PCCP内层混凝土裂缝湿胀自愈原型试验研究

黑君淼 张雷顺

摘要：预应力钢筒混凝土管（PCCP）内层混凝土出现环状螺旋裂缝的现象较为普遍，有些裂缝在使用过程中遇水自愈不需要修补，而当裂缝宽度较大不修补时，裂缝会引起PCCP内置薄壁钢筒的锈蚀，形成事故隐患，为此开展了PCCP内层混凝土裂缝湿胀自愈原型试验研究，以期为PCCP内层混凝土裂缝宽度验收标准的制定提供依据。试件采用2根龄期分别为36d和75d的原型PC-CP，外径2864mm、内径2400mm、长度6000mm，钢筒厚1.5mm、直径2513mm。试验时将PCCP试件置于试验井，观测在水中浸泡不同时间后内层混凝土裂缝闭合情况。根据测量得到的裂缝宽度改变值，推算出内层混凝土的湿胀速度、应变等。通过对试验结果的分析，得出防止内置钢筒锈蚀的PCCP内层混凝土表面裂缝控制宽度计算公式。

关键词：预应力钢筒混凝土管；裂缝宽度；湿胀；自愈

中图分类号：TV522；TU528.31 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.031

河南省南水北調配套工程共敷设各类输水管道900多km，其中管径大于等于1.4m、压力高于0.8MPa的管道一般选用预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）。据初步统计，河南省南水北调配套工程中敷设PCCP总长度约670km，约占输水管道总长的70%。

PCCP生产、运输、放置和安装期间，内层混凝土出现环状螺旋裂缝的现象较为普遍。理论分析和生产实践表明[1-2]，在现有的生产工艺下，PCCP内层混凝土出现环状螺旋裂缝难以避免，这些裂缝不会影响PCCP的强度。但当裂缝宽度较大而不修补时，会引起PCCP内置1.5mm厚薄壁钢筒的锈蚀，使用时在水压力作用下，可能引起管道渗漏甚至爆管，引发事故。美国水行业协会研究基金报告显示[3]，美国在1942-2006年共发生399次PCCP爆管事故。

针对PCCP内层混凝土裂缝可能产生的危害，国内外对最大环状螺旋裂缝宽度提出了验收标准，同时对裂缝产生的原因、裂缝宽度控制等进行了大量研究[4-5]。但对环状螺旋裂缝多大宽度可以靠PCCP使用时遇水自愈而不需要修补、当裂缝宽度超过多少时需要修补等问题还缺乏深入的研究，特别是未对大尺度原型PCCP内层混凝土进行过湿胀试验。因此，通过试验研究提供较为合理、可靠的裂缝湿胀自愈宽度数据，对PCCP的生产、验收和使用具有非常重要的意义。

1 研究现状

美国水工协会标准《预应力混凝土压力管·钢筒型》（ANSI/AWWAC 301-2007）规定[6]：PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝宽度不大于1.5mm时不需要修补；宽度大于1.5mm的环状螺旋裂缝，若连续浸泡在水中能自愈到顾客满意，也可以不修补。我国行业标准《预应力钢筒混凝土管》（JC 625-1996）规定[7]：PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝宽度不大于0.25mm时可以不修补，大于0.25mm时应修补。我国国家标准《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）规定[8]：PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝宽度不大于0.5mm时可以不修补，大于0.5mm时应修补。

国内外标准规定的PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝不修补的最大宽度相差甚大，从0.25mm到1.5mm。笔者认为其原因之一是对PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝遇水自愈能力认识的差异，也就是说，目前国内外的研究还没有为PCCP内层混凝土裂缝宽度验收标准提供较为可靠的依据。

美国水行业协会的《管道手册》中“混凝土的自愈合”一节里列举了混凝土自愈的部分实例，并阐述了混凝土自愈的机理[9]：混凝土内游离氧化钙以及被水泥中硅酸三钙释放出来的氢氧化钙会与周围空气中的水、二氧化碳结合形成碳酸钙晶体。碳酸钙晶体沉淀后，直接堆积于裂缝表面，从而使裂缝愈合。这里所说的混凝土裂缝自愈实际上是混凝土裂缝遇水后的化学自愈，而不是湿胀自愈。张成军等[10]认为：管道安装后，内壁浸于水中，致使管道混凝土及砂浆充分吸水并产生体积增加，即产生混凝土湿胀变形。管道埋人地下后所发生的湿胀是有益的，可使混凝土干缩变形得到部分恢复，而使裂缝宽度减小。其阐述了对混凝土裂缝湿胀自愈的认识，而没有具体的试验数据。

化学自愈虽对裂缝自愈抗渗有一定作用，但需要时间较长、可靠性较差。现有的混凝土湿胀研究都是在实验室进行的试块试验研究，属于无约束条件下的混凝土湿胀试验研究。黄国兴[11]认为，混凝土湿胀变形比水泥湿胀变形小得多，湿胀应变为100～150με（με是微应变，等于10-6，下同）；李惠明等[12]通过室内湿胀试验认为，不加掺合料的混凝土，7d自由湿胀应变为150～200με，之后稍有增加；席耀忠认为[13]，水泥用量为300kg/m3的混凝土180～365d的湿胀应变仅为130με。

然而，PCCP内层混凝土的湿胀变形是在约束条件下进行的，其湿胀受到PCCP内置钢筒和未被水浸泡的混凝土的约束。这种约束条件下的湿胀应变与自由湿胀应变有多大差别，能不能把混凝土自由湿胀应变值用于PCCP内层混凝土湿胀分析，目前缺少相应的研究。因此，进行PCCP内层混凝土湿胀原型试验，了解在这种实际结构条件下的内层混凝土湿胀特性很有必要，对于合理制定PCCP内层混凝土裂缝宽度验收标准等具有重要意义。

2 湿胀试验

为掌握PCCP内层混凝土在水中浸泡时的湿胀和裂缝自愈情况、裂缝自愈的速度，能自愈的最大裂缝宽度，笔者在河南省原阳县境内的浙江巨龙管业股份有限公司原阳分厂进行了PCCP湿胀原型试验。

2.1 试件选择

试件选用2根PCCP，1根龄期36d、另1根75d，其参数如下。

几何尺寸：PCCP内径2400mm、外径2864mm、长度6000mm，内层混凝土外径2800mm，内置钢筒直径2513mm、厚度1.5mm。

内层混凝土设计强度C50，原材料配合比：水175kg/m3、水泥510kg/m3、砂620kg/m3、石子1102kg/m3、减水剂（聚羧酸高效减水剂）5.1kg/m3。

水泥型号：P.042.5普通硅酸盐水泥。

钢筒外缠绕的预应力钢丝：直径7mm，间距14.9mm，张拉应力1278mPa。

PCCP养护：静养3h，升温2～3h，恒温6h，恒温温度（52～62）℃，降温（1～2）h。

2.2 试验方法

（1）试验前检测PCCP内层混凝土环状螺旋裂缝分布，绘出裂缝分布图，标注裂缝检测点位置及裂缝宽度。

（2）用桁架吊车将PCCP吊放进试验井。

（3）向试验井注水，使内层混凝土被水浸泡，PCCP外层不被水浸泡。

（4）36d龄期的PCCP，连续浸泡1、3.5、11d时，用桁架吊车吊出、平移，并平放在检测台；75d龄期的PCCP，连续浸泡1、3、16d时，用桁架吊车吊出、平移，并平放在检测台。

（5）测量检测点裂缝宽度并记录。

（6）检测完后立即将PCCP吊放回试验井，继续浸泡。

3 试验结果

3.1 36d龄期的PCCP湿胀试验结果

裂缝分布及检测点布置见图1，不同浸泡时间裂缝宽度测量结果见表1。

32 75d龄期的PCCP海胀试验结果

裂缝分布及检测点布置见图2，不同浸泡时间裂缝宽度测量结果见表2。

4 结果分析及结论

4.1 试验结果处理

由于36d龄期PCCP的1#～5#检测点、75d龄期PCCP的1#检测点位于PCCP插口端附近，75d龄期PCCP的24#～26#检测点位于承口端附近，因此这些点的裂缝宽度变化受端部边界影响较大，在处理数据时将其剔除。

将各检测点的平均湿胀应变近似作为内层混凝土的湿胀应变，由下式求得：式中：εm为浸泡m天时内层混凝土的平均湿胀应变；n为检测点个数；εim为检测点i浸泡m天时沿PCCP轴向发生的湿胀应变；ai0为第i个检测点未浸泡时的裂缝宽度，aim为第i个检测点浸泡m天时的裂缝宽度；li为检测点i距前后两条裂缝距离之和的一半。

根据试验结果，经处理得到的内层混凝土湿胀应变与浸泡时间的关系见图3。

4.2 试验结果分析

4.2.1 湿胀与自愈

试验表明，PCCP内层混凝土浸水后一定会发生湿胀变形，其原因是水泥凝胶体吸水后，水分子会克服凝聚力的作用，迫使凝胶体粒子进一步分离，从而产生膨胀压力，同时水的浸入又使凝胶体的表面张力变小，因而混凝土会产生湿胀。内层混凝土的湿胀变形使裂缝宽度减小，较小的裂缝可以完全闭合，较大的裂缝可以闭合一定程度，使得裂缝宽度和深度减小。

4.2.2 湿胀速度

试验表明，内层混凝土浸泡初期湿胀速度最大，1d的湿胀应变约占15d总湿胀应变的70%，3d湿胀应变约占80%，3d后湿胀速度变缓。由此可知，内层混凝土裂縫湿胀自愈速度较快，裂缝将在PCCP通水后最初几天内完全闭合或裂缝深度迅速缩小。

4.2.3 裂缝与龄期

36d龄期PCCP在湿胀试验前，内层混凝土平均裂缝宽度0.12mm，平均裂缝深度6mm，宽深比为0.020；75d龄期PCCP在湿胀试验前，内层混凝土平均裂缝宽度0.21mm，平均裂缝深度12mm，宽深比为0.018。75d龄期PCCP内层混凝土平均裂缝宽度、深度分别是36d龄期PCCP的1.75、2倍。36d龄期和75d龄期PCCP内层混凝土在约束条件下的最大湿胀应变分别为96、140με。因此，最大湿胀应变随平均裂缝宽度、深度增大而增大，它还与约束条件有关。

进一步分析表明[13]，PCCP内层混凝土湿胀应变的大小与裂缝深度有一定关系。裂缝深度越大，混凝土湿胀受到PCCP内置钢筒及未浸水混凝土的约束作用越小，湿胀应变越大，越接近自由湿胀应变。36d龄期PCCP裂缝深度6mm，内层未浸水混凝土的约束湿胀系数为1.7，75d龄期PCCP的裂缝深度12mm，内层未浸水混凝土的约束湿胀系数为1.3，二者换算得到的内层混凝土自由湿胀应变约为180με。这与实验室得到的混凝土自由湿胀应变为100～200με的结论相近[14-15]。

4.2.4 内层混凝土表面裂缝宽度允许值

控制内层混凝土表面裂缝宽度的目的是使PCCP通水工作时裂缝深度离内置钢筒有一定距离h0，以防止钢筒锈蚀。假定裂缝截面成三角形（见图4）。在保证h0时，内层混凝土裂缝表面宽度应满足

b≤（h-h0）γ+εsl（1）式中；b为内层混凝土表面裂缝控制宽度；h为内层混凝土厚度；γ为内层混凝土裂缝表面宽度与裂缝深度之比；εs为内层混凝土约束湿胀应变；l为PCCP螺旋焊缝螺距。图4中：b0为水浸后表面裂缝宽度；b1为湿胀后表面裂缝宽度的减小量。

将试件PCCP参数h=40mm、h0=20mm、γ=0.02、εs=150×10-6、l=1000mm代入式（1），可得内层混凝土表面裂缝控制宽度为0.55mm。也就是说，在裂缝宽度不大于0.55mm时，裂缝湿胀自愈使得裂缝深处距内置钢筒的距离不小于20mm，不会引起钢筒锈蚀，不必进行裂缝修补。

式（1）计算的内层混凝土表面裂缝控制宽度与我国国家标准《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）给出的控制值0.5mm非常接近。当试件PCCP内层混凝土环向裂缝条数较少时，裂缝宽度的限制可适度放宽。譬如，当环向裂缝仅有4条时，裂缝间距增大到l=1250mm，由此求得的b≤0.59mm；当环向裂缝仅有2条时，裂缝间距增大到l=2000mm，由此求得的b≤0.70mm。

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