浅谈预应力钢筒混凝土管(PCCP)管芯成型工艺的选择及裂缝控制

【摘要】本文从介绍预应力钢筒混凝土管（PCCP）入手，着重讨论了PCCP管芯成型工艺的选择及裂缝控制这两个核心问题。经论证，卧式离心成型工艺一般用于生产管径DN不大于1400mm的内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）；立式振动成型工艺一般用于生产管径DN不小于1400mm的埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE）。通过对常见管子裂缝的分类和成因分析，找到控制裂缝的方法。

【关键词】预应力钢筒混凝土管管芯成型工艺裂缝控制

中图分类号：TV331文献标识码： A

1.预应力钢筒混凝土管的介绍

预应力钢筒混凝土管( Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简写PCCP)是指在带有钢筒的高强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而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，它充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。

预应力钢筒混凝土管（PCCP）以其适用范围广、经济、寿命长、安装方便、运行费用低、基本不漏水等优点，成为大口径、长距离高压输水的首选管材，被应用于山西省万家寨引黄工程、南水北调中线工程等国家重点工程中。山西省万家寨引黄工程使用了管径3.0m的PCCP，铺设长度达43.2km，这一工程是我国成功引用PCCP的范例；南水北调中段京石段应急供水工程采用双排、直径4.0m的PCCP管道，铺设达56.4km，这一国家重点工程对南水北调中线工程的全面贯通起到保证作用。[1]随着国民经济的发展，国家城镇化建设加快，城市原有供水设施的改建，预应力钢筒混凝土管（PCCP）必将更广泛的应用于城市给水工程中。

预应力钢筒混凝土管（PCCP）管芯成型工艺的选择及裂缝控制是生产预应力钢筒混凝土管的两个核心问题。合理的选择成型工艺，不仅能降低能耗、提高产品质量，还能降低工人劳动强度和提高劳动生产率，符合节能减排的要求。而预应力钢筒混凝土管在我国生产与应用的时间比较短，受生产工艺、条件和水平的制约，PCCP在生产过程中管芯和保护层会出现各种裂缝，并随着管径的增大，裂缝频率与程度有增大的趋势，[2]这又反过来影响到PCCP的推广和使用。下文将就PCCP管芯成型工艺及管子裂缝两个方面进行系列探讨。

2.预应力钢筒混凝土管（PCCP）管芯成型工艺的比较与选择

预应力钢筒混凝土管（PCCP）管芯成型工艺有以下两种：卧式离心成型和立式振动成型。

2.1卧式离心工艺的特点

卧式离心工艺利用旋转离心力来密实成型混凝土制品的一种工艺。成型设备常用托轮式离心成型机，采用塑性混凝土，成型时,管模平置在离心成型机的托轮上，托轮旋转由慢速增至中速,过渡到快速。投入管模里的预拌混凝土在离心力的作用下分层密实并伴有废浆析出。离心混凝土的密实性能及抗渗性能良好，但是卧式离心工艺的投料效率低下、工人劳动强度高。同时，受工艺限制，产品质量还存在内壁不光滑、表层水泥皮易鳞状剥落等缺陷，为此，施工单位往往在安装完数千米的管道后，还要派工人钻到管道里清扫水泥皮，以确保水流通畅和水源洁净。

2.2立式振动工艺特点

立式振动工艺通过用机械设备将锥形料斗起吊在管模上方均匀下料，用立式浇铸振动成型的新工艺。相对于离心力密实成型管芯的老方法，上料成型时间大大缩短，还避免了离心成型方法中极易出现的管芯内壁塌料、钢筒偏心、内壁浮浆等问题，提高了产品质量，节约了大量电能，降低了工人劳动强度。但在生产小口径管时，立式成型存在站立不稳、管壁较薄、立式浇筑混凝土不易流入等毛病。

2.3预应力钢筒混凝土管（PCCP）管芯成型工艺的选择

预应力钢筒混凝土管（PCCP）按其结构可分为以下两种：一种是内衬式预应力钢筒混凝土管（英文缩写为PCCPL），它是在钢筒内衬以混凝土后，在钢筒外面缠绕预应力钢丝，再辊射砂浆保护层；另一种是埋置式预应力钢筒混凝土管（英文缩写PCCPE），它是将钢筒埋置在混凝土中，然后在混凝土管芯上缠绕预应力钢丝，再辊射砂浆保护层。目前，国内生产内衬式预应力钢筒混凝土管普遍采用离心成型工艺，由于其生产工艺相对成熟，混凝土强度高，抗渗性能好的特点，已得到各生产厂家和使用单位的广泛认可。但离心法成型工艺设备模具投入大、产量低、废浆污染等严重问题，一直困扰着厂家的发展。[3]

根据以往的生产经验，卧式离心成型工艺一般用于生产内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL），这种管的管径DN不大于1400mm；立式振动成型工艺一般用于生产埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE），这种管的管径DN不小于1400mm。这也符合GB/T19685-2005《预应力钢筒混凝土管》4.2中对预应力钢筒混凝土管规格和尺寸的规定。

3.管子裂缝分类、成因及解决方法

3.1标准对管子裂缝的相关规定

GB/T19685-2005《预应力钢筒混凝土管》6.3.2管子裂缝中规定：管子内表面出现的环向裂缝或螺旋状裂缝宽度不应大于0.5mm（浮浆裂缝除外）；距管子插口端300mm范围内出现的环向裂缝宽度不应大于1.5mm；成品管子内表面沿管子纵轴线的平行线成15°范围内不允许存在裂缝长度大于150mm的纵向可见裂缝。

3.2管子裂缝的分类和原因分析

本文所讨论的裂缝，是正常生产中常见的裂缝，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管芯混凝土上的裂缝、缠绕环向预应力钢丝后出现在管芯混凝土上的裂缝和厂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。虽然他们的成因各不相同，但都可看作是当管芯混凝土和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相关，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在同一时间内完成的，而是一个传递、

多次产生与扩展的过程。[4]

3.2.1缠绕环向预应力钢丝前出现在管芯混凝土上的裂缝

（1）收缩裂缝

因管芯在蒸汽养护时，水分大量蒸发，混凝土产生收缩及不均匀沉降而引起的裂缝。其特点是裂缝出现后不会因受到其他自然力（湿度等）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

水泥早期的水化热较大及水化热温度峰值集中，如果蒸养温度过高、水分蒸发过快或拆模时管芯表面与周围环境的温度阶梯过大，都会引起温差裂缝。它是一种受周围介质影响，随着时间而变化的不稳定裂缝。

3.2.2缠绕环向预应力钢丝时出现在管芯混凝土上的裂缝

缠丝时，已缠丝区段与未缠丝区段的交界处以及相当长的范围内会产生纵向弯曲力矩，引致管芯混凝土产生环向裂缝或螺旋状裂缝。而插口段是不缠丝的，使得插口端内表面出现裂缝的情况尤为严重。

3.2.3厂内堆放储存期间出现的裂缝

PCCP在辊射完砂浆保护层后，要及时淋水养护，否则管内壁中部易出现环向干缩裂，砂浆保护层易出现不规则龟裂，这些裂缝都属于干缩裂缝，对管结构影响不大。

3.3管子的裂缝控制

针对不同的裂缝成因，要采用不同的处理方法。

（1）对于干缩裂及温差裂，要做好养护前及养护期间的保湿工作，必要时加罩密封。

严格控制养护温度、升温速率、降温速率以及出罩后与环境的温度阶梯。如果水泥的水化热造成混凝土温度高于养护允许温度，应延长罩内冷却时间，避免管芯过早同外界大气接触，低温季节尤其要注意。[5]

（2）对于缠丝引起的裂缝，可以通过优化管芯混凝土配合比设计，合理的参加粉煤灰，降低单位混凝土中水泥的水化峰值，可选用聚羧酸系高效减水剂，提高混凝土的早期强度；同时，在国标允许的螺距范围内，尽量直径小的高强钢丝进行缠丝，这样可以减小瞬间冲击力。

参考文献：

[1]胡少伟,沈捷,王东黎,蔡新.超大口径预存裂缝的预应力钢筒混凝土管的结构分析与试验研究[J].水利学报,2010,(7).

[2]张成军,陈尧隆,李宇,王坚.大直径预应力钢筒混凝土管道裂缝产生机理与防治研究[J].西北农林科技大学学报,2005,(7).

[3]赵利.内衬式预应力钢筒混凝土管成型工艺比较[J].21世纪建筑材料,2010,(12).

[4]李世龙.预应力钢筒混凝土管的裂缝成因分析及其对策[J].混凝土与水泥制品,2007,(10).

[5]朱敏荣.南水北调中预应力钢筒混凝土管道管芯外壁混凝土裂缝分析[J].山西水利,2009,(1).