PCCP插口内壁混凝土环裂形成机理及控制措施研究

2015-12-15唐连涛

水利规划与设计 2015年5期

关键词：管芯钢筒插口

唐连涛

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳111000）

PCCP插口内壁混凝土环裂形成机理及控制措施研究

唐连涛

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳111000）

本文结合大口径PCCP管生产经验，通过调查、统计、分析、原型检验、成因分析和生产实践的方式，对管芯内壁混凝土环向裂缝问题进行了系统的研究，并采用有限元法对管芯裂缝进行模拟探索，研究提出了混凝土环裂形成机理及控制措施。

PCCP；混凝土环裂；形成机理；控制措施

1 概况

PCCP管内壁混凝土常见裂缝为靠插口端300m m范围内的环向裂缝和沿钢筒螺旋焊缝位置的螺旋裂缝。为系统研究该问题，对某重点输水工程项目某PCCP管厂2个月的生产管件进行调查、统计、分析、原型检验、成因分析和生产实践研究。该厂生产的PCCP管规格为3800～5000m m，具体指标如表1：

表1 产品生产指标统计表

表2 裂缝调查成果统计表

2 裂缝产生情况

通过对管厂2014年9～10月份生产的PCCP管裂缝产生情况的调查发现，裂缝主要为靠插口端300m m范围内的环向裂缝和沿钢筒螺旋焊缝位置的螺旋裂缝。各种规格PCCP裂缝产生情况如下：

（1）管芯壁厚295m m的单层缠丝管子，统计总数246根，其中插口端无环向裂缝的为118根（占比48%），非整圈环裂的为83根（占比34%），整圈环裂的45根（占比18%）。

（2）管芯壁厚295m m的双层缠丝管子，统计总数458根，其中插口端无环向裂缝的为133根（占比29%），非整圈环裂的为152根（占比33%），整圈环裂的173根（占比38%）。

（3）管芯壁厚320m m管检查11根，350m m的厚壁管检查10根，均存在整圈的环向裂缝。裂缝统计情况见表2：

上述检查中管芯内壁环向裂缝的宽度均不超过0.4m m，裂缝宽度指标符合标准规范和合同文件的合格要求。

3 裂缝原因分析

经调查统计，插口内壁裂缝主要产生于管芯缠丝阶段，一般位于距端部约200～300m m处、呈环向状。裂缝刚出现时的宽度多在0.1～0.2m m，随着堆放期受混凝土干缩以及吊运自重的影响会逐步扩展至1.5m m以内甚至超过1.5m m并延伸至整环。该裂缝的产生机理比较复杂，但主要可概括为五个方面的原因：

3.1 结构原因

本次研究统计的PCCP管芯内嵌埋的防渗薄钢筒厚度为1.5m m，而插口钢环的型材尾部厚度为7.5m m，薄钢板卷通过螺旋焊机卷制搭接在插口钢环的型材尾部，搭接长度约20m m，搭接焊后在插口钢环的型材尾部处的整个环向截面形成厚度差为7.5m m的截面突变，造成局部应力集中。

3.2 制管工艺原因

PCCP管在缠绕预应力钢丝的工艺过程中，对管芯施加了环向压力，含钢筒的管芯混凝土均将产生环向的向内收缩变形，由于嵌埋的薄钢筒在插口钢环根部结构上存在的截面突变，该突变的截面压迫管芯内壁混凝土并于截面突变处形成应力集中，顶压管芯内壁混凝土而使管芯内壁混凝土承受拉应力，当管芯内壁混凝土内表面所承受的拉应力达到或超过该部位混凝土的抗拉强度时，管芯内壁混凝土在薄钢筒结构的截面突变处直接形成环向裂缝。

3.3 管芯插口端内壁混凝土强度原因

在管芯混凝土立式浇注的振动密实过程中，石子往下沉，造成插口端的管芯混凝土缺少石子，富含砂浆，致使上层的插口端管芯混凝土强度低于中、下层管芯混凝土，该部位混凝土的实际抗拉强度值下降，不足以抵抗缠绕钢丝时该部位因截面突变形成的应力集中而直接顶压管芯内壁混凝土形成的表面拉应力，从而形成环向裂缝。

3.4 吊运

PCCP在成型、脱模、缠丝和制作水泥砂浆保护层时均为立式操作。吊具为特制的自锁卡具，卡在插口异型钢环上的橡胶密封圈凹槽内。由于插口钢环与端部管芯混凝土之间没有可靠的锚固措施来保证共同工作，混凝土与钢材两种不同材料变形性能不同，管子每次吊运时因管子自重及其冲击力会导致插口钢环拉力突然增大，造成端部管芯混凝土轴向受拉，插口钢环与端部管芯混凝土之间已产生的微裂缝会增大，频繁的吊运会加大裂缝宽度。

3.5 混凝土的干缩

混凝土的干缩变形促使裂缝宽度进一步发展。插口端裂缝产生于管道生产期，之后一般存放于露天环境直至管道安装，其间要经历长期相对湿度较低的气干过程，一般设计天数为90d，个别情况下会达到半年甚至超过1年。混凝土在长期干燥环境下收缩会产生裂缝，对于已产生的裂缝，其两侧混凝土还成为干缩的自由边界，插口端部裂缝宽度不断发展。

4 防治措施

根据国标G B/T 19685-2005《预应力钢筒混凝土管》有关规定：对于PCCP内壁裂缝，管子内表面出现的环向裂缝或螺旋状裂缝宽度不应大于0.5m m（浮浆裂缝除外）；距管子插口端300m m范围内出现的环向裂缝宽度不应大于1.5m m；成品管子内表面沿管子纵轴线的平行线成15°夹角范围内不允许存在裂缝长度大于150m m的纵向可见裂缝。可见只要对管芯内壁裂缝发展进行有效的控制，就能够保证PCCP的质量和应用。根据上述插口端环裂的质量统计数据，本研究制定了不改变管芯壁厚295m m的设计尺寸，从结构和混凝土工艺上采取如下防治措施。

4.1 结构措施

4.1.1 插口钢环内侧的钢丝网片直径由合同要求的φ 4m m增加至φ 5m m，钢丝网片的宽度由300m m增加为500m m；同时插口钢环的外侧拟增设布置整圈钢丝网片，直径规格为φ 5，宽度尺寸为500m m。主要考虑是利用钢网片的抗拉特性，同时通过足够宽度的钢丝网片在缠绕预应力钢丝的工艺过程中使结构截面突变引发的应力集中造成的顶压力得到分散，可化解或减小该部位的应力集中造成环向裂缝的危害程度。

4.1.2 拟适当地提升混凝土自身强度指标，将现有的C 55强度级别的混凝土提升为C 60，以提升管芯内壁混凝土自身的抗裂能力。

4.2 工艺措施

4.2.1 加强各组分原材料的质量控制，执行工艺确定的最佳搅拌时间，在控制好水灰比的前提下确保混凝土的匀质性、和易性和可施工性。

4.2.2 立式振动成型工艺存在上部石子下沉，砂浆上浮，在插口端会形成富含砂浆（缺少石子）的区段，采取添加合格的新拌混凝土并通过外模的溢留口挤走（置换）该区段的浮浆层，改善和提高插口端混凝土的质量和强度值，从而提高该部位混凝土的抗裂能力。

4.2.3 加强管芯后期洒水养护，控制缠丝时的管芯混凝土强度指标≥45MP a，巩固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力。