预应力钢筒混凝土管裂缝控制机理分析

 为了能够有效的提高钢筒混凝土管的安全性能，本文通过对PCCP裂缝产生的机理、分类以及国内外的裂缝控制规范进行分析，从设计、原材料、生产工艺、吊装运输、后期养护等进行裂缝控制机理分析。
    预应力钢筒混凝土PCCP在我国的工程应用领域占据着很重要的作用。由于受到整体的技术水平以及恶劣环境的影响，尤其是在运输环节与生产过程中，不良的养护手段以及生产工艺设计，会造成PCCP很容易出现一些安全性问题，其中管道内衬混凝土很容易产生裂缝问题，对PCCP安全性能产生很大影响。裂缝问题即使通过对管芯制作流程优化、混凝土选料与配比最优，养护等措施处理，但是该问题也会出现。在PCCP管道的正常工作中，由于受到内外载荷的作用，很容易受到内外挤压力产生裂缝，当该问题出现后，会造成钢丝与钢筒发生腐蚀，整个钢筒的结构承载性能下降，钢筒的整体寿命下降，很容易发生爆管安全问题。因此对预应力钢筒混凝土管裂缝控制机理进行分析具有重要的工程意义。
    PPCP裂缝产生的原因与控制标准
    1.1.裂缝成因分析
    对于PCCP来讲，有两种型式，分别为PCCPE和PCCPL两种，由于其生产与制作的工艺的不同，造成其裂缝的形式也不同。由于PCCPE具有更广泛的应用范围，裂缝出现更为明显，且后果更加严重，为此本文将对PCCPE裂缝的成因进行分析。
    对于该型号钢筒内壁裂缝可以分为沿管道纵轴线呈15度内的纵向裂缝与靠近插口处的环向裂缝。其中第一种裂缝主要的成因在于受到外力的作用下或者养护方法不合理造成管芯混凝土性能下降形成裂缝；第二种裂缝成因在于受到管道缠丝后具有一定的拉应力，混凝土位于插口处厚度不足以及吊运环节、养护不合理等原因造成。
    1.2.裂缝分类
    1.2.1.干燥收缩裂缝。此裂缝主要是由水泥石的脱水收缩造成的，管道在脱模后，水泥石的内部毛细孔表面张力增大，以及在凝胶孔隙里的吸附水被蒸发引起收缩现象。干缩裂缝可以导致贯穿性裂缝和表面性裂缝的发生。
    1.2.2.应力裂缝。此裂缝的产生与钢筒卷制方式有关，因钢筒合缝约束混凝土的收缩，使采用螺旋焊钢筒的管芯产生螺旋式裂缝，采用拼接制钢筒的管芯形成纵向裂缝。
    1.2.3.插口裂缝。此裂缝一般产生于钢圈和钢筒搭接处，一般为横向环状裂缝。在现场打压试验中，插口裂缝会使管道发生串皮，不利于管道的正常使用。
    1.3.裂缝的国内外控制标准
    目前国内设计、制造及安装PCCP主要参考ANSI/AWWA C301和ANSI/AWWAC304、AWWA M9，以及国内GB/T 19685及CECS 140等相关标准。
    管道在通水后，管芯内表面裂缝发生自愈合，这属于混凝土的一种特性。因此，管道内表面的环向裂缝只要符合下述条件均能自愈合：①有充足的水分;②引起环向开裂的作用力消失;③在无渗漏时，裂缝宽度不大于1.5mm;有渗泄时，裂缝宽度不大于0.5mm。PCCPE不存在渗泄，因此裂缝宽度不大于1.5mm时，同时存在上述两个条件，此裂缝就可以自愈合。实际工程表明，裂缝一般在通水后1-2个月内愈合，正常运行中管道的使用性能与完好管道相同。
    PCCPE 内表面裂缝控制措施
    管道裂缝成因较复杂，相关的质量控制存在争议，要对裂缝实施有效的控制措施需要从设计、原材料控制、制造工艺、后期养护及装载运输等各个方面进行。
    2.1.从设计上进行设计控制
    国内生产设计的PCCP大多采用ANSI/AWWA C301和ANSI/AWWA C304及AWWA M9等相关标准。因此在设计时，严格遵照相关规范的规定，控制管道开裂。ANSI/AWWAC304中有13条控制准则，都必须符合准则要求。如果设计采用国内标准CECS 140:2011，需要对在正常使用状态下的标准组合和准永久组合进行控制开裂计算，必须满足裂缝控制要求。
    2.2.从原材料上进行控制
    合格的原材料是生产PCCP的基础，同时混凝土技术又是PCCP生产的关键技术之—，混凝土的质量直接影响到管道的质量。因此，PCCP生产前，必须对原材料的质量严格控制，对水泥、砂石骨料、高强钢丝和钢板、密封胶圈等原材料的进行严格的检查。
    2.3.从生产工艺过程上进行控制
    PCCP生产工艺过程包括管芯成型、混凝土拌制、钢筒制作、预应力钢丝缠丝及砂浆保护层辊射等。对各个生产工艺的过程进行严格的控制，比如承插口钢板圈的胀圆尺寸；承插口钢圈和钢筒焊接时的端面倾斜度等。此外，在管道插口端内壁混凝土成型过程中，放置适量的纵向加强钢筋是为了加强管芯内壁混凝土抗拉区域的配筋面积，钢筋长度为500-600mm，间距为50-100mm。
    2.4.从后期养护上进行控制
    加强混凝土的浇水养护，比如增加浇水的次数，延长浇水的时间。对炎热或干燥等不利环境，应釆取综合保护措施，比如砂浆保护层最小的含水量为干料总重的7.5%;在管道的外围加养护罩以阻止砂浆保护层中的水分蒸发，养护罩应为浅色;在管外壁涂刷白色涂料或其他材料以减少阳光辐射。上述措施可以单独或者组合应用，根据各工程的实际情况而定。
    2.5.从吊装运输上进行控制
    管芯脱模时，避免吊运造成的冲击破坏和碰撞，否则表面会出现裂缝。搬运过程中，必须使用尼龙带、宽帆布吊索、宽加垫叉斗以及经过特殊设计的滑动垫木装车设备。长途运输时，管道的承插口端要妥善包扎，以防滚动破坏。

    对于PCCPE来讲，其在生产与运行管理的环节，出现裂缝问题是不可避免的，一般来讲一定范围内的环形裂缝对钢筒管的性能以及安全性的影响较小，且能够对内壁裂缝的自动愈合很有利。为此，PCCPE管道经过一段运行和回水养护过程后，内壁环向裂缝能够愈合。通过从设计、原材料、生产工艺、吊装运输、后期养护等方面，全面的对管道进行质量控制，提高管道的运行寿命具有重要的作用。