大口径预应力钢筒混凝土管(PCCP)新产品研发技术

摘要：预应力钢筒混凝土管（PCCP）是指在带有钢筒的高强度混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层制成的输水管。是一种将高强预应力钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的抗渗有机结合在一起，具备高强度、高抗渗和高密封性的符合型管材，能够满足长距离输水干线、城市供水工程等多行业工作需要。避免该管道生产中出现的各种裂缝，将对该管道的使用提供质量保证。

关键词：预应力；钢筒；混凝土管；PCCP；裂缝；抗裂试验

Abstract: prestressed concrete cylinder pipe (PCCP) refers to the tube core winding circumferential prestressing steel wire in high strength concrete with steel tube, and then the spray of dense water layer made of cement mortar protective tube. Is a kind of infiltration combine together against tensile, compressive concrete strength prestressed steel wire and steel, with high strength, high permeability and high sealing with the pipe, to meet the industry long distance water route, city water supply engineering work. To avoid the various cracks appeared in the production of pipes, the use of the pipeline to provide quality assurance.

Keywords: prestressed ；steel cylinder ；concrete pipe; PCCP; crack; cracking test

中图分类号：TU394文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

随着我国综合国力的增加和环境保护意识的日益提高，采用封闭、有压输水必将成为发展的主流，PCCP管已经广泛使用于我国的水利、电力、市政给排水等多个领域，市场前景非常广阔。

河北兴水管业有限公司开展了PCCPDE3200x5000/P0.6/H2埋置式预应力钢筒混凝土管的技术研发。项目研发过程中，攻克了管子裂缝、管芯浇筑的技术难题，研制并生产出符合现行质量技术标准的PCCP管材。

一、管材结构形式PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材，是预应力钢筒混凝土管（PRESTRESSEDCONCRETECYLINDERPIPE）的英文缩写。这种管材是在带钢筒的混凝土管芯上环向缠绕预应力钢丝，最后在管外部施喷水泥砂浆保护层而制成的。结构形式详见图

图PCCP-E标准结构图

图PCCP-E埋置式预应力钢筒混凝土管

埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E），是将钢筒埋置在管芯混凝土里面，然后在管芯混凝土上缠绕环向预应力钢丝后辊射沙浆保护层。二、PCCP的技术、经济特性PCCP具有设计方法先进、安全，承受高的内压和外荷载，良好的抗渗性及耐久性，接头密封好，耐腐蚀性能好，较高的通水能力，安装速度快，PCCP半刚性接头对地基适应性好等技术经济特性。

三、产品质量指标

产品外观质量，接头配合尺寸、公差，管芯厚度及混凝土／砂浆实际强度、砂浆保护层表面吸水性或保护层砂浆吸水率及成品管表面裂缝等其他相关指标质量均符合《预应力钢筒混凝土管》GB/T19685-2005标准。

四、项目研发中攻克的难点

4.1管子裂缝

目前PCCP同行业内制作难点是裂缝的控制，尤其是插口端部的环缝问题如何避免是最大的难点。通过对国内PCCP生产企业的情况调查，裂缝形式主要有以下几种：

①管芯混凝土内壁或外壁出现的环向裂缝或螺旋状裂缝；

②管芯内壁距管子插口端300 mm范围内出现的环向裂缝，裂缝长度通常为管子内壁周长的2/3至整圈。

③管芯混凝土内壁或外壁出现的纵向裂缝；

④外保护层砂浆出现的微裂缝。

4.1.1裂缝的种类与成因分析

根据裂缝出现的时间划分，可分为缠绕环向预应力钢丝前出现在混凝土管芯上的裂缝、缠绕环向预应力钢丝后出现在管芯混凝土上的裂缝和场内堆放、储存期间管芯混凝土和水泥砂浆保护层上出现的裂缝。虽然成因各不相同，但都可看作是管芯混凝土或保护层水泥砂浆出现的变形受到限制（约束）而在混凝土（砂浆）内部产生应力。该应力值与混凝土（砂浆）内部结构的刚度大小有关，当应力值超过一定数值后才出现裂缝。一旦出现裂缝，变形则得到满足或部分满足，同时混凝土内部结构的刚度逐步下降，应力也相应发生松弛。因此，裂缝的出现与扩展不是同一时间内完成的，而是一个传递、多次产生与扩展的过程。

（1）缠绕环向预应力钢丝前出现在混凝土管芯上的裂缝

此期间出现的裂缝主要有：

1）沉缩裂缝

浇筑混凝土管芯时，因混凝土流动性不足或流动性过大，且硬化前振动不充足，使其沉降不足或沉降不匀，就会在管芯表面出现裂缝。此裂缝在混凝土浇筑振动成型结束后2h内，混凝土尚处于塑性阶段时已经出现，管芯蒸养时水分大量蒸发，混凝土产生收缩，在管芯锚固座预埋件或挡块位置处产生的收缩和不均匀沉降远大于管芯其他部位，从而在该处产生裂缝。因其产生的原因主要是混凝土的沉降与收缩，故称为沉缩裂缝。

裂缝宽度一般在0.3mm以上，最大可至10mm左右，其特点是裂缝出现后不因受到其他自然力（湿度）或非自然力（荷载）等的作用而发生宽度与长度的扩展，是一种稳定性裂缝。

2）温差裂缝

为缩短预应力钢筒混凝土管的（PCCP)的生产周期，提高生产效率，国内外的PCCP厂家普遍都采用蒸汽养护工艺加速管芯混凝土的硬化。蒸养时，由于水泥早期水化热较大及水化热温度峰值集中，如蒸养温度过高，混凝土中的水分蒸发过快或拆模时管芯表面与周围介质的温差过大，都会在管芯表面出现由温度变化引发的温差裂缝。此类裂缝出现在管芯外表面时，裂缝呈纵向，一般在管模外模的合缝附近；出现在管子内表面时，裂缝呈环向，一般在插口端管芯横截面发生变化处。裂缝初期的宽度仅0.2-0.3mm，随着时间的推移受周围介质、湿度的影响产生干缩应力，是裂缝逐渐扩展与延伸，纵向裂缝从插口端延伸至管芯全长，环向裂缝则会从一段延伸至整环，宽度也会扩展至2mm，是一种随时间变化的不稳定裂缝。

3）缠绕环向预应力钢丝时管芯出现的裂缝

在管壁厚度不变的管芯从管端缠绕环向预应力钢丝时，缠丝区段产生径向压缩，而未缠丝区段则阻止其变形。这样，在已缠丝区段与未缠丝区段的交界处以及附近相当长范围内会产生纵向弯曲力矩，使管道纵向小条发生纵向弯曲应力。

随着缠绕的进展，管壁纵向小条产生的弯曲力矩的大小与方向也随之改变。随着缠丝部分的不断增长，最大弯矩引起的最大拉应力截面也不断向前移动，即当缠丝在一定长度时，在某一确定的截面内出现最大拉应力，随着缠丝的进展，在此截面中的拉应力变小，甚至消失、变号，而在另一确定的截面内却出现最大拉应力值。缠丝结束后，由于管子全长均匀径向受压，管壁中临时出现的最大弯矩，弯曲应力等也随之消失，这种仅在缠丝过程中出现，缠丝结束后 自行消失的应力，称为临时应力。

实际上PCCPE管芯的插口工作面不缠丝，因此，管芯全长并非是均匀径向压缩，在缠丝区段(管身)与非缠丝区段(插口段)之间就会残留缠丝过程建立的临时应力，从而在非缠丝区段建立弯曲力矩和拉应力，形成永久应力。当该拉应力值大于该区混凝土的抗拉强度时，就会在缠丝区与非缠丝区的交界处产生内壁环向裂缝。

由临时应力转化为永久应力产生的环向裂缝一般均在插口端300mm段内，刚出现时裂缝的宽度在0.1—0.2mm，在堆放期受干缩及 自重的影响会逐步扩展至1.5mm以内并延伸至整环。

4）厂内堆放、储存期间管材内、外出现的裂缝

此期间，由于未及时对管材进行洒水养护，极易在堆储一个月后在管内壁中部出现环向干缩裂缝。裂缝的宽度初期在0.1-0.2mm，随着时间的推迟，裂缝会逐步扩展至 1.0-1.5mm。此类裂缝的条数不多，一般仅 1-2条，几乎全部发生在管子的中段。同时在水泥砂浆保护层上也会因水养不充分而出现肉眼不易观察到，但遇水后有水印的不规则的龟裂，裂缝宽度都在0.1mm以下。造成这种裂缝的原因主要是干缩，因此，可统称为堆储期管芯上出现的干缩裂缝。

5）变形的叠加和裂缝的归合

如上所述，混凝土的裂缝是其变形积累到一定程度后的结果，对PCCPE，产生变形的原因很多，但其变形结果的表现形式，只有环向与纵向裂缝两种。混凝土是一种非匀质材料，因此，即使在同一原因下其变形也是非均匀的。如在混凝土内部结构最薄弱的场区产生最大的变形，一旦开裂变形能得到局部或全部释放后，已开裂的部位则成为其他原因产生变形时变形能释放的优选部位，该原理称之为“应变能的叠加”，其结构形式是裂缝的扩展与延伸，故又称裂缝的归合。

由此可见，PCCPE混凝土管芯在生产与堆储期间实际出现的裂缝也绝不是单一原因引发，而是多项前期原因的综合体现，我们在制订预防或减缓裂缝的措施时，就应予以充分的注意。

4.1.2防止管材开裂的对策与措施

针对上述成因分析，我们在研发过程中采取如下的措施：

（1）避免环缝措施

环缝主要是缠丝过程中产生，是由于上PCCPE管芯的插口工作面不缠丝，在缠丝区段(管身)与非缠丝区段(插口段)之间就会残留缠丝过程建立的临时应力，从而在非缠丝区段建立弯曲力矩和拉应力，形成永久应力。当该拉应力值大于该区混凝土的抗拉强度时，就会在缠丝区与非缠丝区的交界处产生内壁环向裂缝。采取的措施主要有两点。

1）增加插口端刚度及强度。

钢筒焊接、试压后，在插口段钢筒的内、外壁分别周圈焊接0.3m宽钢筋网片，防止吊运、装入管模磕碰造成开裂，增加钢筒与插口环的连接刚度，推迟混凝土裂缝的出现，从而提高该区段混凝土的极限拉伸值，减免插口端内壁环缝的出现，防环裂效果非常好。

2）为避免管插口端部内壁的环缝，在0.4m高度范围内，混凝土搅拌时加入一定质量分数掺加材料，增强了轻质混凝土的抗折强度和延展性，，非常有效地缓解插口端内壁的环缝出现。

（2）合理选择附着式风动振动器的频率与振幅，优化内外管模附着式风动振动器的数量及布置方式，以提高管芯混凝土的振动质量。

（3）优化管芯混凝土的配合比设计，合理地掺加粉煤灰和外加剂，降低单位混凝土中水泥的水化热峰值，提高混凝土的早期强度值，缩短管芯的中间堆放时间，尽早进入缠丝工序。

（4）合理选择蒸汽养护制度。控制管材的蒸养时间。

（5）加强对管芯吊具等辅助工装的检查、保养与维修。（6）及时并充分地对堆、储存管材的内壁与保护层进行洒水养护。

4.1.3防裂缝措施效果

在研发过程中，经过采用上述的科学合理的措施，管芯混凝土及砂浆保护层的裂缝控制效果非常好，除插口端内壁有极轻微的规范允许的环缝外，没有其他的裂缝出现。

4.2管芯浇筑

4.2.1浇筑方式

共设有两个全自动化拌合站，搅拌能力为60m3/h,配有一辆混凝土输送车及两个混凝土储料罐。每个罐的容量为3m3。

在全自动搅拌站完成搅拌后，下料至储料罐，用混凝土输送车将储料罐运送到装好模具的浇筑地点，用10吨电动葫芦门式起重机提升储料罐到模具的下料锥上方，通过下料锥的中上部立柱顶起混凝土罐底部的弹簧挡片，使混凝土沿着下料锥流入到模具内。

4.2.2浇筑要求、存在问题及解决措施

采取钢管内外同时浇筑，改造了导向分流片的宽度和形状，使内侧混凝土的浇筑面高于外侧混凝土的浇筑面，并保持约0.5m的高差，防止钢筒变形。

节省了浇筑时间，节省了人力，极大地提高了浇筑效率和过程质量。

五、结论

研发过程中，通过对预应力钢筒混凝土管制作过程中常见问题的预先分析研究，并采取有效处理措施，PCCP及配件的缺陷基本得到良好控制和消除，满足了规范要求，保证了管道成品及半成品的质量。研制出几何装配尺寸、管子的外观质量、管子的内压及外压抗裂试验都达到规范质量要求的产品。