预应力钢筒混凝土管（PCCP）保护层设计探讨

2010-09-17李向东

山西水利科技 2010年3期

李向东

（水利部山西省水利勘测设计研究院，太原 030024）

预应力钢筒混凝土管（PCCP）是在带有钢筒的混凝土管芯外缠绕环向预应力钢丝，再辊射以致密水泥砂浆保护层而制成的管子。保护层一方面保护预应力钢丝不受物理损害，另一方面又能阻止有害介质和水分侵入，避免腐蚀结构内预应力钢丝和钢筒，是保证耐久性和提高质量的关键。

来自有关国外工程的调查表明，保护层脱落、裂缝及厚度不足等问题是引起PCCP引水工程事故的原因之一，如利比亚大人工河工程和美国的输水工程[1]等。虽然我国引进PCCP的时间较晚，但在已投入运行的埋地预应力钢筋混凝土管工程中，发生了大量混凝土保护层脱落、管身露筋锈蚀等质量问题，有的甚至发生爆管[2]。故应借鉴国内预应力钢筋混凝土管及国外PCCP工程的成熟经验，采取措施提高保护层质量，提高PCCP工程安全性和耐久性。本文结合南水北调PCCP工程及山西坪上应急供水工程实践，从设计角度分析了PCCP砂浆保护层的主要技术指标。

图1 山西坪上应急供水工程PCCP结构大样

1 坪上应急供水工程保护层受力分析

PCCP管道的设计主要考虑正常使用极限状态、弹性极限状态、强度极限状态。为了说明问题，对山西坪上应急供水工程DN1800PCCP，在正常使用极限条件下，荷载组合W1（W1=管身自重+输送介质自重+外部恒载+工作内压）、WT1（WT1=管身自重+输送介质自重+外部恒载+工作内压+瞬时内压），对PCCP管芯及保护层的受力状态进行分析。

1.1 PCCP基本设计参数

内径1.8m、工作压力0.6MPa、瞬时内压0.276MPa、管顶覆土3m、回填料容重19.2kN/m3，管基中心角90°，汽车荷载为汽-20级。结构剖面见图1。

1.2 保护层应力情况

在荷载作用下，以钢筒为界，管芯内层混凝土管顶的第一主应力分布特征为内壁大外壁小（管顶内壁顶点处拉应力最大）；而管侧为内壁小外壁大。管芯外层混凝土第一主应力的分布与内层混凝土不同，管芯两侧的应力值较管顶、管底大，内壁小而外壁大。管顶管底的应力内壁大外壁小。在PCCP管与垫层接触的区域，拉应力最小，但压应力最大。因此极限状态设计法以管顶/管底的内壁裂缝及管侧的外层混凝土、砂浆保护层裂缝为设计的控制条件。砂浆保护层仅20mm，辊射在缠丝的管芯上，开裂之前应力分布规律基本与管芯外层混凝土一致，最大值出现在管侧外壁，因此管两侧砂浆保护层首先开裂，开裂后两侧应力释放，主拉应力的最大值向下转移，引起其它部位继续开裂。

在组合荷载W1、WT1作用下，采用美国AWWA C304对PCCP应力进行复核。将管芯内、外层混凝土、砂浆的应变值列表1如下：

表1 PCCP理论应变值

由表1知，保护层拉应变均大于管芯的应变值，而外层管芯的拉应变最小，管芯内壁拉应变居中。砂浆保护层的应变值之所以最大，由PCCP的结构特点决定：钢丝对管芯有预应力的作用，当结构受内水压力时，钢丝预应力抵消后才能在管芯上产生拉应力、拉应变破坏；砂浆保护层没有预应力，易产生拉应力、拉应变。因此，砂浆保护层将先于PCCP其他部分而破坏。

2 保护层技术性质

保护层产生裂缝或破坏后，氯离子及其它腐蚀性离子进入PCCP结构内部，腐蚀预应力钢丝，发生预应力损失甚至断丝，最终产生爆管等结构破坏。因此，保护层是保护预应力钢丝的一道屏障，其质量也是制约PCCP结构耐久性的关键之一。

2.1 原材料

保证PCCP质量，应从原材料入手。保护层原材料主要由水泥、细骨料和减水剂组成，除应符合我国水泥、建筑用砂、减水剂相关规范外，应重点避免碱骨料反应。建议普通硅酸盐水泥碱含量低于0.6%，铝酸三钙含量不高于5%；保护层砂浆用非碱活性天然细砂作为骨料；减水剂采用低碱、低收缩、高保坍、低掺量的聚羧酸高效减水剂，并控制砂浆混合物中水溶性氯离子含量不超过水泥重量的0.06%。南水北调PCCP工程原材料质量要求较高，水泥实测碱含量为0.49%，细砂实测最大膨胀率为0.05%。

2.2 厚度

根据氯离子环境下钢筋混凝土结构耐久性研究成果，氯离子侵蚀导致抗力衰减的起点与混凝土厚度的平方成正比，保护层厚度微小增加，可导致钢筋初锈时间大幅后移，延长结构使用寿命[3]，但随着厚度的增加，保护层外表面受钢丝握裹作用降低，在受拉或弯矩情况下容易形成保护层裂缝，引起预应力钢丝腐蚀和PCCP寿命缩短[4]。因此，保护层厚度的确定应综合考虑PCCP特征、沿线土壤中腐蚀性离子浓度的影响。AWWA C301规定，PCCP预应力钢丝砂浆保护层的最小厚度为19mm。《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19865-2005）建议，直径1.4m以上双胶圈埋置式PCCP保护层的厚度为20mm。在南水北调工程中，DN4000PCCP设计保护层厚度为25mm，山西坪上应急供水工程DN1800PCCP保护层厚度取20mm。综合考虑环境湿度、水灰比及保护层厚度等因素，可以预测在不进行防腐、质量合格且环境湿度RH＞60%的情况下，预应力钢丝开始锈蚀的时间大于50年[5]。

2.3 强度

除保护钢丝不受腐蚀外，砂浆保护层主要起着抵抗可能的外界碰撞、传递外荷载及承受由荷载引起的拉应力和压应力作用，因此应具有足够的强度。AWWA C304规定，砂浆保护层的设计抗压强度（圆柱体）为37.9MPa；设计抗拉强度：

在PCCP制作过程中，按AWWA C301要求对保护层砂浆强度进行控制：将水泥砂浆直接辊射到固定管芯的模板上，制作试样后采取保护层同条件养护，然后用金刚石锯片从砂浆试样上切下6块25mm×25mm×25mm试块。按ASTM C109实验要求进行抗压强度检验，6块立方体试块的28天龄期抗压强度平均值不得低于48MPa。南水北调北京段PCCP28d检验强度见表2。

表2 保护层砂浆立方体抗压强度统计

2.4 密实度和吸水率

砂浆属于多孔结构，具有一定的渗透性，腐蚀性介质可通过保护层侵蚀内部预应力钢丝，且介质扩散速度主要与保护层表面介质浓度、保护层密实度等因素有关。因此，提高砂浆密实度是增强保护层抗渗性和抑制碳化的有效途径。工程中通过完善配合比和采用合理生产工艺实现提高密实度的目的。AWWA C301要求保护层砂浆配比按重量计不大于1：3（水泥：砂），从搅拌机采样的砂浆含水量应不小于拌和物干总重的7%。南水北调北京段PCCP工程和山西坪上应急供水工程采用低水灰比的砂浆配合比（1：2，水泥：砂），选用级配良好的天然细砂作为骨料，采用合理的辊射工艺，利用一对辊射轮，以最大45.8m/s的线速度，将砂浆辊射至PCCP，形成密实的保护层。

AWWA C301用砂浆吸水率间接检验和控制保护层密实度，吸水率实验依据为ASTM C497方法A。取同班同批喷涂保护层作业中的至少3个试件的平均值作测定。试件采用与管道保护层相同的制作方法和养护方法。工程要求砂浆试件吸水率的平均测定值小于9%，且单件测定值小于11%。保护层砂浆吸水率试验结果见表3。

表3 保护层砂浆吸水率试验结果

2.5 抗裂性能

为保护预应力钢丝不受腐蚀，PCCP保护层外表面不允许出现可见裂缝（宽0.025mm）。设计人员应通过对管芯混凝土、钢筒、缠丝面积及保护层砂浆配比、厚度等进行系统选择，从设计角度避免保护层裂缝。以南水北调北京段PCCP工程工作压力0.6MPa、管顶覆土深度5m的PCCP管型为例，在WT1作用下，保护层计算最大拉应变为5.13×10-4，低于产生可见裂缝的拉应变限值1.14×10-3；在W1作用下，保护层计算最大拉应变为4.54×10-4，低于产生微裂缝的拉应变限值9.12×10-4。所以理论上在正常使用极限状态下不会出现微裂缝和可见裂缝。生产厂对该工况管道进行了三边承载试验，试验荷载达到设计荷载的120%时保护层仍未出现裂缝，达到设计荷载的140%时，管侧保护层及管顶内壁开始出现微裂缝。试验说明，在荷载作用下，PCCP裂缝的产生与极限状态设计法的管芯内、外层混凝土应力的分布特征相吻合。因此保护层应作为保证和提高PCCP工程耐久性的关键因素进行高度重视。