市水务基建管理处,天津300061
【正文语种】中文
【中图分类】TV41
天津市南水北调中线滨海新区供水一期工程输水管线全长约36.195km，其中采用PCCP线路全长为23.37km，占线路总长的64.6%。

PCCP的制造与安装投资约占管线工程投资的40%。

PCCP的质量直接影响到工程的整体质量。

PCCP由薄钢
板和高强混凝土制成，具有高抗压和高抗渗的优点，但在生产和储备运输过程中，由于受工艺和养护等其他因素影响，管道的内衬混凝土会产生裂缝。

在PCCP的正常运行中，管道承受内水压力和外荷载作用，运行环境较为复杂。

在内外压作用下，PCCP 出现裂缝后，流体会使钢筒和钢丝发生锈蚀，降低管道的结构承载能力，严重时钢丝会发生断裂，在内水压较大的情况下易发生爆管。

因此，混凝土损伤自愈合能力研究关系到PCCP管材的使用寿命，甚至直接关系到人民
的生命安全。

为保证PCCP质量，进一步提高工程建设水平，实现创建“优质工程”的目标，针对PCCP的结构特点和裂缝产生情况，开展PCCP管芯混凝土自
愈合试验研究工作具有重要意义与现实必要性。

本文介绍了PCCP裂缝的分类和
产生机理，对PCCP 管芯混凝土裂缝自愈合能力开展试验研究，为制定PCCP管
芯混凝土裂缝的验收标准，提供技术支撑。

2.1 PCCP裂缝产生机理分析
PCCP管道裂缝一般包括插口端环向缝、内壁螺旋缝或环向缝、管芯外壁纵向缝、管芯外壁螺旋缝或环向缝、保护层纵向缝、保护层环向缝等多种。

较常见的裂缝一般有插口端环向缝、内壁螺旋缝或环向缝、管芯外壁纵向缝3种。

a.插口端环向裂缝。

插口端环向裂缝最为普遍，其产生于管道缠丝期，一般位于距端部约250 mm 处，呈环向，大多已连通且已深至钢筒内表面，宽度一般为
0.1～1.5mm。

该裂缝的产生机理主要包括两方面的原因：一是末圈缠丝应力致使裂缝产生，二是混凝土的干缩变形促使裂缝宽度进一步发展。

b.内壁螺旋缝或环向缝。

预应力钢筒混凝土管道内壁螺旋缝或环向缝几乎与插口端环向缝一样常见，但宽度要小得多，一般为0.1～0.5mm，主要在管道制成后产生。

该类裂缝的产生及走向取决于钢筒的制作方式。

钢筒制作方式一般有自动螺旋焊接、拼筒环向焊接、拼板纵向焊接3种，因为钢筒的焊缝走向完全不同，决定了混凝
土裂缝的走向不同，而采用拼板纵向焊接钢筒的管道一般不会产生裂缝。

c.管芯外壁纵向裂缝。

在缠丝前管芯外壁有产生温度裂缝的可能，同时因管芯承口端面受到地面磨擦而易产生外壁承口端部纵向裂缝，当端面受力不均匀时还会产生应力集中，导致了该种裂缝的产生。

2.2 PCCP裂缝控制措施
管道裂缝的危害性主要是腐蚀钢筒和钢丝而降低管道寿命，严重时甚至会造成管道爆裂。

为了尽可能减少裂缝，一般采取以下三种方法：ⓐ改螺旋焊为直板焊，由于直板焊工艺效率较低，先进性较差，目前在中小型PCCP企业中应用较多，在大型PCCP生产企业中应用较少，在PCCP生产企业中有逐渐减少的应用趋势，且改变焊接方式只是对减少裂缝有一定的改进作用，并不能消除裂缝；ⓑ提高管芯混凝土的抗拉性能(如:使混凝土的粗细骨料颗粒形状和级配更加合理，骨料更加清洁，科学配比，科学振捣，延长养护时间，或在混凝土中增加纤维等),一般会比较明显地增加PCCP的制造成本，也会降低生产效率，但仍难以完全消除裂缝；ⓒ充分利用混凝土裂缝在水中的自愈合特性，既能有效消除PCCP裂缝，又能不明显增加生产成本及降低功效，关键是确定其允许的合理缝宽。

混凝土裂缝自愈合的合理缝宽与混凝土的组成、浸泡水的化学成分以及水压等因素有关，不同区域、不同工程也有较大差别，一般在0.1～1.5mm之间。

本节主要研究劈裂抗拉强度及裂缝宽度两个指标，从而评价裂缝的自愈合能力。

3.1 粉煤灰对裂缝自愈合能力的影响
3.1.1 试验用原材料
水泥： PO42.5硅酸盐水泥；
粉煤灰：F类，Ⅰ级粉煤灰；
外加剂：萘系缓凝高效减水剂 ZB-1A；
骨料：河沙，中砂，碎石 5～25mm。

3.1.2 试验方案
按照混凝土配合比设计规程确定配合比，选用0.30mm厚、150mm×200mm 的钢片，插入刚成型混凝土中，在混凝土初凝后终凝前拔出，形成贯穿混凝土试件的裂缝，放入清水中养护，达到龄期后，沿裂缝处劈裂。

试验过程按《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)混凝土劈裂抗拉强度试验方法进行。

比较掺粉煤灰有裂缝的试件和无裂缝试件的劈裂抗拉强度，分析粉煤灰对混凝土裂缝自愈合的影响，根据混凝土裂缝处劈裂抗拉强度增长趋势，研究裂缝自愈合的发展情况。

3.1.3 试验结果及分析
不同粉煤灰掺量的混凝土试件养护后劈裂抗拉强度见下页表1。

按公式(1)计算掺粉煤灰无裂缝的混凝土试件，7d、14d、28d、90d龄期与未掺粉煤灰无裂缝劈裂抗拉强度比，计算结果见表2。

按公式(2)计算掺粉煤灰有裂缝的混凝土试件，7d、14d、28d、90d龄期与未掺粉煤灰有裂缝劈裂抗拉强度比，计算结果见表2。

由表1、表2分析混凝土裂缝处劈裂抗拉强度增长趋势，表明掺有粉煤灰的混凝土试件，混凝土裂缝处早期劈裂抗拉强度发展较慢，28d 劈裂抗拉强度只能达到未掺粉煤灰有裂缝试件强度的 87%左右，在 28～90d之间，混凝土裂缝处的劈裂抗拉强度增长最为明显，90d后掺有粉煤灰有裂缝的试件劈裂抗拉强度超过未掺粉煤灰有裂缝的试件，抗压强度比为104%。

这说明掺入适量粉煤灰的混凝土试件，后期强度增长幅度较大，对裂缝后期的愈合效果作用明显，这可能是因为水泥水化产生的Ca(OH)2可以与粉煤灰中的化学成分反应产生生成物充填裂缝，提高了混凝土裂缝自愈合能力。

3.2 PCCP运行工况对混凝土的自愈合能力的影响
结合天津地区地质条件、运行环境及该工程的输水特点，通过建立模型、模拟管道运行工况，比较不同水压力对裂缝自愈合能力的影响。

试验采用φ2200mm×5000mm预应力钢筒混凝土模型管。

试验前先利用三点荷
载法将该管道压至开裂，裂缝宽度控制在0.7mm以内，然后卸除外压，测量实际裂缝宽度，并将裂缝标于管道内壁。

裂缝分布：距插口段300mm以内为0.5～0.7mm，距插口段300mm以外为不大于0.25mm。

待准备工作完成后将管道两端密封，对PCCP管施加不同内水压模拟不同运行工况，记录不同龄期裂缝的愈
合情况。

加压装置采用套筒式，套筒由若干个钢架组成，具有足够的刚度。

套筒下侧与底座固定，加压内套筒外直径为2100mm，PCCP 与内套筒间为100mm 的加压空腔，两端均用橡胶密封圈密封，形成一个密封的加压空腔，在管道的两侧用钢构件法兰盘将内套筒固定，用加压泵将水注入加压空腔模拟内水压力，试验中采用油压系统以0.25MPa、0.75MPa分别加压。

每级压力维持56d，记录不同宽度、不同龄期裂缝的愈合情况。

试验结果表明，自然养护条件下，预压裂缝基本无变化，说明水在裂缝自愈合的过程中发挥了重要作用。

试验过程中，PCCP在有水环境中，裂缝处产生了复杂的物理、化学反应，导致了混凝土裂缝的自愈合。

在同一运行工况下，PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关，裂缝的宽度变化量越大，裂缝自愈合的容许宽
度越小。

距插口段300mm外管身宽度小于0.25mm裂缝在28d龄期内可以完全愈合；距插口段300mm内宽度小于0.5mm裂缝在56d龄期内可以完全愈合；
大于0.5mm的裂缝56d龄期内未完全愈合。

PCCP管内水压越大，裂缝自愈合的速越慢，容许宽度越小。

无论哪种工况下，宽度超过0.5mm，短时间内几乎难以愈合。

针对天津地区制管条件及工程运行特点，建议距插口段300mm外管身裂缝宽度
应小于0.25mm；距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm。

a.掺粉煤灰的混凝土试件，早期裂缝处劈裂抗拉强度较低，随着自愈合时间的增长，后期强度增长幅度较大，粉煤灰不利于混凝土早期裂缝自愈合强度的增长，但对裂
缝后期的愈合效果作用明显。

b.在同一运行工况下，PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关，裂缝的宽度变化量越大，裂缝自愈合的容许宽度越小。

PCCP管内水压越大，裂缝自愈合的速度越慢，容许宽度越小。

无论哪种工况下，宽度超过0.5mm，短时间内几乎难以愈合。

c.针对天津地区制管条件及该工程运行特点，建议距插口段300mm外管身裂缝宽度应小于0.25mm，距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm。