预应力钢筒混凝土管（PCCP）的破坏模式及原因分析.pdf

2 0 1 4年 第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA( ： 0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 J a n u a r y 预应力钢筒混凝土管 ( P C C P ) 的 破坏模式及原 因分析 窦铁 生， 燕家琪 ( 中 国水 利水 电科 学研 究 院结构 材 料研究 所 ， 北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘 要 ： 将 P CCP 的破 坏 模 式 归 纳 为 沿 环 向 和 纵 向 破 坏 两 大 类 ， 指 出 P CCP破 坏 的原 因 主 要 包括 设 计 、 制 造 、 安 装 、 环 境 和 运 行 这 5个 方 面 ， 并结 合 几 个典 型 的 工程 实例 ， 对 P CCP 的破 坏 类型 和原 因进 行 了分 析 。 关 键 词 ： 预 应 力钢 筒混 凝 土 管 ( P CCP) ； 断 丝 ； 裂 缝 ； 腐蚀 Ab s t r a c t ： P r e s t r e s s e d c o n c r e t e c y l i n d e r p i p e ( P C C P) f a i l u r e m o d e s i n c l u d e c i r c u m f e r e n t i a l l y f a i l u r e a n d l o n g i t u d i n a l l y f a i l u r e He r e t h e c a u s e s o f P CC P f a i l u r e s a r e d i v i d e d i n t o 5 c a t e g o r i e s o f d e s i g n、 ma n u f a c t u r e 、 i n s t a l l a t i o n、 e n v i r o n me n t a n d o p e r a t i o n Ae o r r d i n g t o s o me t y p i c a l e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ， t h e f a i l u r e mo d e s a n d f a i l u r e c a u s e s o f P CC P a r e a n l y z e d K e y wo r d s ： P r e s t r e s s e d c o n c r e t e c y l i n d e r p i p e( P CC P) ； B r o k e n W i r e s ； C r a c k i n g ； C o r r o s i o n 中图分类号 ： T U 5 2 5 文 献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 1 2 9 一 O 5 0前言 预 应 力 钢 筒 混 凝 土 管( P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e ， 以下简称 P C C P ) 是 由混凝土管芯 、 预 应力钢丝 、 砂浆保护层 、 钢筒组成 的一种新型复合 管材。其生产和应用至今 已有 7 0多年 的历史 ， 在美 洲 、 欧洲 、 非洲 、 亚洲 等 地 区 已得 到广 泛 使 用 。按 照 美 国 A N S I A WWA C 3 0 1 0 7 “ s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e 。S t e e l C y l i n d e r T y p e ” 制 造 和 A N S I A WWA C 3 0 4- 0 7 “ D e s i g n o f P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e ” 设计的 P C C P的使用寿命为 5 0年【 l _ 2 1 国外现以 P C C P病险检测 、维修加 固等方面的研究 为主。 我国开发研制和生产 P C C P起步较晚 ， 山东电 力 管 道 公 司 于 1 9 8 8年 开 始 引 进 美 国 A me r o n公 司 的制造技术和设备 ， 近几 年 ， 由于引水 调水 和市政 工程 的建 设 高潮 P C C P行 业得 到 了长足 发展 。 尽管 P C C P耐久性 、 抗老化性能突出 ， 但 随着使 用 年 限 的增 加 也会 在 工 作运 行 中发 生一 些 损 伤 破 坏 ， 有的甚至发生爆管等工程事故。P C C P工程一般 在建成后 1 5 2 O年左右发生破坏 美 国从 1 9 7 0年 起 已经有 5 0 0多起事故发生。本文结合工程实例 ， 介 绍 了 P C C P的两种 破 坏形式 以及破 坏成 因 。 1 P CCP的破坏 模式 P C C P的破 坏 可 以 归纳 为沿 环 向和 纵 向破 坏 两 大类 基金项 目： 国家 自然科 学基金一裂缝 与断丝对 P C C P安全性 的影 响研 究 ( 5 0 9 7 9 1 1 6 ) 。 1 1 环 向破坏 环向破坏模式的破坏过程包括初始腐蚀和随后 发生的断丝 ， 或氢脆性引起 的钢丝断裂 ， 随后保护层 发 生 开裂 和 分层 。腐 蚀 和 断 丝会 引起 预应 力 损失 ， 导致混凝 土管： 芑 ： 发生开裂 ，使埋置于管芯混凝土中 的钢筒 暴露 于环 境 中 ， 进 而引起 钢筒 的腐 蚀和 破裂 ， 最后导致 P C C P工作状态部分失效或者完全失效。 环 向破坏模式的破坏过程 中，一旦砂浆保护层 的防腐性 降低 ， 钢丝就开始发生腐蚀 。高强钢丝除 了发生腐蚀 以外 ， 还会产生氢脆性断裂 ， 与钢丝腐蚀 断裂 不 同的是 ， 钢丝 氢脆 性断 裂没有 规 律性 ， 沿 管 子 长度 和 圆周 随机 发生 。埋 置式 P C C P的管 芯开 裂使 钢筒暴露于土壤 的腐蚀环境 中内衬式 P C C P的钢 筒腐蚀会随着钢丝的腐蚀而发生 ，管子发生渗漏之 前是 否会 发生 破裂 取决 于管 子 的设 计 和压力 。 1 2纵 向破 坏 纵 向破坏模 式 ，通 常是 由于在 管子 弯头 或岔 口 接 头处不 能充 分抵 抗推 力 、 基 础不 均匀 沉 降 、 爆炸 或 地震 引起 的地 面动 态移 动造 成 的 纵 向破坏 过程 从管 道移 动开 始 ，然后导 致管 子 连 接处 断 开 或混 凝 土管 芯 出现 环 向开 裂 使 钢 筒 暴 露 于腐蚀 的环境 中 ， 进 而钢筒 发 生屈服 和破 裂 ， 最终 导致外部混凝土管 芷 ： 破坏 ，这一过程导致 P C C P渗 漏和破裂 。纵向破坏模式 中钢筒可能会发生腐蚀 ， 也可能不会腐蚀。内部压力和温度荷载引起的环 向 应变的泊松效应 ( 内压和温度荷载使混凝土管芯产 一 2 9 2 0 1 4年第 1 期 混凝土 与水 泥制 品 总第 2 1 3 期 生径向膨胀 ， 从而使管子变短) 也属于纵向效应 由 此 引起 的破坏 模式 也属 于纵 向破 坏 。 2 P GGP的破 坏原 因 2 1 设计缺陷 P C C P结构的设计不充分 。使用的标准要求不 符 合 工程 实 际状 态 ， 如 使 用较 高 强 度 的钢 丝 、 砂 浆 保 护层 太 薄或 者 钢 筒 厚 度 太 薄 ：设 计 荷 载选 择 不 当 如选择不 当的设计T作荷载和瞬时荷载 ， 不合 理的土荷载和活荷载。另外对于环境腐蚀有要求的 P C C P ， 保护设计不恰当也会存在设计上的缺陷。 2 2 制造缺陷 制造缺陷包括 ：制造过程 中使 用不恰 当的材 料 ， 不恰 当焊接等制造过程 ， 对管子进行不恰 当的 标 注和不 恰 当的质量 控制 。 ( 1 ) 等级 I v的钢丝 ： 钢丝会 由于氢脆性而出现 脆断 ， 等级 I v的钢丝 比等级 I I I 的钢丝表现出更敏 感 的氢脆 性 。 ( 2 ) 多孑 L 或 比较 薄 的砂浆保 护层 ： 为 了使钢 丝不 受 环 境 腐 蚀 ， 保 护层 要 求 必 须 使 用 密 实 度 高 、 耐 久 性好的水泥砂浆 。多孔的保护层增加了腐蚀性氯离 子的渗透率 ， 从而使钢丝的恶化率提高。 ( 3 ) 制造 缺 陷还 包括 ： 预应 力 钢 丝缺 乏 拉力 ； 钢 筒 表 面有 凹损 ； 承 捅 口附 近 的 缠 丝 间距 过密 ， 导 致 保护层分层 ： 对管道等级标注不恰 当 ； 钢筒接缝或 钢简 与连 接环 之 间的焊接 缺 陷 。 2 _ 3 安 装缺 陷 一 般 引起 破 坏 的安 装 缺 陷 包 括 基 础 和 回填 不 充 分 ( 尤 其 是 岩 石 地基 ) ； 错 误 的管 子 安 装 ( 如在 高 压力区安装低等级的管子) ； 运输时保护层 的损坏 ， 处理 时保护层 的抹擦或压缩 、 冲击损坏等 ； 限制接 头 的不恰 当安装 ( 如没有完全置 于控制夹 中或连接 处存在焊接缺陷) 。 2 4 恶 劣环境 恶劣 环境 是 P C C P损伤 的最 常 见原 因 。在恶 劣 环 境 中 安 装 的 管 子 可 能 需 要 额 外 的 保 护 措 施 。 A WWA M9 “ C o n c r e t e P r e s s r e p e ” 中规定 的恶 劣环 境 包 括高 腐 蚀性 土壤 ( 承载 力低 、 含 氯 量 高 、 含硫 酸 量高 ) ， 严重的酸性环境 ， 侵蚀性 的 C O ： 或离散电流 环 境【 。 2 5 运行 管道的不恰 当运行会使管子中产生较高应力 ， 从 而引起混凝土管芯和砂浆保护层开裂并 出现断 丝。最常见的运行 因素是 ： 除设计荷载 以外 ， 管子中 产 生较大 的 瞬时压力 、 土荷 载 或活荷 载 。另外 ， 对 于 有阴极保护的管道 ， 不恰 当的阴极 保护通常会造成 一 3 0一 比较高的断丝率 ，这也是一个 比较常见的运行 因 素 。在某些管子中 ，由于第三方的原因也会造 成 P C C P管 的破裂 。 3 典 型工 程实例 3 1 德克萨斯州休斯顿 P C C P的破坏情况 美国得 克萨斯州南部直径 1 5 2 4 m 的 P C C P管 线 主要是将东部净水厂的水输送到休斯顿市的南 部和西部 ， 服务区域包括德克萨斯医疗 中心 ， 该管 线工程对于德克萨斯州非常重要 ，但是从 2 0 0 1 年 开始 此 输水 系统 出现 了灾 难 性破 坏 和显 著 的腐 蚀 渗漏 现象 ， 使得该管线 不能正常运行 ， 造成很大损 失 。 3 1 1 破坏模式 该工 程 沿环 向和纵 向破 坏 均 有 。 检 测 的范 围如 图 1 所 示 。 5 图 1 检 测 的范 围 ( 1 ) 部 分管 子 的连接处 存在灌 浆 问题 ； ( 2 ) 初始安装 的粘结钉大部分遭受严重腐蚀而 丧失 连接 能力 ； ( 3 ) 部分管 段存 在环 向裂缝 和纵 向裂缝 ， 甚 至分 层区域 ， 如图 2所示 ； 图 2 可 见 纵 向 裂缝 ( 4 ) 承插 口附 近 的钢 筒被腐 蚀 ， 腐 蚀 长度 由承插 口处大约延伸了 0 3 m； ( 5 ) 电磁检测发现部分管子存在断丝。 3 1 2 破坏 的原 因 ( 1 ) 制 造 ： 1 9 6 4年 制 造 标 准 相 对 较 低 ， 制 造 技 术 、 工艺 相对 落 后 。一 些管 子 的连 接 处 没有 灌 浆就 进行安装 ，不恰 当的灌浆材料造成连接处灌浆 分