埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管插口環(huán)向裂縫形成機(jī)理及防治措施

楊昌國(guó)

三河京龍新型管道有限責(zé)任公司，河北廊坊 065201

PCCP管道在生產(chǎn)期間，生產(chǎn)質(zhì)量容易受到多種因素影響會(huì)出現(xiàn)縱向、環(huán)向裂縫問題，兩種裂縫的生成原因有著較大差異，要求生產(chǎn)廠家能夠在把握相關(guān)原因基礎(chǔ)上，找出控制裂縫出現(xiàn)的有效方法，以此在對(duì)PCCP管材生產(chǎn)工藝以及結(jié)構(gòu)作以調(diào)整的前提下，生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的PCCP管道。本文以PCCP管道的環(huán)向裂縫為研究對(duì)象，對(duì)造成此種裂縫的機(jī)制、防治措施進(jìn)行了綜合探討，以此為管材環(huán)向裂縫的預(yù)防與控制提供助益。

1 PCCP插口環(huán)向裂縫生成機(jī)理分析

PCCP管道自身具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和剛度，而且管道接口處有著良好的密封效果，輕易不會(huì)發(fā)生管道中水的滲出滲漏情況，所以在引水工程中的應(yīng)用效果非常好。此種管道對(duì)于生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸條件有著較高的要求，如果這兩個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問題將會(huì)對(duì)管材質(zhì)量造成不良影響，促使管道在拉應(yīng)力的作用下形成插口環(huán)向裂縫，嚴(yán)重影響PCCP管材的質(zhì)量與使用期限，該問題發(fā)生位置多在靠近插口端附近的300mm以內(nèi)。具體原因包括以下幾個(gè)方面。

1.1 混凝土因素

PCCP管道生產(chǎn)過程中，會(huì)在管芯內(nèi)壁澆筑混凝土，如果該材料的強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，會(huì)促使管材內(nèi)壁拉應(yīng)力的生成，繼而逐漸造成管道環(huán)向裂縫發(fā)生。該因素的作用機(jī)理為：在對(duì)管材采用立式澆筑法進(jìn)行混凝土漿料澆筑處理以及密實(shí)度提升處理期間，位于插口端的砂石會(huì)在振動(dòng)力影響下出現(xiàn)直接的下沉作用，因此處于該位置管芯中的石子數(shù)量非常少，而處于管芯中的混凝土砂漿含量較多，并且位于管芯中下層的混凝土強(qiáng)度會(huì)略高于最上層的混凝土強(qiáng)度，繼而在材料強(qiáng)度不一致因素干擾下的上層管芯混凝土抗拉能力出現(xiàn)了巨大的變化，與標(biāo)準(zhǔn)的抗拉能力值作以對(duì)比明顯下降。在之后對(duì)管材進(jìn)行鋼絲纏繞加工時(shí)，該部位截面受鋼絲材料緊固的影響，會(huì)出現(xiàn)截面變形應(yīng)力，該種應(yīng)力與表面拉應(yīng)力直接接觸且發(fā)生頂壓時(shí)，會(huì)誘發(fā)抗拉能力差的插口端上層管芯直接出現(xiàn)環(huán)向裂縫。此外，基于混凝土材料的PCCP管材在制造完畢后，需要在溫濕度適宜的場(chǎng)所進(jìn)行保存以及運(yùn)輸，但是很多廠家為了節(jié)省生產(chǎn)成本，直接忽略了管材的存放要求，導(dǎo)致大量管材在干燥的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，混凝土材料嚴(yán)重脫水出現(xiàn)干縮裂縫，此種干縮效應(yīng)連同管道的預(yù)應(yīng)力便會(huì)發(fā)生管道內(nèi)壁靠近插口端處的環(huán)向裂縫[1]。

1.2 加工工藝因素

PCCP管道生產(chǎn)期間，需要接受預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞工藝的處理，在該過程中管道會(huì)受到鋼絲材料給予的環(huán)向壓，進(jìn)而管道管芯在此種壓力的干預(yù)之下便會(huì)致使此處的混凝土發(fā)生變形，多以環(huán)向狀呈現(xiàn)。同時(shí)該管道的插口鋼環(huán)位置處（鋼筒），會(huì)在內(nèi)向的變形作用下發(fā)生截面突變表現(xiàn)，此種截面會(huì)對(duì)管芯混凝土造成壓迫力，最終會(huì)形成集中的應(yīng)力，對(duì)內(nèi)壁靠近插口端的混凝土進(jìn)行頂壓干預(yù)，以此處抗拉強(qiáng)度作為重要指標(biāo)進(jìn)行混凝土承拉力分析，如果拉應(yīng)力承受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，環(huán)向裂縫問題就會(huì)在發(fā)生截面突變的位置出現(xiàn)[2]。

1.3 結(jié)構(gòu)因素

PCCP管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在相應(yīng)位置進(jìn)行薄鋼筒的嵌埋設(shè)計(jì)，多在管芯處設(shè)置。設(shè)計(jì)期間需要把握好此種鋼筒的厚度，要求筒壁厚度為1.5mm；同時(shí)要控制插口鋼環(huán)材料尾部厚度，該值不少于7.5mm，之后需要借助于螺旋焊機(jī)卷制工藝進(jìn)行材料尾部、鋼板卷的搭接處理，要求長(zhǎng)度需要控制在20mm左右，焊接處理完畢后要對(duì)材料尾部厚度進(jìn)行測(cè)量， 如果該處的環(huán)向截面厚度差未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（一般情況下的厚度值為7.5mm），就會(huì)出現(xiàn)截面突變，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)向裂縫。結(jié)合諸多PCCP管材生產(chǎn)工廠以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可以了解到，截面突變情況發(fā)生概率非常高，多是在搭接焊接處理時(shí)產(chǎn)生，所以結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致的環(huán)向裂縫問題需要引起廠家技術(shù)人員的高度重視。

1.4 起吊因素

廠家按照PCCP管道的制造要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)生產(chǎn)期間，不可避免的要使用吊具進(jìn)行管芯等材料的吊裝運(yùn)送，此種吊具通常為圓盤式。吊具使用時(shí)，會(huì)采用卡具將管芯插口鋼圈凹槽進(jìn)行卡死處理，一般為第二個(gè)凹槽，之后吊具借助于環(huán)向壓力便可以將管芯吊起。常規(guī)使用的管芯重量約為50t，以此吊起時(shí)的壓力會(huì)直接作用在截面突變位置，促使此處有著較多應(yīng)力；與此同時(shí)，在管芯自重的影響下，管道內(nèi)部的混凝土?xí)霈F(xiàn)拉力，在兩種作用力的互相作用之下會(huì)出現(xiàn)力的疊加，造成插口端環(huán)向裂縫。

所以上述四個(gè)方面的因素為導(dǎo)致此種裂縫出現(xiàn)的重要影響因素，技術(shù)人員要求對(duì)以上因素進(jìn)行詳細(xì)研究，從混凝土強(qiáng)度、工藝、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行PCCP管的優(yōu)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，有效提升管道性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)管道的安全且高質(zhì)量的生產(chǎn)。

2 預(yù)防控制環(huán)向裂縫的對(duì)策分析

現(xiàn)階段對(duì)該問題在解決時(shí)，一般不會(huì)對(duì)管材內(nèi)壁厚度尺寸進(jìn)行更改，以免造成PCCP管道加工成本升高、環(huán)向裂縫控制效果不佳的情況出現(xiàn)。因此，從加工工藝、管材結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行的裂縫防治效果理想，生產(chǎn)出的管材經(jīng)過出廠驗(yàn)收幾乎沒有再次出現(xiàn)插口環(huán)向裂縫，管道的外觀精美，沒有劃痕、焊接痕、裂縫以及油漬等異常情況，觀察管芯內(nèi)壁也有著較好的生產(chǎn)品質(zhì)，所以這兩種解決措施值得在PCCP管道生產(chǎn)中多加應(yīng)用。

2.1 工藝方面

該方面重點(diǎn)需要做好插口端混凝土施工，保證管道內(nèi)部相應(yīng)位置的混凝土材料可以均勻的分布，強(qiáng)度等級(jí)符合管道生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。從工藝方面預(yù)防環(huán)向裂縫的具體方法有三方面：其一，提升原材料的質(zhì)量。管道插口端施工時(shí)會(huì)使用到減水劑、水泥等材料，如果這些材料的質(zhì)量性能較差會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的澆筑質(zhì)量，出現(xiàn)管芯上、中、下層抗拉強(qiáng)度失衡的情況，所以在加工管材時(shí)，工廠的作業(yè)人員需要按照PCCP管材加工的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，選購(gòu)優(yōu)質(zhì)的原材料，要求所有的原材料均要有國(guó)家質(zhì)量檢驗(yàn)合格證書，之后將其放置在工廠內(nèi)遮陽(yáng)遮雨的地方，防止材料質(zhì)量受影響；在攪拌混凝土漿料時(shí)，工作人員要按照標(biāo)準(zhǔn)的水灰比選取、配比原材料，將材料放置在攪拌機(jī)中即可進(jìn)行均勻的攪拌，在此期間工作人員要控制好攪拌的時(shí)間，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)攪拌完畢后需要及時(shí)運(yùn)送到管道加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行插口端混凝土澆筑作業(yè)；攪拌結(jié)束后須注意使用時(shí)間，不可長(zhǎng)時(shí)間放置，以免出現(xiàn)泌水現(xiàn)象影響材料質(zhì)量。

其二，合理應(yīng)用振動(dòng)成型工藝。在混凝土澆筑完成之后，工作人員還要應(yīng)用立式振動(dòng)成型工藝做好材料成型處理工作，常規(guī)成型處理后常會(huì)有上部管芯石子嚴(yán)重下沉的情況出現(xiàn)，導(dǎo)致插口端位置處的石子數(shù)量不夠，僅有大量的砂漿。為了解決該問題，工作人員需要了解振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與操作方法，之后按照管道插口端的加工需要，對(duì)于振動(dòng)成型的時(shí)間、順序進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，要求在澆筑混凝土砂漿時(shí)，依照澆筑的順序進(jìn)行成型加工。材料澆筑時(shí)會(huì)先澆筑下方的混凝土層，之后為中部、上部，所以振動(dòng)器的開啟順序即為下、中、上，以便在完成中下層的材料澆筑與振動(dòng)成型作業(yè)后，再對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)石子下沉問題的上部作以澆筑、振動(dòng)處理，規(guī)避此種問題的多次發(fā)生。上層振動(dòng)成型快結(jié)束時(shí)，需要注意在澆筑完畢后對(duì)于設(shè)備的延后振動(dòng)時(shí)間科學(xué)的控制灌漿材料的浮漿層厚度。

其三，重視管芯養(yǎng)護(hù)。要求工作人員在管芯加工的后期，對(duì)內(nèi)部的混凝土材料做好濕潤(rùn)度的養(yǎng)護(hù)，每天定時(shí)在材料上灑水，保證材料有著充足的水分，并且對(duì)管芯進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞處理期間，要求對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)檢測(cè)若強(qiáng)度處于45MPa或以上時(shí)，表明材料的抗拉強(qiáng)度符合要求，材料抗裂能力會(huì)顯著提高。

2.2 結(jié)構(gòu)方面

從管道結(jié)構(gòu)的角度可以對(duì)插口端拉應(yīng)力進(jìn)行降低，來實(shí)現(xiàn)環(huán)口裂縫發(fā)生率的有效控制，具體加工生產(chǎn)時(shí)需要對(duì)鋼絲網(wǎng)片直徑做增加處理，φ5為直徑最佳值；要求使用的鋼絲網(wǎng)片寬度值不低于300mm，鋼環(huán)上部邊緣處焊接時(shí)需要提高焊接尺寸，以此采用鋼網(wǎng)片來對(duì)鋼絲纏繞操作時(shí)生成的截面突變應(yīng)力進(jìn)行分散處理，避免應(yīng)力過度集中，降低環(huán)向裂縫嚴(yán)重程度。

3 結(jié)語(yǔ)

PCCP管道出現(xiàn)插口環(huán)向裂縫的原因較多，需要技術(shù)人員對(duì)于每種原因均可以進(jìn)行全面的分析，之后可以結(jié)合原因采取相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)質(zhì)PCCP管材的大量生產(chǎn)，提升管材在引水工程建設(shè)與應(yīng)用的有效性、安全性以及可靠性。