PCCP插口內壁混凝土環裂形成機理及控制措施研究

唐連濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000）

PCCP插口內壁混凝土環裂形成機理及控制措施研究

唐連濤

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000）

本文結合大口徑PCCP管生產經驗，通過調查、統計、分析、原型檢驗、成因分析和生產實踐的方式，對管芯內壁混凝土環向裂縫問題進行了系統的研究，并采用有限元法對管芯裂縫進行模擬探索，研究提出了混凝土環裂形成機理及控制措施。

PCCP；混凝土環裂；形成機理；控制措施

1 概況

PCCP管內壁混凝土常見裂縫為靠插口端300m m范圍內的環向裂縫和沿鋼筒螺旋焊縫位置的螺旋裂縫。為系統研究該問題，對某重點輸水工程項目某PCCP管廠2個月的生產管件進行調查、統計、分析、原型檢驗、成因分析和生產實踐研究。該廠生產的PCCP管規格為3800～5000m m，具體指標如表1：

表1 產品生產指標統計表

表2 裂縫調查成果統計表

2 裂縫產生情況

通過對管廠2014年9～10月份生產的PCCP管裂縫產生情況的調查發現，裂縫主要為靠插口端300m m范圍內的環向裂縫和沿鋼筒螺旋焊縫位置的螺旋裂縫。各種規格PCCP裂縫產生情況如下：

（1）管芯壁厚295m m的單層纏絲管子，統計總數246根，其中插口端無環向裂縫的為118根（占比48%），非整圈環裂的為83根（占比34%），整圈環裂的45根（占比18%）。

（2）管芯壁厚295m m的雙層纏絲管子，統計總數458根，其中插口端無環向裂縫的為133根（占比29%），非整圈環裂的為152根（占比33%），整圈環裂的173根（占比38%）。

（3）管芯壁厚320m m管檢查11根，350m m的厚壁管檢查10根，均存在整圈的環向裂縫。裂縫統計情況見表2：

上述檢查中管芯內壁環向裂縫的寬度均不超過0.4m m，裂縫寬度指標符合標準規范和合同文件的合格要求。

3 裂縫原因分析

經調查統計，插口內壁裂縫主要產生于管芯纏絲階段，一般位于距端部約200～300m m處、呈環向狀。裂縫剛出現時的寬度多在0.1～0.2m m，隨著堆放期受混凝土干縮以及吊運自重的影響會逐步擴展至1.5m m以內甚至超過1.5m m并延伸至整環。該裂縫的產生機理比較復雜，但主要可概括為五個方面的原因：

3.1 結構原因

本次研究統計的PCCP管芯內嵌埋的防滲薄鋼筒厚度為1.5m m，而插口鋼環的型材尾部厚度為7.5m m，薄鋼板卷通過螺旋焊機卷制搭接在插口鋼環的型材尾部，搭接長度約20m m，搭接焊后在插口鋼環的型材尾部處的整個環向截面形成厚度差為7.5m m的截面突變，造成局部應力集中。

3.2 制管工藝原因

PCCP管在纏繞預應力鋼絲的工藝過程中，對管芯施加了環向壓力，含鋼筒的管芯混凝土均將產生環向的向內收縮變形，由于嵌埋的薄鋼筒在插口鋼環根部結構上存在的截面突變，該突變的截面壓迫管芯內壁混凝土并于截面突變處形成應力集中，頂壓管芯內壁混凝土而使管芯內壁混凝土承受拉應力，當管芯內壁混凝土內表面所承受的拉應力達到或超過該部位混凝土的抗拉強度時，管芯內壁混凝土在薄鋼筒結構的截面突變處直接形成環向裂縫。

3.3 管芯插口端內壁混凝土強度原因

在管芯混凝土立式澆注的振動密實過程中，石子往下沉，造成插口端的管芯混凝土缺少石子，富含砂漿，致使上層的插口端管芯混凝土強度低于中、下層管芯混凝土，該部位混凝土的實際抗拉強度值下降，不足以抵抗纏繞鋼絲時該部位因截面突變形成的應力集中而直接頂壓管芯內壁混凝土形成的表面拉應力，從而形成環向裂縫。

3.4 吊運

PCCP在成型、脫模、纏絲和制作水泥砂漿保護層時均為立式操作。吊具為特制的自鎖卡具，卡在插口異型鋼環上的橡膠密封圈凹槽內。由于插口鋼環與端部管芯混凝土之間沒有可靠的錨固措施來保證共同工作，混凝土與鋼材兩種不同材料變形性能不同，管子每次吊運時因管子自重及其沖擊力會導致插口鋼環拉力突然增大，造成端部管芯混凝土軸向受拉，插口鋼環與端部管芯混凝土之間已產生的微裂縫會增大，頻繁的吊運會加大裂縫寬度。

3.5 混凝土的干縮

混凝土的干縮變形促使裂縫寬度進一步發展。插口端裂縫產生于管道生產期，之后一般存放于露天環境直至管道安裝，其間要經歷長期相對濕度較低的氣干過程，一般設計天數為90d，個別情況下會達到半年甚至超過1年。混凝土在長期干燥環境下收縮會產生裂縫，對于已產生的裂縫，其兩側混凝土還成為干縮的自由邊界，插口端部裂縫寬度不斷發展。

4 防治措施

根據國標G B/T 19685-2005《預應力鋼筒混凝土管》有關規定：對于PCCP內壁裂縫，管子內表面出現的環向裂縫或螺旋狀裂縫寬度不應大于0.5m m（浮漿裂縫除外）；距管子插口端300m m范圍內出現的環向裂縫寬度不應大于1.5m m；成品管子內表面沿管子縱軸線的平行線成15°夾角范圍內不允許存在裂縫長度大于150m m的縱向可見裂縫。可見只要對管芯內壁裂縫發展進行有效的控制，就能夠保證PCCP的質量和應用。根據上述插口端環裂的質量統計數據，本研究制定了不改變管芯壁厚295m m的設計尺寸，從結構和混凝土工藝上采取如下防治措施。

4.1 結構措施

4.1.1 插口鋼環內側的鋼絲網片直徑由合同要求的φ 4m m增加至φ 5m m，鋼絲網片的寬度由300m m增加為500m m；同時插口鋼環的外側擬增設布置整圈鋼絲網片，直徑規格為φ 5，寬度尺寸為500m m。主要考慮是利用鋼網片的抗拉特性，同時通過足夠寬度的鋼絲網片在纏繞預應力鋼絲的工藝過程中使結構截面突變引發的應力集中造成的頂壓力得到分散，可化解或減小該部位的應力集中造成環向裂縫的危害程度。

4.1.2 擬適當地提升混凝土自身強度指標，將現有的C 55強度級別的混凝土提升為C 60，以提升管芯內壁混凝土自身的抗裂能力。

4.2 工藝措施

4.2.1 加強各組分原材料的質量控制，執行工藝確定的最佳攪拌時間，在控制好水灰比的前提下確保混凝土的勻質性、和易性和可施工性。

4.2.2 立式振動成型工藝存在上部石子下沉，砂漿上浮，在插口端會形成富含砂漿（缺少石子）的區段，采取添加合格的新拌混凝土并通過外模的溢留口擠走（置換）該區段的浮漿層，改善和提高插口端混凝土的質量和強度值，從而提高該部位混凝土的抗裂能力。

4.2.3 加強管芯后期灑水養護，控制纏絲時的管芯混凝土強度指標≥45MP a，鞏固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力。

5 研究結論

本文通過對實際在產的PCCP管芯內壁混凝土裂縫進行統計分析，得出如下結論：

（1）PCCP管芯內壁混凝土裂縫的形成原因包括：結構設計、制管工藝、混凝土強度、吊運措施和混凝土干縮特性等，往往各種原因的綜合作用是導致裂縫產生和發展的主要原因。

（2）目前國內外相關標準是允許PCCP管芯內壁混凝土產生裂縫的，但應采取積極的措施，嚴格控制裂縫的寬度和發展。

（3）通過生產改造實踐表明，針對成因分析成果從結構設計措施、工藝措施兩方面入手進行裂縫控制是可行的，今后可結合不同工況和工藝設計的管型，進一步深入研究各項因素影響的定量閾值研究，從而在管廠設計階段指導設備、材料和生產工藝的配備。

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文獻標識碼： 文章編號：1672-2469（2015）05-0067-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.021

唐連濤，男，（1972年—），工程師。