預應力鋼筒混凝土管(PCCP)耐久性探討

顧曉波

(寧夏青龍管業股份有限公司，銀川 750001)

預應力鋼筒混凝土管結構為鋼筒和混凝土加工而成，分為內襯式與埋置式。基于結構上分析，兩種結構形式鋼筒的直接目的是防滲，預應力鋼絲與混凝土承載內水壓與外部回填土壓力，起到鋼絲保護效果。承插口和保護層質量對PCCP使用時間具有較大影響。對此，在生產加工過程中，還需要科學選擇集料和控制堿集料反映，確保預應力鋼絲和保護層質量。

1 有害張力時效和氫脆化

PCCP能夠承載較大重力，其原理為預應力鋼絲繞在混凝土管芯，其荷載力主要集中于管芯混凝土。此時，如果鋼筋質量較差，則會直接影響管筒承載力，其鋼絲耐久性也多受有害張力時效與氫脆化影響[1]。

1.1 有害張力時效

在鈦元素三度基體角中包含一個鐵原子。脫位的鐵平面結構圖見圖1，該階段的鐵有著一定的延性，較為柔和穩定不容易斷裂。PCCP加工時，因為鋼絲在較短時間中抽拉，其熱量能夠達到300-371℃。這一階段鋼絲若未完全冷卻，碳原子與氮原子將會移動到鐵平面結構中，同時鎖定脫位。因為碳原子和氫原子阻擋脫位變動，將鋼絲格構鎖定使得其延性削弱，減少鋼絲延伸度與減縮量，讓鋼筋變得脆化容易折斷。

圖1 鐵平面格構圖

1.2 氫脆化

PCCP使用的冷拉鋼絲抗拉性大，其格構也易受氫原子攻擊。在氫原子侵襲到鋼絲格構后，生成氫分子，一個氫分子分為2個氫原子。這樣一來，其占用的面積將會增加繼而使鋼絲受到膨脹壓力，繼而造成脆化。

鋼絲繞在混凝土管芯組合成為PCCP應用過程中，因為氫原子侵襲繼而生成氫脆化。按照國外對氫脆化管理的研究，得出：判斷氫原子來源可以分為3點：①腐蝕影響生成的鐵銹；②電化學腐蝕；③陰極防腐系統產生的電壓。

根據這一研究得出：①做好PCCP使用的較大強度鋼絲纏繞技術，尤其是鋼絲抽拉溫度。②PCCP鋼絲需要制定阻斷防腐方法繼而減少氫原子來源。③按照AWWA301--99《預應力鋼筒混凝土壓力管道》以及ASTMA648《預應力混凝土管道用冷拉鋼絲》相關要求，進行逐個鋼絲抗拉強度檢測及其及截面積縮減、扭轉剪切面實驗。做好氫脆化反應度檢測，確保符合要求后投入應用。

2 防范混凝土堿集料反應方法

混凝土堿集料反應主要為混凝土內堿與混凝土集料內的堿活性礦物質。當混凝土固結后逐漸產生化學反應形成膠凝物質。該種物質與水充分接觸后出現膨脹，造成混凝土裂縫。在混凝土攪拌過程中，需要對水泥與外加劑內的堿進行有效控制，繼而避免混凝土堿集料發生反應。針對低堿活性材料通過填入礦粉、粉煤灰等，進而減少混凝土縫隙內堿離子濃度。

2.1 添加混合集料方法

通過活性較大的集料拌制混凝土，添加料為沸石粉。其中，填入量為5%、10%、20%、30%。通過實驗得出：①在沒有添加沸石粉和添加量在5%的水泥砂漿棒3個月時間膨脹率達到0.05%；②在9個月后，膨脹率達到0.1%，形成有害膨脹。在添加料10%、20%、30%狀態下，堿集料反應膨脹受到了阻礙。得出：在PCCP的混凝土內添加一定量的拌料，能夠有效避免堿集料活性膨脹。隨著沸石粉量的增加，其影響效果更為顯著。另一方面，添加較多料能夠讓水泥砂漿棒膨脹率在一段時間后逐漸緩和。

2.2 不同集料參入效果對比

在不同類型集料參與效果上，中國進行了多次試驗。某大學教授針對這一現象進行系統分研究對比。當集料為粉煤灰、礦料、硅灰、沸石粉時，使用的集料活性較強。根據試驗證明，各集料對堿集料反應膨脹率的阻止情況，硅灰抑制性最強，其添加量為10%；9個月膨脹率達到0.03%。沸石粉與粉煤灰參入量為20%時，膨脹量為0.03%；礦渣添加量在40%下，其膨脹率為0.03%。堿集料反應導致混凝土制品膨脹率是通過集料的增加而降低；各集料類型對于膨脹抵制效果不一。其中，硅灰能夠讓堿集料反應的膨脹率迅速減少，其添加量較低膨脹率能夠減少至0.005%。對此，還需要選擇有效方法，膨脹是能夠抵制的。其參入量衡量可以結合集料活性狀態制定。

3 PCCP保護層效果提升方法

當預應力鋼絲繞在管芯后，其保護層起到的作用是至關重要的，其密實性與防滲效果對干式防腐效果有著直接影響。保護層在其結構的外端，抵抗著硫酸鹽、氯離子等攻擊和防干擾作用。因此，提升保護層質量才能讓PCCP延長耐久性。

3.1 增加保護層密度

增加保護密度其原理是合理的輥射工藝與減少砂漿水灰比[2]。

現階段，使用的輥射工藝多為國外引進，對此，還需要：

1)事先進行砂漿配比，在篩分曲線內選擇砂徑，讓輥射有力。

2)做好距離控制，確保砂漿最小顆粒在管芯上。

3)做好管芯旋轉速度與移動速度控制，確保保護層平滑。

做好砂漿比配合后，選擇級配適當的砂，較小顆粒能夠確保砂漿填充密實，優化界面層強度與密實性。這樣一來，能夠有效提升保護層防滲效果。參照S.Mindess研究，分析水灰比與防滲性關系(見表1)。水灰比小，則防滲參數越小[3]。

表1 水灰比對抗滲的影響

3.2 集料添加

要確保保護層耐久性，則需要對抗碳化、抗氯離子破壞、抗鋼筋腐蝕等制定有效方法。

1)碳化反應。中國通過相關實驗證明：PCCP保護層碳化反應不明顯，甚至無變化。

2)氯離子。氯離子破壞主要是其在保護層中移動，例如：分散滲入、毛細孔吸收等。滲入主要因為壓力低影響，氯離子不斷的移動；毛細孔吸收主要是氯離子與水接觸在毛孔內移動；分散則是因為氯離子濃度而形成的[4]。

3)鋼絲腐蝕。氯離子的移動速度影響著鋼絲腐蝕。鋼絲腐蝕將會造成PCCP結構損壞。腐蝕過程通常為銹蝕初始階段與銹蝕擴散階段。如圖2，當t1狀態下鋼絲失鈍，造成腐蝕，氯離子為有效濃度，腐蝕將會持續擴大。在t2-t3狀態下，鋼絲鈍化膜被逐漸損壞，造成點蝕。這一過程保護層將會出現縫隙。T2-t3狀態下，保護層脫落。T3-t4狀態，結構有損壞的危險。

圖2 鋼絲銹蝕過程

針對這一問題，可以通過幾種方法抑制銹蝕。首先，提升保護層膜底，阻礙氯離子擴大逐步深入。其次，提升水泥砂漿孔結構比電參數，減少電量流通繼而抑制氯離子滲入。通過加入硅灰、粉煤灰集料其效果不同。加入粉煤灰后水泥混凝土通過電量對比見表2。加入元寶山I級粉煤灰30%-50%后，電量明顯減少；加入西高井II級粉煤灰30%-50%后，變化明顯。不過，相對于元寶山粉煤灰存在差異性[5]。

表2 加入粉煤灰后水泥混凝土通過電量對比

4)硫酸鹽腐蝕。PCCP的土質環境包含硫酸鹽，其溶液將會與保護層結合。硫酸鹽溶液和水泥中Ca(OH)2和水化鋁酸鈣產生化學反應，形成石膏與硫鋁酸鈣，出現體積膨脹導致保護層裂縫造成混凝土被損害。

針對這一問題，可以結合介質內硫酸鹽濃度制定。通常狀態下，保護層中的水泥砂漿加入硅灰10%，能夠有效阻止膨脹。腐蝕嚴重的，需要將管芯和保護層都適用硫酸鹽水泥。

3.3 保護層外層保護

當PCCP外界環境發生問題時，保護層能夠通過涂煤瀝青環氧涂料。陰極保護也是一種有效PCCP保護方法。不過，在使用過程中需要做好土地環境、地下水等調研，慎重使用。

4 結 語

PCCP自身有著一定有利特征，其使用時間能夠達到100a。通過對PCCP工藝控制，排除外部環境影響。其方法為：

1)繞預應力鋼絲過程中，應防止過快的抽拉、避免高熱量、高抗拉強度。同時，做好氫脆化靈敏性實驗，繼而避免鋼絲氫脆化問題。

2)PCCP內鋼絲需要制定有效方法減少氫原子來源。

3)做好外添加劑、水泥控制。按照有關要求進行定期檢測，進而防止PCCP堿集料發生變化。不過，在同等區域集料各地層將會有明顯不同，還應做好考量。

4)保護層作為PCCP重要影響因素，應結合實際狀態選擇添加的集料。在必要條件時，可以通過陰極保護。

5)電化學再生技術，通過電荷同性相斥與電遷移，把氯離子除掉。此外，構建PCCP耐久性預測模型，通過多種方法確保PCCP穩定運行[6]。

[1]辛成澤.預應力鋼筒混凝土管配件在水利工程建設中的質量控制[J].山西農經,2017(02)：127-128.

[2]根濤,高春花.預應力鋼筒混凝土管(PCCP)數字化蒸養在實際生產中的應用[J].四川水泥,2015(12)：129+4.

[3]苗振鐸.預應力鋼筒混凝土管(PCCP管)內拉法施工[J].安徽建筑,2016，23(04)：78-79.

[4]孫立強,張京京,李恒，等.軟土地基上影響預應力鋼筒混凝土管相對轉角關鍵因素研究[J].巖土力學,2015(s1)：293-298.

[5]郁龍,趙新銘,胡少偉，等.基于ABAQUS的在役PCCP管道承載水壓有限元分析[J].混凝土,2015(10)：135-138.

[6]譚秋華.信豐縣第二水廠一期工程預應力鋼筒混凝土輸水管施工[J].廣西水利水電,2014(04)：54-56.