预应力钢筒混凝土压力管道（PCCP）的碳化问题探讨

2010-10-27山西省水利水电工程建设监理公司030002

中国科技信息 2010年13期

关键词：钢筒水灰比碳化

张磊山西省水利水电工程建设监理公司 030002

张磊山西省水利水电工程建设监理公司 030002

PCCP管道的成本很高，混凝土的碳化对较大工作压力下的管道安全带来隐患，为此，应高度重视PCCP管道的碳化问题。提高管道抗碳化能力的关键在设计阶段，应从材料因素、环境因素方面等方面改善管道结构，同时，应加强施工阶段的管理。

PCCP管道；碳化；材料因素；环境因素；施工因素

引言

我国自上世纪80年代引进PCCP生产设备和技术以来，经历了认识、研究和应用过程，目前已进入快速发展阶段。在技术规格上，表现出管径加大（南水北调中线北京段PCCP双线管道工程，管径4000mm，设计流量50m3/s）、压力提高(山西下河泉水源地北留供水工程PCCP管道最大工作压力2.0Mpa)的特点。

混凝土的碳化是指空气中的CO2、SO2等酸性气体与混凝土中的液性碱性物质Ca(OH)2发生物理化学反应，使得混凝土碱性下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过程。当中性化深度大于混凝土的保护层厚度，就会破坏保护层下钢筋表面的钝化膜，伴随着水和空气的共同作用，钢筋就会出现锈蚀，影响结构强度或耐久性降低。

国内外研究表明，对于混凝土中的钢筋，存在两个临界PH值，即9.88和11.5。前者是钢筋表面钝化膜生成的最低环境，低于此值，钢筋完全处于活化状态；后者表明钢筋表面可以形成完整的钝化膜，或者说低于此值，钢筋表面的钝化膜仍是不稳定的。因此，要使混凝土中的钢筋不锈蚀，混凝土的PH值必须大于11.5。

抗碳化主要是防止混凝土中液性碱性产物与周围环境里的CO2进行传质运动，延缓因碳化造成混凝土结构内部碱性降低的时间，或阻止其PH值由13左右降至9左右～碱性向中性转化。

美国水工协会制定的《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》（ANSI/AWWA C304）中，将PCCP管道设计为内衬式LCP型和镶嵌式ECP型两种型式，管芯厚度一般较薄。ECP型管道由钢筒嵌置在管壁混凝土中，然后通过在外层混凝土表面缠绕高强钢丝建立预应力后，喷涂砂浆进行防护；而LCP型管道，管芯由钢筒内衬混凝土组成，高强度钢丝直接缠绕在钢筒外侧，同样选择一薄层砂浆进行防腐保护。结构设计中，管芯中包含的薄钢筒用作防水层、提供纵向拉伸强度并增加环向和轴向强度；高强度钢丝在管芯内部产生均匀的预压应力，以抵抗由内压和外荷载在管芯内引起的拉应力，是承受高压的主要部件，显然必须考虑防腐保护。但从目前两种型式的管道结构看，混凝土或砂浆的抗碳化处理明显不够。

国外已有PCCP管道爆裂、渗漏的工程实例，我国由于应用时间较短，此方面的资料尚未见报道，但研究PCCP管道混凝土的碳化问题，提高抗碳化性能，无疑具有经济和安全方面的实际意义。

1 混凝土材料因素与提高PCCP管道抗碳化性能的技术措施

混凝土碳化机理表明，影响混凝土碳化的关键因素是其自身的碱性储备数量以及酸性气体透过混凝土的强度，而后者主要由酸性气体浓度、湿度、温度等外界因素和混凝土的渗透性决定。对PCCP管道自身而言，抗碳化性能的提高主要反映在材料因素方面。

1.1 水灰比与PCCP管道的碳化

水泥用量不变的情况下，水灰比越大，混凝土内的孔隙率也越大，CO2的透过能力加强，促进了混凝土的碳化。有研究表明，水灰比对混凝土的碳化速度影响极大。在水灰比大于0.65时，混凝土的碳化极度加快，0.55以下时，混凝土的抗碳化能力相对可以保证。水灰比与碳化深度关系如表1所示。

《预应力钢筒混凝土压力管》（ANSI/AWWA C301-99）中指出，为满足混凝土的强度，对离心工艺成型用混凝土，其水灰比不得大于0.5，而对垂直浇筑或径向挤压用混凝土，其水灰比不得大于0.45。

考虑PCCP管道的结构和运行特点，混凝土或砂浆的水灰比须执行更高的标准，以确保较小的孔隙率和较低的渗透性。

高效减水剂能够降低用水量，改善混凝土的和易性，降低混凝土的孔隙率，因此，可以提高混凝土的抗碳化能力。青岛建筑工程学院赵铁军与同济大学李淑进研究结果表明，当混凝土级配条件相同时，是否添加减水剂，对碳化深度和碳化强度的影响均在一倍以上。因此，可选择在混凝土中添加减水剂的措施，提高PCCP管道的抗老化能力。

表1 水灰比与碳化深度关系

自密实混凝土在较低水灰比下，具有良好的流动性，对于厚度较薄的混凝土工程，质量更容易控制，具有良好的适用性，因此，如何将自密实混凝土应用于PCCP管道的混凝土加工有必要做深入研究。

1.2 水泥品种与掺量

不同水泥品种反映着不同的水泥活性与混凝土的碱性。水泥含碱量越高，孔溶液PH值增加，碳化速度加快。水泥品种对混凝土的碳化有主要影响。有研究资料表明：①在统一实验条件下，不同水泥配置的混凝土的碳化速度大小顺序为:硅酸盐水泥＜普通硅酸盐水泥＜其他品种水泥；②同强度早强水泥较其他水泥抗碳化能力强。

水泥掺量直接影响到混凝土中可碳化物质的含量。同样质量的水泥，水泥掺量的增加，将改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实度，增加混凝土的碱性储备，相应提高混凝土的抗碳化能力。一般情况下，水泥的掺量越大，碳化速度越慢。

目前，PCCP管道混凝土和砂浆对水泥的选择主要从混凝土强度方面考虑，没有提出限制性的质量指标和水泥品种。同时，ANSI/AWWA C301-99指出，混凝土中水泥掺量以254Kg/0.76m3（折合约334Kg/m3）作为最低控制指标，并且，允许使用不超过20%水泥重量的原状火山灰或经处理的火山灰、粉煤灰及不超过10%水泥重量的硅粉作为水泥取代物。

赵铁军与李淑进的研究结果（表2）表明，在相同水灰比、减水剂、骨料品种和级配条件下，以粉煤灰取代部分水泥（10%～25%）拌制的混凝土比不掺粉煤灰的普通混凝土的碳化影响，高出平均4mm以上，相应碳化后的强度降低平均近6Mpa。

从抗碳化角度考虑，PCCP管道混凝土中是否可以掺加粉煤灰以及其掺量多少，需进行深入研究。在未取得有效结论前，从保证管道耐久性出发，建议选用硅酸盐水泥，并以不掺加其他掺合料为宜。

1.3 粗细集料影响

粗集料的粒径越大，在集料底部越容易形成净浆的离析、沉淀，从而加大了混凝土的渗透性。实验与实践表明，不同粗集料制成的混凝土抗碳化能力，由强至弱可表示为：天然轻集料→人造粗集料→普通粗集料。ANSI/AWWA C301-99中指出，生产PCCP管道混凝土和砂浆用的粗细集料可以是天然砂、碎石颗粒，也可以是由岩石或砾石破碎而得的副产品配伍的破碎砂、经破碎或未破碎的砾石颗粒，但其表观比重均不得低于2.6。

上述分析看出，不得使用天然轻集料进行PCCP管道混凝土与砂浆的施工，在满足混凝土强度和施工要求的前提下，考虑减少水泥用量而加大粗集料的粒径是不合适的。

2 环境因素与PCCP管道的碳化

2.1 环境温度、日照、相对湿度等与PCCP管道的碳化

有研究表明，随着温度的提高、日照时间的延长、管道周边酸性介质浓度的加大，环境混凝土的碳化作用加强；相对湿度对混凝土碳化的影响体现在存在一个湿度范围，当相对湿度为50%～70%之间时，混凝土的碳化速度最快。

对于采用PCCP管道的输水工程，设计时，应事先搜集管道运行环境中的温度、日照、相对湿度等气候资料，并对管道沿线至少进行以下的探测工作:① 测量管线周围土壤的电阻率；②测量沿线土壤中的腐蚀性因子含量（如氯离子、硫酸盐、硫化物、碳酸盐等），然后根据结果，判断是否需要进行特殊处理。

2.2 PCCP管道的覆土厚度

混凝土覆盖层的种类与厚度对混凝土碳化有着不同程度的影响。气密性覆盖层使CO2渗入混凝土的数量减少，浓度降低，提高混凝土的抗碳化性能。

PCCP管道设计时，一般都考虑了管子的覆土荷载，即需要管道在一定的埋置深度下工作。在实际的安装过程中，或地质条件变化或地形变化等原因，常常发生不经设计变更，人为改变管道的埋置方式，降低填土厚度和密实度，甚至将管道暴露于大气中。此举不仅违背了管道设计的运行环境，对管道的运行安全不利，同时，可能对管道的耐久性也产生影响。

表2 以粉煤灰取代部分水泥拌制的混凝土碳化影响试验结果

3 施工因素与PCCP管道的碳化

3.1 吊装裂缝与PCCP管道的碳化

混凝土在受到拉应力后，容易在内部生成微细裂缝，使CO2的扩散更为容易，混凝土的碳化速度加快。因此，PCCP管道安装过程中，应优先选择多吊点的吊装方式，相应地，应禁止单吊点的挖掘机吊装的施工工法。其一是施工安全得不到保障；其二是单线钢丝容易招致管道底部及两侧磨损，而顶部在拉应力下产生微细裂纹，不易发现和处理，降低管道的抗碳化性能。

3.2 管壁砂浆或混凝土局部破坏的修补处理

实践证明，环氧砂浆和树脂水泥都是有效的防碳化材料。对于管道运输和安装过程中出现的局部破损，实践中，常用水泥净浆、环氧砂浆修补或树脂水泥灌浆处理。由于对破损危害的认识不足或处理技术不够，修补材料与原管体的粘结往往较差，或受后期收缩影响，留下裂缝。

采用环氧砂浆修补时，采用以下工序，常常取得很好效果：①用钢刷将破损部位砂浆或混凝土残留物刷净，用吹风机吹干；②用丙酮液清洗，吹风机吹干；③环氧树脂与T31拌合，涂刷在修补部位，以堵塞微细裂隙；④环氧砂浆修补。