在寒冷地区存放使用预应力钢筒混凝土管易被忽视的问题.pdf

2 0 1 3年第 1 0期 l 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 1 0 Oc t o be r 在寒冷地区存放使用预应力钢筒混凝土管 易被忽视的问题 李金瑞 ， 胡孝 民， 杨铁 占 ( 大庆油田建材公司 ， 1 5 0 1 1 3 ) 摘要 ： 分析 了预应 力钢 筒混凝 土管砂浆保护层 的要 求 以及砂浆 冻融破 坏的原 因， 提 出了在寒冷地 区存放使 用 预应 力钢 筒混凝土管 易被 忽视 的问题 ， 并给 出了相应措施。 指 出应提 高砂浆保护层的质量 ， 避 免在 冬季将管子长期处 于过度潮湿的地方 。 有利提 高管的使 用寿命 。 关 键词 ： 寒 冷 地 区 ： 预 应 力 钢 筒 混凝 土 管 ： 易忽视 的 问题 Ab s t r a c t ：T h e d e ma n d s o f mo r t a r c o v e r 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 ( P C C P)a n d t h e r e a s o n wh y T HE mo r t a r w o u l d h a p p e n t o t h e f r e e z i n g t h a w d a ma g e a r e a n a l y z e d W h e n t h e P CC P i s s t o r e d a n d u s e d i n c o l d a r e a ，t h e e a s i l y n e g l e c t e d p r o b l e ms a n d t h e c o r r e s p o n d i n g me a s u r e s a r e p u t f o r wa r d F o r p r o l o n g i n g t h e s e r v i c e l i f e o f t h e P CC P， i t i s v e r y i mp o rta n t t o i mp r o v e t h e q u a l i t y o f t h e mo rta r c o v e r a n d a v o i d t o p l a c e t h e P C CP i n t h e f r o z e n we t e n v i r o n me n t f o r a l o n g t i m e Ke y wo r d s ： Co l d a r e a ； 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) ； Ea s i l y n e g l e c t e d p r o b l e ms 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 3 ) 1 0 2 8 0 3 1 预应 力钢 筒混 凝土管 结构 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 一种充分利用钢 的抗 拉 、 抗 渗 和混 凝 土抗压 及 防腐 优 点 的 刚性 复合 管。P C C P制造采用钢质承 口环和插 口环并与薄钢 板 卷制 焊 接成 钢筒 ，然后 在钢 筒 内外 采 用 浇注 、 离 心或挤压方法敷上混凝土成为管芯 ， 并在管芯外缠 绕高强度预应力钢丝 ， 钢丝外敷砂浆保护层。钢筒 上 的承 、 插 口环用 于管 段 的联 结 ， 其 插 口上 的橡胶 槽用于放置“ 0” 型橡胶圈 ， 插 口进人承 口后 ， 橡胶圈 的变形使管得到密封 。P C C P基本结构见 图 1 。 图 1 P C C P基本结构 砂浆保护层 、 钢丝 、 钢衬筒及混凝 土内衬 同时 为混 凝 土 管结 构贡 献强 度 ， 还 各 自利 用 了钢 件 与混 凝 土间 的物 理 、 化学 作 用进 行保 护 。埋 置 于 混凝 土 或砂浆中的钢件 ，能使其表面形成一个钝化层 ， 使 其 免受 化学 侵蚀 ， 而钢 件 良好 的抗 拉 性 能弥 补 了混 一 28一 凝土或砂浆 的抗拉不足。 2问题的提 出 2 0 0 8年， 在东 北 的 D H F输水 工 程 中 ， 夏 秋 季节 运到第十安装标工地的 P C C P ，放置于T地沟槽两 侧 由施工堆积在松土岗上 ； 2 0 0 9年初春 ， 吊管时 ， 发 现 管底 粘有 冻土 ， 最 大土 块 约在 2 mx l mx O 8 m， 在 中 春后期 吊起的管子不再粘有冻土块 ， 但与地面土壤 接触的保护层砂浆却出现脱落现象 ， 最大脱落面积 可达 l mx1 5 m。 3砂 浆保 护层 要求 国 内# I- H 关 标准 对 P C C P的水 泥砂浆 保护 层 提 出 了如 下要求 ： 保 护 层砂 浆 的配 制应 按 1份重 量 水 泥与不超过 3份重量的细集料拌制而成。从拌合机 中取 出 的保 护层砂 浆试 样 的含 水量 不得低 于其 干料 总重 的 7 保护 层水 泥砂 浆 2 8 d龄期 的立方 体 抗 压强度 不 得低 于 4 5 MP a 【 ， 水 泥砂 浆 吸水 率 全部 试 验数据的平均值 不应超过 9 ，单 个值不应 超过 1 1 t - 3 1 。 保护层坚固性要求 ： 在砂浆保护层养护后 ， 管子 发运 前 应采 用 锤头 重量 不 大于 0 5 k g的小 锤 轻轻 敲击来检验覆盖在预应力钢丝上 的砂浆保护层是 否存 在分层 和空 鼓 。 管子 堆放要 求 ：相 关标 准仅 对堆放 层次 做 了说 明H - 2 ,5 1 李金瑞 ， 胡孝民， 杨铁占在寒冷地区存放使用预应力钢筒混凝土管易被忽视的问题 4寒冷 地 区气候 本 文寒 冷 地 区是 指我 国东北 地 区 ，该 地 区年 温 差大大高于同纬各地 。冬季寒冷而漫长 ， 一般长达 半年 以上 ，最 北 部 可 达 8个 月 ， 1月 平 均最 低 气 温 在一 2 O 以下 ， 极端最低温 达到一 5 2 3 o C； 夏季温 暖 、 湿润而短促 ； 降水不十分 丰富 ， 大部分地 区的年 降 水 量 为 4 0 0 7 0 0 mm， 东 部 降 水 集 中在 5 - 9月 ， 西 部 则集 中在 6 8月 ， 7 0 8 0 的降水集 中在 6 7月 。 但特殊年份 的 1 0 1 2月份也有较多降雨 ，如 2 0 1 2 年冬 季 和 2 0 1 3年 春 黑 龙 江 出现 内涝 ， 2 0 1 3年 4月 份 地 里 还 有 深 深 积 雪 。 日照 时 数 东 部 在 2 2 0 0 2 4 0 0 h ， 西部在 2 6 0 0 3 3 0 0 h ， 无 霜期较短， 一 般只有 1 2 0 d左 右 。 辽 宁 极端 最 低 温达 到 一 3 0 以下 ， 冬 春 昼夜 温差 3 0 以上 ， 尤其是秋未冬初 和冬未春初 ， 白天气温可 高达 l 0 以上 ， 夜 间温度 在一 2 0 左 右 ： 辽 宁地 区冻 土深 度在 1 5 2 m 哈 尔滨 北部 地 区要超 过 2 m。 5混凝 土 冻融破 坏 的原 因 5 1 冻 融破 坏理 论及 破坏 过程 混 凝 土 的冻 融 破 坏 是 一 个 极 其 复 杂 的物 理 变 化过程， 而且受许多因素的影响 。 如： 混凝土中孔隙 的 充 水 程 度 、 水 灰 比 、 水 泥 品种 及 集 料 质 量 、 含 气 量 、环境温度 以及反复冻融的次数等。 因此， 对于 混凝土冻融破坏的机理难以得出一致性的定论 。目 前 主要 有 以 下代 表 性 理论 ： 冰 的分 离 层 理论 、 充水 系 数 理论 、 渗 透 压 理 论 、 水 压 力 理 论 、 孔 结构 理 论 、 极 限充水 程度 理论 。上 述几 种理 论从 不 同角度 阐述 了混 凝 土冻 融破 坏 的机 理，一般 可 以认 为混 凝 土 的 冻融 破 坏是 一 个 由表 及 里， 先 大孔 后 小孔 的物 理变 化过程。由于水结成冰产生体积膨胀， 在混凝土 中形 成 内压力 。当这种 内压 力超 过混 凝土 所能 承受 的极 限时， 引起混凝土 内部孔 隙和裂隙不断地发育，由 小 变 大 ，由短 变 长 ， 相 互 贯 通 ， 最 终 导 致 混 凝 土 破 坏 图 2是 一 个 砂 浆 混凝 土 冻融 的示 意 图 ， 从 A 到 E， 简单 地说 明 了这一 冻融 过程 。 图 2 混凝 土砂浆 冻融过程 混凝土保护层的抗冻性能与其孔结构有着密切 的关 系 。在混 凝 土 中孔 是 水存 在 的空 间， 只有 当水 存在时。 在较低温度下才有可能结冰， 从而体积膨 胀， 使混凝土产生破坏。在饱水状态下， 孑 L 越多， 冰 冻将越严重 。 但是， 在某一温度下， 并不是所有孔 中 的水都结冰。因此， 混凝土 的抗冻性不仅取决于孔 隙率， 还取决于孑 L 分布。在相同孔隙率条件下， 小孔 越多， 可冻水越少， 冻融对混凝土的破坏作用越小。 混凝土的气泡结构可提高其抗冻性。气泡是一 种 封 闭 的孔 ， 这 种 孔 中一般 不 含 水 ， 所 以低 温 不 对 其构成影响。但是，当临近气泡结构中的水结冰时 所产生的压力使得未冻结水可能向气泡中迁移， 以 减 小 结 冰 区的压 力 。因此 ， 混凝 土 中的气 泡 可 以缓 解 结冰 区 的压力 ， 提高 混凝 土 的抗冻性 。 5 2 饱 水 程度对 混凝 土冻 融影 响 当混凝土饱水程度低于某一临界值 时， 混凝土 并不发生冻融破 坏。水结成冰体积膨胀 9 。 因 此 ， 从 理 论上 讲 发 生 冻 融破 坏 的 临 界含 水 量 为 9 1 1 7 ， 但混凝土的情况比较复杂， 饱水临界值往 往要高于 9 1 1 7 。 下面引用实例推导计算线冻胀量 公 式来 说 明这一 问题 。 设保护层砂 浆 中气孔均匀分部整个砂浆试体 中， 所有孔中水的填充量相等 ， 且冻胀时按立方体线 性 膨胀 计 算假 设： 设 有 一 单 位 体 积水 泥 砂 浆 ：砂 浆 容 重 ： r m - - 2 2 4 2 k g m 。 ； 抗压强度： 厂 m = 3 7 9 MP a ( 圆柱体强度 ) ； 吸 水率： = 4 5 ； 水容重 ： = 1 0 0 O k m 。 ； 充水率( 水体积 占孔体积量百分 比) 为P； 水低温结冰体积冻胀增量： k w ( 9 ) ； 则砂浆试体在结冰后的线膨胀量 计算公式 为 ： 一 利用 公 式 ( 1 ) 可 计算 出不 同吸水 率 y 和 不 同充 水率 P时的线冻胀量 ， 参见表 1和表 2 。 此外 ， 我们可按 A WWA C 3 0 4 -2 0 0 7 预应力钢 简混凝 土管设计标准 计算方法 来计算砂浆 的标 准线 胀量 ( 应变 ) 。 水泥砂浆弹性模量 ： =0 O 7 4 r m 厂 m n =0 0 7 4x 22 4 2 x 3 7 9 0 =2 5 25 1 2 7 MPa 水泥砂 浆抗 拉强 度 ： 0 5 s v T ； = 0 5 8 、 3 7 9： 3 5 7 M P a 一 2 9 2 0 1 3年 第 l 0期 混凝 土 与水泥制 品 总第 2 1 0期 表 1 吸水率 4 5 时不 同充水时 的线胀量 表 2 吸水率 9 时不同充水 时的线胀量 应 变 ( 或 线胀 量 ) = = 1 4 1 4 x 1 0 4 ( 2 ) m 由表 1和表 2可 以看 出，试体吸水率越大 、 充 水率越高 ， 产生冻融破坏的风险越高。 普 通砂石 混凝 土 吸水率 一般 低 于 4 5 ， 砂 浆 吸 水率一般高于 4 5 。因此 ， 普通砂石混凝土抗冻性 要优于砂浆。 由于砂中泥 、云母等杂质含量要高于石料 ， 所 以砂浆相对于普通砂石混凝土泥、 云母杂质含量要 高 ，砂浆这些杂质的存在增大了吸水率和渗水性 ， 抗冻 融性 和抗 渗 性 明显 低下 。 6 问题 解释 ( 1 ) 寒冷 地 区 ， 在 晚秋 初 冬 季节 空 气相 对 湿 润 ， 地面渗透性差 ， 这个 时间下 的雨 ， 雨水多集 中于地 表 ， 地 表 土 处 于水 饱 和状 态 尤其 松散 状 态 的土 壤 更 易 吸存水 。 ( 2 ) P C C P外保 护层 是 水 泥 和 砂 两 种 材 料 并 加 适量水 构成 的砂浆层 。 其成型工艺是 ： 用高速转动 的轮带动拌合料高速喷在旋转的 P C C P外表面上 ， 并养护硬化形成保护层 这种工艺决定了产品有较 高的气孔 、 毛细孑 L 以及人工洒水养护时喷水不足或 不到位等 ： 同时砂浆仅砂一种骨料 ， 砂中所含少量 泥 、 云母等杂质使砂浆层有高的收缩性和吸水性。 ( 3 ) 长 时间 置 于松 散土 上 的 P C C P ， 在 毛 细作 用 下 ， 可充分 吸收 土壤 中的水 分 ， 并 达到饱 和状 态 。 ( 4 ) 寒 冷 地 区 ， 在秋 末 冬 初 及 冬 末 春 初 时 段 昼 一 3 0一 夜 温差 大 ， 夜 间 可达 一 l O 以下 ( 有 时 达一 2 0 左 右) ， 白天可达 1 0 以上， 可以说一天为一个冻融循环 。 ( 5 ) 在本文“ 问题 的提出” 中提到初春时吊起管 有大 的冻 土粘连 ，这是 因为 整个管 体底 在一个 较长 时 间的对 土壤压 缩作用 ， 底部 冻土 密实 ， 而周 围冻土 较 为松 。因此 ， 管底 与其 底冻 土冻 结在 一起 ， 管 吊起 时就会粘连冻土块：而到后期出现 了管底保护层脱 落 ， 这是因为管底与冻土间处于化冻阶段 ， 经过秋冬 和冬春两个节气时段的冻融 ，管底砂浆与冻土间处 于冻融破坏，加之管在吊起时与管底冻土块之间形 成 拉力 作用 ， 几个 不利 因 素叠 加一 起 使 本身 抗 拉强 度 就很弱 的脆性 材料更 加容 易破坏 。 7 寒 冷地 区使用 P C CP应 注意 的 问题 ( 1 ) 原材料选择方面 ， 要选用抗冻性好的水泥 ， 尤其是砂子的选用要严格挑选 ，合理的模数和低的 杂质 ， 以降低原材料对产品吸水率的影响。 ( 2 ) 按相关标准要求进行原料合理配比。 ( 3 ) 保持保护层的辊射设备工作正常， 辊轮要及 时调整和更换 ； 同时要按标准要求， 按时抽检产品吸 水 情况 ， 发现 问题及 时纠 正 ( 4 ) 做好保护层的管要充分养护 ， 防止因养护不 当出现的收缩、 开裂 、 毛细孔增加等从而使产品吸水 或 渗透性 增 大 。 ( 5 ) 需要 经过 冬季 储 存 的管 不 能直 接 与松 土 接 触 ， 也不 能在 管底垫 易 吸水 的如稻草等 物 ， 更 不应存 放 在低洼 地 带 。 ( 6 ) 埋地铺设管道时， 要将管道管顶置于极限冻 土层 以下 参 考 文献 ： 1 】国家质量 监督 检验检 疫总局 G B 厂 r 1 9 6 8 5 2 0 0 5预应力 钢筒混凝土管 S 】 北京： 中国标准 出版社， 2 0 0 5 【 2 A N S I A N S I A WWA C 3 0 1 2 0 0 7 A WWA S t a n d a r d f o r P r e s t r e s s C o n c r e t e P r e s s u r e P i p e ， S t e e l - C y l i n d e r T y p e S 2 0 0 7 3 A S T MA S T M C 4 9 7 -2 0 0 5 S t a n d a r d T e s t Me t h o d s f o r C o n c r e t e P i p e ， M a n h o l e S e c t i o n s ， o r T i l e S 2 0 0 5 4 】 A me r i c a n Wa t e r Wo r k s A s s o c i a t i o n A N S I A WWA C 3 0 4 20 07 Awwa S t a n d a r d for De s i g n o f P r e s t r e s s e d Con c r e t e C y l i n d e r P i p e S 2 0 0 7 【 5 A m e r i c a n Wa t e r Wo r k s A s s o c i a t i o n A w w a M a n u a l M9 C o n c r e t e P r e s s u r e P i p e ，s e c o n d e d i t i o n S 2 0 0 1 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 2 5 作者简介 ： 李金瑞 ( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 高级工程师。 通讯地址 ： 哈尔滨市双城 周家镇 联 系电话 ： 1 5 8 4 6 1 6 7 3 3 2 E - ma i l ： l i j i n r u ia 1 6 3 c o m