预应力钢筒混凝土管（PCCP)耐久性探讨

宋涛  杨仕奇  曹红武  李国盛

摘要:预应力钢筒混凝土管(PCCP)具有强度高、抗渗性高、密封性好、耐久性强、维修成本低廉等特点，已成为长距离输调水的优先选择。然而，随着服役时间的增长，其存在断丝、漏水、爆管等问题，一旦出现问题，不仅对城镇供水安全构成了严重的威胁，而且还会带来重大的社会影响。基于此，本文首先分析了预应力钢筒混凝土管(PCCP)结构特点，其次，重点对防范混凝土碱集料反应方法进行分析，最后提出强化预应力钢筒混凝土管(PCCP)耐久性措施。

关键词：预应力；钢筒混凝土管；PCCP；耐久性

埋入式预应力钢筒混凝土管是先在钢筒内壁及钢筒外壁上先浇注一层混凝土，再在钢筒外绕一圈预应力钢丝，再滚涂水泥砂浆保护层。从结构上来看，不管是内衬型，还是埋入型，钢筒都以防水为主，内压通过预应力绞线与混凝土共同承担，外浇筑土载荷通过钢筒、混凝土分担，保护层起到了保护作用，插座的铁丝便于在工地上进行对接，便于施工。钢筒、混凝土和保护层的好坏，不仅关系到混凝土的使用年限，而且还会影响到制品的生产过程。因此，正确地选用集料、抑制碱-集料的作用、确保预应力钢绞线及保护层的质量至关重要。

1.预应力钢筒混凝土管(PCCP)结构特点

PCCP结构主要具有以下3个特点：

(1) 压力承载力主要是沿管体环向排列的、直径5-7 mm的预应力钢丝来提供。钢筒混凝土没有采用普通钢筒，而是以预应力钢绞线为主，与钢筒一起构成了钢筒的主体承载结构。

(2) 钢筒的厚度通常在1.5毫米左右，其主要作用是起到建筑物的防渗作用。

（3）砂浆层的厚度不小于25mm，主要是为了防止预应力钢绞线受到外部腐蚀。根据其结构特征，可将其划分为两种类型，如图1所示。可以看出，环向预应力是保证PCCP安全的关键，其耐久设计应兼顾使用环境和结构安全。，特别是对混凝土中的预应力筋和砂浆保护层进行耐久设计。

（a）L型                       （b）E型

图1 PCCP结构示意图

2.防范混凝土碱集料反应方法

碱-集料反应主要是由于水泥中碱金属与集料中碱金属离子的结合而产生。当混凝土凝固时，它会缓慢的进行化学反应，从而形成一种胶凝材料。这些材料倘若吸收足够的水分，很容易发生膨胀，久而久之容易出现开裂的现象。在混凝土拌和时，必须对掺入的水泥和掺合料中的碱含量进行有效地控制，以防止碱-集料反应。通过添加矿粉和粉煤灰，可以降低水泥中的碱量。

2.1添加混合集料方法

以活性高的集料为原料，制备了以沸石为原料的掺量为5%、10%、20%、30%的混凝土。通过相关的研究表明：如果混凝土中没有添加沸石，且掺和量为5%时，混凝土管膨胀的发生率高达0.05%。当9个月后，膨胀率会持续变高，可能达到0.1%，进而发生有害性膨胀反应。倘若填料的规格控制为10%,20%,30%时，碱-集料的反应膨胀会很大程度得到抑制。由此可见，当混合料的配比控制在合理范围内，该方法可以有效地控制碱集料的活化膨胀。同时，通过增加一定量的沸石也会明显看出混凝土碱集料反应的情况。同时，水泥砂浆的膨胀率随水泥用量的增大而减小。

2.2不同集料参入效果对比

我国学者对各种集料的性能及性能进行了大量的实验研究。用粉煤灰、矿料、硅灰和沸石粉组成的混合集料，其反应活性明显提高。对不同集料对碱混凝土膨胀率的影响进行了实验研究，以硅粉对碱混凝土膨胀率的影响最为显著，约为10%；9个月后，该产物的膨化率达到了0.03%.当沸石与粉煤灰分别加入20%时，膨胀率可达0.03%；加入比例在40%左右，可以达到0.03%左右。随着集料加入量的增大，混凝土产品膨胀率降低；不同种类的集料，其膨胀抗力也各不相同。其中硅粉对碱混凝土的反应膨胀有很大的影响，当掺量少时，膨胀率可降至0.005%。在此基础上，还应选取有效的阻力措施。参入量的测量可以根据集料的活化状态进行。

3.强化预应力钢筒混凝土管(PCCP)耐久性措施

3.1建立阴极保护体系

阴极保护体系的基本原理是，在钢筒表面连续施加一定浓度的阴极电流，通过在钢筒表面加载电流或活性较高的金属，达到抑制或抑制钢筒自身氧化电极反应的目的。按规定，该装置的寿命可分为：①按 GB/T50477-2019标准，采用阴极防护的最小寿命为30年；②按照JTS153-2015标准对腐蚀介质进行腐蚀防护，其防护寿命不能少于30年。③根据钢筒实际的腐蚀情况及使用寿命，可以按照30年甚至50年的使用期限进行阴极保护体系设计和制定。在工程实践中，要注意监测管线中钢筒锈蚀状况以及管线在运营期内的运行状况，以掌握管线的腐蚀状况，并采取相应的应对措施，防止管线出现“欠保护”“过保护”现象。

3.2增加保护层密度

提高防护密度的基本原则为：采用合理的滚轧工艺，降低水泥浆体的水灰比。目前所采用的滚轧成型技术主要是从国外引进的，因此，必须预先做好灰浆配合比，在筛分曲线范围内选定砂子直径，使辊筒喷射强力。同时，要对管芯转速及运行速度加强控制，保证保护层的光滑。还要控制间距，保证最小的砂浆粒在芯片上。在确定了砂浆配比之后，选用了合适的级配，细砂既能确保砂浆密实，又能获得最佳的界面强度与密实度。参考S.Mindess的研究成果，对水灰比与防渗性能的关系进行了分析。当水灰比较小时，其防渗系数也相应减小。水灰比对抗渗的影响如表1所示：

表1 水灰比对抗渗的影响

水灰比	渗透参数
0.36	0.1×10-11cm/s
0.39	0.5×10-11cm/s
0.50	2.0×10-11cm/s
0.60	6.0×10-11cm/s

3.3硫酸盐腐蚀

如果将PCCP埋设在含硫酸根的土壤中，接着，将硫酸根溶液首先与保护层相接触。硫酸根与水合的铝酸钙等生成的石膏、硫铝酸钙等引起的体积膨胀，首先在保护层出现裂缝，随后出现裂缝，严重时甚至会造成混凝土的损坏。为防止硫酸根离子侵蚀，必须以硫酸根离子浓度作为检测指标。通常，当硅粉或其他掺和料加入保护层的水泥砂浆中时，可有效地抑制混凝土的膨胀。如有重大事故，则管芯及保护层均用硫酸盐浆浇灌。

4 结论

综上所述，由于预应力钢筒混凝土管工程性质、服役环境的复杂性和预应力结构的特殊性，决定了其在设计中必须贯彻耐久性的思想。通过建立阴极保护体系、增加保护层密度、硫酸盐腐蚀等方式，强化预应力钢筒混凝土管(PCCP)耐久性，从而使其在社会、经济、生活等方面发挥重要作用，并提高其技术性能及市场认同度。

参考文献

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