影响埋地预应力钢筒混凝土管耐久性因素分析.pdf

2 0 1 0年第 6期 ( 第 3 8卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 6 2 01 0 ( T o d a l N o 3 8 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 3 2 0 2 影响埋地预应力钢简混凝 土管耐久性 因素分析 赵 明宇 ， 李金瑞 ， 王立明 ( 1 辽宁省 大伙房水库输 水工程建设局， 沈 阳 l 1 0 1 7 9 ； 2 大庆油田建设集 团哈尔滨华庆管道有限责任公 司， 哈尔滨 1 5 0 l 1 3 ) 摘 要 ： P C C P 是一种耐久性非常好的管道产品， 但不良使用环境及不适宜的生产过程会对其性能产生不利影响。采取相应措施可 消除不利因素。 关键词 ： P C C P ； 耐久性； 影响因素； 酸； 硫酸盐； 氯化物 中图分类号 ： U 4 4 5 5 5 文献标识码 ： B 1 预应力钢筒混凝土管结构 预应力钢筒混凝土管 ， ( 英文为“ 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 ” 简称 P C C P ) 。它是一 种刚性 的 、 是一 种充分 利用 了钢的抗拉及抗渗优点和混凝土抗压及防腐优点的复合管。 P C C P制造采用钢质承 口环和插 口环及 与薄钢板 卷制并 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 的复合管。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“ O ” 型橡胶圈 ， 插 口进入 承口后， 橡胶圈的变形使管得到密封。其基本结构见图 1 ( 图 1为管的承口端与另一管的插口端插接示意图) 。由图看出， P C C P与环境及介质接触的表面全为混凝土或混凝 土砂浆 层 。所有钢件很好地被混凝土包裹起来 。 预应力 钢丝 插1：3 环钢丝铆固 承口环砂浆层 图 1 2 P C C P的性能 从上面结构分析看出， P C C P实质也是混凝土制品， 更确 切 地说也是混凝土管 的一种 ， 其混凝 土性 能 、 混凝 土对埋 置 于其身的钢件的保护性能以及混凝土对管埋置环境的适应 性能等是 P C C P整体性能的体现， 也是 P C C P耐久性指标的 不 同侧 面的反应。 通常， 混凝土管的使用寿命是无限的。例如 ， 罗马导水 渠在2 0 0 0多年后的今天仍在使用， 在以色列有一条可追溯 到3 0 0 0年前的埋地混凝土管。1 8 4 2年安装于纽约莫霍克地 区直径 6英寸混 凝 土管 ， 经过 使用 1 4 0 a 后 的今天其 情 况 良 好 。 对混凝土管的一项耐久性研究显示， 它存在问题相当 少， 因此， 除了混凝土排污管中有硫酸盐相关调查外， 几乎不 存在其相关资料。到 1 9 3 8年， 美国2 8个州的大量研究人员 对 1 9 2 5年 以来的涵 管材料 的耐久性进 行 了大量 的研究 ， 行 成 1 3 1 份报告。因为混凝土管 的耐久性 明显 ， 其研 究经费通 常仅花在 了有问题的 ( 管线 ) ， 其 6 3 的报告是关于金属波文 管的恶化及使用寿命短的问题； 2 8 是关于复合管材； 相关 混凝土管的报告 只有 5 。 1 9 8 2年俄亥俄州运输局公布 一项进行了1 0 a 研究结 果 ， 这项 研究包 函了该州 不 同地 区 1 6 0 0 多条涵 管 ， 其 中 5 4 5 条为预制混凝土管 。该州的 自然条件 中等 ， 象北美 大多地 区 一 样， 除个别地区有矿酸排污问题外 ， 该地区的土壤和水不 具有对混凝 土管早期破 坏 的特性 。全部 研表 明了混凝 土管 的优良性能。在对 5 1 9条混凝土涵管研究中， 仅有 9条处于 破坏状态 ， 3 3条为 良好状态 ， 4 7 7条处于最佳状态 。在处于破 坏状态的 9条中 ， 有 1条进行修补 ， 而对其它 8条进行了修补 预测 。一个 预测混凝土管预使用命 的公式开发 出来 ， 该 公式 与 p H值及管子对其达到破坏状态的年数斜度( 斜率) 有关。 并以此推测， 混凝土在 p H值为7的环境中， 达到破坏状态所 需时间为1 0 0 0 a ， 在 p H值为4的环境时则需1 0 0 a ， 这个值 比 现行所要求的排污管及高等级公路所要求的要高 。 3 P C C P的安装 P C C P多采用埋置式， 如沟槽式、 凸埋式、 凹埋式等。安 装环境对 P C C P寿命有很 大影响 ， 如暴露 于大气安 装有冻 融 收稿 日期 2 0 1 01 0 0 8 作者简介 赵明宇( 1 9 7 0一) ， 男， 辽宁沈阳人， 高级工程师； 李金瑞( 1 9 5 9一) ， 男， 黑龙江哈尔滨人， 高级工程师； 王立明： ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 辽宁沈阳人 ， 工程师。 一 3 2 赵明宇， 等 ： 影响埋地预应力钢筒混凝土管耐久性因素分析 第 6期 循环 、 风化及温差作用 的破坏 ； 而对 于埋 地状态下 ( 冻土层 以 下) ， 其环境相对稳定 ， 但存在酸性物 、 硫酸盐、 氯化物、 工业 及生活垃圾侵蚀性破坏、 杂散电流影响等潜在危险。 4 埋地 P C C P耐久性影响因素 4 1 酸 酸对混凝土的侵蚀是一种表面侵蚀， 在这种侵蚀中， 混 凝土的碱性中和了酸性 ， 因此没有酸的补充这种酸碱反应就 会停止。当 p H值低 于 5 0时 ， 有酸 的补充 就可 考虑为 酸侵 蚀 ， 当 p H值低于 4 0时 ， 有酸 的补充就 可考虑为酸 对埋地混 凝土管严 重侵蚀 。 当遭 遇酸性 土壤 或酸性 地下 水 ， 就需要 考虑 p H值 支配 的影 响， 如总酸性 ， 地下 水条 件 和 回填 材料 。总酸性 是 侵蚀 混凝土管的可能的酸量。例如， 每克土壤中含2 5 mg 的酸度， 就等价于p H值为5 ， 表明对管有潜在的侵蚀条件， 此时就需 要对该地质环境进行全面地分析制定相应的对策。通常这 样 的 自然侵蚀条件 很罕 见 ， 一 般是 人 为造 成 ， 如垃圾 场 和工 业废水储存区等 。 在没有流动地下水或地下水 流缓慢 的地 方铺设 地下管 ， 与混凝土管接触的酸将被 中和 ， 形成一个中性区， 同时侵蚀 会停止 。否则反应将继续 如果用 P C C P作为排污管， ， 在管内部， 可产生硫化氢， 并 在管内拱无水处产生硫酸。从而导制对管的侵蚀。 4 2 硫酸盐 如果在混凝土中， 其表面吸收和蒸发作用浓缩了足量的 硫酸盐， 土壤、 地下水或输送介质中的钠、 镁、 钙的硫酸盐就 有可能侵蚀混凝土。侵蚀反应生成具有膨胀性的产物 ， 这种 产物可能导至混凝土的破坏。表 1列出了各种硫酸盐土壤 及水条件下的相对强度。 表 1 硫酸盐 的浸蚀程度 4 3 氯化物 氯的侵蚀主要是对钢筋混凝土中钢件的腐蚀。氯离子 对混凝土的钝化有破坏作用， 并在有氧的条件下使混凝土中 的钢件进一步腐蚀。有研究表明， 在混凝土与钢界面存在一 个发生腐蚀的氯离子的临界浓度， ( 达到或超过这个浓度 时) ， 在有氧存在时促使腐蚀发生。在下列诱因下腐蚀将更 易发生： 多孑 L 、 高渗透性的低质量的混凝土、 有裂缝及含有氯 化钙混合物的混凝土 。 4 4 骨料 ( A g g r e g a t e s ) 高密度的骨料生产具有高抗磨损的混凝土。骨料与水 泥很少反应 。不同骨料对混凝土 的总碱度 贡献不 同 ， 即对混 凝土的抗酸性 的贡献率不同。混凝土的总碱度对其抗酸性 环境 性能有重大影 响 。所有 硅 酸盐水 泥混 混凝 土 的总碱 度 对其抗 酸环境 性能 影响 比对其 它性 能影 响 大。硅酸 盐水泥 混混凝 土都是 碱性 的 ， 并与酸进 行反应 。用 不与 酸反应 的骨 料 ， 如花 岗岩 ， 生产 的混凝 土管 ， 其总 碱度 为 1 6 2 4 ， 这 取决于水泥用量。采用石灰质骨料， 如白云石、 或石灰石， 可 使总碱量增加到 1 0 0 。 4 5 胶 凝材料 增加胶凝材料量有助于降低吸水率、 提高抗压强度、 提 高抗风化性能 、 提高抗冻融循环及某些化学环境侵蚀。高胶 凝材料量也可能导至收缩裂缝 。 水泥与粉煤灰都被认为是胶凝材料。制造混凝土的胶 凝成份可用硅酸盐水泥( 或普通硅酸盐水泥) 、 火山灰硅酸盐 水泥、 硅酸盐水泥加适量的粉煤灰组合， 其粉煤灰量一般 占 总胶凝材量 的 5 2 5 。 5结论 预应力钢筒混凝土有很好 的耐久性 ， 而对不 利管道铺 设 环境条件， 要采取适当的措施 ： 1 ) 项 目实施时， 管道沿线要作详细地质及地下和地上相 关建筑物调查 ， 对可 能 的不 利地 质 条件 采 取 避开 或补 救 措 施 ； 2 ) 采用低 C 3 A水泥或在 配 比时适 量加粉 煤灰 以增加 混 凝 土的抗 硫酸盐性 能 ； 3 ) 采用低氯离子材料 ， 以减缓钢件锈蚀； 4 ) 尽量采用石 灰石 质骨料 ， 来 增加混 凝 土碱 度 ， 提高 其 抗酸性 能 ； 5 ) 提高胶凝材料用量 以提高混凝 土抗 酸性能 ； 6 ) 降低水胶比， 提高混凝土密实度 ， 降低其吸水性 ， 从而 提高混凝土的抗各类侵蚀能力 ； 7 ) 夯实埋地管管周 回填材料 ， 降低 回填 材料 的渗 透性 以 降低腐蚀介质的渗透 ； 8 ) 采用石灰石质 回填材 料 ， 增加 管周 的碱 度 ， 有利 防止 酸侵蚀； 9 ) 增加 阴极保护 措施 ， 在 管上涂抗 渗层 ， 以提 高抗 化学 腐能有力 。 参考文献 ： 1 “ p r e c a s t c o n c r e t e p i p e d u r a b i l i t y ”， A m e r i c a n c o n c r e t e p i p e a s s o c i a - t i o n ， ， v i e n n a ，v i r g i n i a 2 2 1 8 2 ) ，C P i n f o N o 0 27 1 0 s e p t e mb e r 1 9 91 2 “ B u ri e d F a c t N o 9 ” ，A m e r i c a n c o n c r e t e p i p e a s s o c i a t io n ， B i b l i o g r a p h y Pi p e Ma t e ri a l Du r a b i l i t y， r e s o u r c e No 0 29 0 9 s e p t e mb e r 1 9 91 一 33