預應力鋼筒混凝土壓力管道（PCCP）的碳化問題探討

張 磊 山西省水利水電工程建設監(jiān)理公司 030002

預應力鋼筒混凝土壓力管道（PCCP）的碳化問題探討

張 磊 山西省水利水電工程建設監(jiān)理公司 030002

PCCP管道的成本很高，混凝土的碳化對較大工作壓力下的管道安全帶來隱患，為此，應高度重視PCCP管道的碳化問題。提高管道抗碳化能力的關鍵在設計階段，應從材料因素、環(huán)境因素方面等方面改善管道結構，同時，應加強施工階段的管理。

PCCP管道；碳化；材料因素；環(huán)境因素；施工因素

引言

我國自上世紀80年代引進PCCP生產設備和技術以來，經歷了認識、研究和應用過程，目前已進入快速發(fā)展階段。在技術規(guī)格上，表現出管徑加大（南水北調中線北京段PCCP雙線管道工程，管徑4000mm，設計流量50m3/s）、壓力提高(山西下河泉水源地北留供水工程PCCP管道最大工作壓力2.0Mpa)的特點。

混凝土的碳化是指空氣中的CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中的液性堿性物質Ca(OH)2發(fā)生物理化學反應，使得混凝土堿性下降和混凝土中化學成分改變的中性化反應過程。當中性化深度大于混凝土的保護層厚度，就會破壞保護層下鋼筋表面的鈍化膜，伴隨著水和空氣的共同作用，鋼筋就會出現銹蝕，影響結構強度或耐久性降低。

國內外研究表明，對于混凝土中的鋼筋，存在兩個臨界PH值，即9.88和11.5。前者是鋼筋表面鈍化膜生成的最低環(huán)境，低于此值，鋼筋完全處于活化狀態(tài)；后者表明鋼筋表面可以形成完整的鈍化膜，或者說低于此值，鋼筋表面的鈍化膜仍是不穩(wěn)定的。因此，要使混凝土中的鋼筋不銹蝕，混凝土的PH值必須大于11.5。

抗碳化主要是防止混凝土中液性堿性產物與周圍環(huán)境里的CO2進行傳質運動，延緩因碳化造成混凝土結構內部堿性降低的時間，或阻止其PH值由13左右降至9左右～堿性向中性轉化。

美國水工協(xié)會制定的《預應力鋼筒混凝土壓力管設計標準》（ANSI/AWWA C304）中，將PCCP管道設計為內襯式LCP型和鑲嵌式ECP型兩種型式，管芯厚度一般較薄。ECP型管道由鋼筒嵌置在管壁混凝土中，然后通過在外層混凝土表面纏繞高強鋼絲建立預應力后，噴涂砂漿進行防護；而LCP型管道，管芯由鋼筒內襯混凝土組成，高強度鋼絲直接纏繞在鋼筒外側，同樣選擇一薄層砂漿進行防腐保護。結構設計中，管芯中包含的薄鋼筒用作防水層、提供縱向拉伸強度并增加環(huán)向和軸向強度；高強度鋼絲在管芯內部產生均勻的預壓應力，以抵抗由內壓和外荷載在管芯內引起的拉應力，是承受高壓的主要部件，顯然必須考慮防腐保護。但從目前兩種型式的管道結構看，混凝土或砂漿的抗碳化處理明顯不夠。

國外已有PCCP管道爆裂、滲漏的工程實例，我國由于應用時間較短，此方面的資料尚未見報道，但研究PCCP管道混凝土的碳化問題，提高抗碳化性能，無疑具有經濟和安全方面的實際意義。

1 混凝土材料因素與提高PCCP管道抗碳化性能的技術措施

混凝土碳化機理表明，影響混凝土碳化的關鍵因素是其自身的堿性儲備數量以及酸性氣體透過混凝土的強度，而后者主要由酸性氣體濃度、濕度、溫度等外界因素和混凝土的滲透性決定。對PCCP管道自身而言，抗碳化性能的提高主要反映在材料因素方面。

1.1 水灰比與PCCP管道的碳化

水泥用量不變的情況下，水灰比越大，混凝土內的孔隙率也越大，CO2的透過能力加強，促進了混凝土的碳化。有研究表明，水灰比對混凝土的碳化速度影響極大。在水灰比大于0.65時，混凝土的碳化極度加快，0.55以下時，混凝土的抗碳化能力相對可以保證。水灰比與碳化深度關系如表1所示。

《預應力鋼筒混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C301-99）中指出，為滿足混凝土的強度，對離心工藝成型用混凝土，其水灰比不得大于0.5，而對垂直澆筑或徑向擠壓用混凝土，其水灰比不得大于0.45。

考慮PCCP管道的結構和運行特點，混凝土或砂漿的水灰比須執(zhí)行更高的標準，以確保較小的孔隙率和較低的滲透性。

高效減水劑能夠降低用水量，改善混凝土的和易性，降低混凝土的孔隙率，因此，可以提高混凝土的抗碳化能力。青島建筑工程學院趙鐵軍與同濟大學李淑進研究結果表明，當混凝土級配條件相同時，是否添加減水劑，對碳化深度和碳化強度的影響均在一倍以上。因此，可選擇在混凝土中添加減水劑的措施，提高PCCP管道的抗老化能力。

表1 水灰比與碳化深度關系

自密實混凝土在較低水灰比下，具有良好的流動性，對于厚度較薄的混凝土工程，質量更容易控制，具有良好的適用性，因此，如何將自密實混凝土應用于PCCP管道的混凝土加工有必要做深入研究。

1.2 水泥品種與摻量

不同水泥品種反映著不同的水泥活性與混凝土的堿性。水泥含堿量越高，孔溶液PH值增加，碳化速度加快。水泥品種對混凝土的碳化有主要影響。有研究資料表明：①在統(tǒng)一實驗條件下，不同水泥配置的混凝土的碳化速度大小順序為:硅酸鹽水泥＜普通硅酸鹽水泥＜其他品種水泥；②同強度早強水泥較其他水泥抗碳化能力強。

水泥摻量直接影響到混凝土中可碳化物質的含量。同樣質量的水泥，水泥摻量的增加，將改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實度，增加混凝土的堿性儲備，相應提高混凝土的抗碳化能力。一般情況下，水泥的摻量越大，碳化速度越慢。

目前，PCCP管道混凝土和砂漿對水泥的選擇主要從混凝土強度方面考慮，沒有提出限制性的質量指標和水泥品種。同時，ANSI/AWWA C301-99指出，混凝土中水泥摻量以254Kg/0.76m3（折合約334Kg/m3）作為最低控制指標，并且，允許使用不超過20%水泥重量的原狀火山灰或經處理的火山灰、粉煤灰及不超過10%水泥重量的硅粉作為水泥取代物。

趙鐵軍與李淑進的研究結果（表2）表明，在相同水灰比、減水劑、骨料品種和級配條件下，以粉煤灰取代部分水泥（10%～25%）拌制的混凝土比不摻粉煤灰的普通混凝土的碳化影響，高出平均4mm以上，相應碳化后的強度降低平均近6Mpa。

從抗碳化角度考慮，PCCP管道混凝土中是否可以摻加粉煤灰以及其摻量多少，需進行深入研究。在未取得有效結論前，從保證管道耐久性出發(fā)，建議選用硅酸鹽水泥，并以不摻加其他摻合料為宜。

1.3 粗細集料影響

粗集料的粒徑越大，在集料底部越容易形成凈漿的離析、沉淀，從而加大了混凝土的滲透性。實驗與實踐表明，不同粗集料制成的混凝土抗碳化能力，由強至弱可表示為：天然輕集料→人造粗集料→普通粗集料。ANSI/AWWA C301-99中指出，生產PCCP管道混凝土和砂漿用的粗細集料可以是天然砂、碎石顆粒，也可以是由巖石或礫石破碎而得的副產品配伍的破碎砂、經破碎或未破碎的礫石顆粒，但其表觀比重均不得低于2.6。

上述分析看出，不得使用天然輕集料進行PCCP管道混凝土與砂漿的施工，在滿足混凝土強度和施工要求的前提下，考慮減少水泥用量而加大粗集料的粒徑是不合適的。

2 環(huán)境因素與PCCP管道的碳化

2.1 環(huán)境溫度、日照、相對濕度等與PCCP管道的碳化

有研究表明，隨著溫度的提高、日照時間的延長、管道周邊酸性介質濃度的加大，環(huán)境混凝土的碳化作用加強；相對濕度對混凝土碳化的影響體現在存在一個濕度范圍，當相對濕度為50%～70%之間時，混凝土的碳化速度最快。

對于采用PCCP管道的輸水工程，設計時，應事先搜集管道運行環(huán)境中的溫度、日照、相對濕度等氣候資料，并對管道沿線至少進行以下的探測工作:① 測量管線周圍土壤的電阻率；②測量沿線土壤中的腐蝕性因子含量（如氯離子、硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽等），然后根據結果，判斷是否需要進行特殊處理。

2.2 PCCP管道的覆土厚度

混凝土覆蓋層的種類與厚度對混凝土碳化有著不同程度的影響。氣密性覆蓋層使CO2滲入混凝土的數量減少，濃度降低，提高混凝土的抗碳化性能。

PCCP管道設計時，一般都考慮了管子的覆土荷載，即需要管道在一定的埋置深度下工作。在實際的安裝過程中，或地質條件變化或地形變化等原因，常常發(fā)生不經設計變更，人為改變管道的埋置方式，降低填土厚度和密實度，甚至將管道暴露于大氣中。此舉不僅違背了管道設計的運行環(huán)境，對管道的運行安全不利，同時，可能對管道的耐久性也產生影響。

表2 以粉煤灰取代部分水泥拌制的混凝土碳化影響試驗結果

3 施工因素與PCCP管道的碳化

3.1 吊裝裂縫與PCCP管道的碳化

混凝土在受到拉應力后，容易在內部生成微細裂縫，使CO2的擴散更為容易，混凝土的碳化速度加快。因此，PCCP管道安裝過程中，應優(yōu)先選擇多吊點的吊裝方式，相應地，應禁止單吊點的挖掘機吊裝的施工工法。其一是施工安全得不到保障；其二是單線鋼絲容易招致管道底部及兩側磨損，而頂部在拉應力下產生微細裂紋，不易發(fā)現和處理，降低管道的抗碳化性能。

3.2 管壁砂漿或混凝土局部破壞的修補處理

實踐證明，環(huán)氧砂漿和樹脂水泥都是有效的防碳化材料。對于管道運輸和安裝過程中出現的局部破損，實踐中，常用水泥凈漿、環(huán)氧砂漿修補或樹脂水泥灌漿處理。由于對破損危害的認識不足或處理技術不夠，修補材料與原管體的粘結往往較差，或受后期收縮影響，留下裂縫。

采用環(huán)氧砂漿修補時，采用以下工序，常常取得很好效果：①用鋼刷將破損部位砂漿或混凝土殘留物刷凈，用吹風機吹干；②用丙酮液清洗，吹風機吹干；③環(huán)氧樹脂與T31拌合，涂刷在修補部位，以堵塞微細裂隙；④環(huán)氧砂漿修補。

4 結論

（1）PCCP管道的碳化問題應從材料、環(huán)境、施工等各方面綜合考慮，鑒于工作壓力大、混凝土厚度薄、費用高的具體特點，應在管道結構上做進一步的改進。

（2）在可能的情況下，應優(yōu)先選用硅酸鹽水泥和普通粗集料拌制PCCP管道混凝土；無特殊要求，一般不宜選用粉煤灰等摻合料作為水泥取代物；根據水泥性能，可適當添加高效減水劑，以減少拌和水的用量。

（3）對于能否應用自密實混凝土進行PCCP管道的管芯加工沒必要做深入研究。

（4）應根據管道具體的運行環(huán)境進行合理的設計，同時，安裝時也應確保符合設計環(huán)境。

[1]肖佳，等.混凝土碳化綜述.混凝土.2010-1

[2]楊定華，等.抗碳化法.中國水利水電出版社.2006

[3]孟晉忠，等.對PCCP輸水工程設計應用中幾個問題的探討.混凝土世界.2010.01

[4]柳俊.混凝土碳化研究與進展⑴—碳化機理及碳化程度評價.混凝土.2005-10

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.038

張磊（1969-），男，山西絳縣人，高級工程師。