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南水北调用 PCCP 原材料控制探讨（刘江宁）南水北调中线工程 XX 段决定采用直径 4m 的预应力钢筒混凝土管(PCCP)PCCP 在中国发展已有十几年的历史十几年来无论从生产工艺和质量控制方面,我国的技术都有了长足的进步,但也必须承认差距仍然存在只有正视这种差距才能不断改进国内现有的生产条件和质量控制方法,中国的 PCCP 行业才能真正与国际接轨本文将以原材料控制为例,对比国内、外 PCCP 质量标准的差别并探讨这些差别背后存在的深层次问题1 水泥1.1 水泥标准由于国情的原因,美国目前只有一个水泥标准ASTMC150《StandardSpeoificationForPortlandCement》,即通常所说硅酸盐水泥美国水泥不分标号,配制不同标号混凝土时,靠调整水泥用量和外加剂实现我国的现行硅酸盐水泥标准为 GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》 美国的波特兰水泥与我国的硅酸盐水泥基本相对应,都允许在水泥熟料中掺加 5%以下的混合材料(如石灰石、粒化高炉矿渣等)但目前国内大部分 PCCP 的生产企业由于成本等问题普遍采用普通硅酸盐水泥,这种水泥允许掺入 6%—15%的混合材料。

硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥对 PCCP 的耐久性影响目前尚无定论,笔者认为影响不大1.2 水泥品种PCCP 可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥美国的 AWWAC301 中规定,PCCP 的生产可采用其标准中的Ⅰ型或Ⅱ型水泥,其中Ⅱ型水泥主要用于有弱硫酸盐侵蚀的环境中笔者认为,在选用水泥品种时要非常慎重根据有关数据和过去的研究成果,我国的抗硫酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的碱度(指氢氧化钙的溶出量)比硅酸盐水泥低众所周知,高碱性环境能够在预应力钢丝表面生成一层钝化膜,防止或阻止钢筋锈蚀碱度越高,防锈的效果越好笔者曾经参加过水管爆裂事故的责任认定会,正是由于使用了硫铝酸盐水泥制管,且对管线的铺设环境了解不充分,造成预应力钢丝锈蚀断裂因此,在采用非硅酸盐水泥生产 PCCP 时,应首先进行钢筋锈蚀试验,在有数据的支持下方可使用1.3 水泥中铝酸三钙的含量(C3A)C3A 是水泥熟料中的一个主要矿物组成,它是有反应速度快、水化热高等特点快硬水泥中往往要增加其含以加快凝结速度；低热水泥中又必须限制其含量,以降低水化热C3A 的另一个特点是极易与硫酸根 SO4-2(如石膏或环境中的硫酸盐)反应生成水化硫铝酸钙,亦称钙矾石。

钙矾石是一种针状或柱状的结晶体,在硬化水泥石中生成可产生很大的结晶压力,最后导致混凝土胀裂美国的Ⅱ型水泥中 C3A的含量要求小于 8%在美国的压力管手册(ConcretePressarePipeAWWAM9)中规定当铺设环境中发现有硫酸盐侵蚀时,需限定水泥中 C3A 的含量具体说,当硫酸浓度小于 2g/L 时,C3A 小于 8%；当硫酸浓度大于 2g/L 时,C3A 应小于 5%美国的著名 PCCP 生产企业普莱斯兄弟公司的企业标准中规定,只能使用Ⅱ型水泥生产 PCCP我国水泥标准中尚无 C3A 的限制,如果工程有要求,需专门与水泥厂商协商山西万家寨联接段工程所用 PCCP 的生产采用 C3A小于 8%的限制2 砂、石集料从标准的角度分析,美国标淮和我国现行标准没有本质的区别2.1 集料粒径建筑工程通常要求粗集料的最大粒径不超过钢筋最小间距的 1/3,以避免集料过大卡在钢筋之间无法振捣密实PCCP 管芯中的钢筋不多(有时会有加强钢丝网片),可根据具体的管子壁厚按上述要求确定最大粒径对于直径 4m 的PCCP 来说,钢筒与内模之间的距离约为 9cm,建议骨料最大粒径不要超过 3cm2.2 集料活性PCCP 的设计寿命为 50 年,因此对骨料活性要求非常严格。

由于我国北方的集料大部分都具有活性或潜在活性,因此选择良好集料矿尤为重要在南水北调中线工程标准《预防混凝土工程碱骨料反应技术条件》(讨论稿)中规定,PCCP 中不宜使用碱—硅酸盐反应疑似活性骨料,即对有潜在活性的骨料也不能使用标准中还规定,PCCP 属Ⅲ类工程,属不允许发生开裂破坏的工程部位及重要的预制构件；Ⅲ类工程中规定混凝土中碱含量不大于 2.5kg/m3,这样的要求在 PCCP 混凝土中很难达到由于工作压力及覆土深度的原因,PCCP 混凝土的设计标号为 C60,其水泥用量多在500kg/m3 左右,因此要求水泥中的碱含量小于 0.5%,这还未包括外加剂、掺合料中所含的碱对于大水泥用量的混凝土控制碱—集料反应的最有效方法就是将所选定的水泥、集料、外加剂及掺合料(如粉煤灰、磨细矿渣或硅灰等)按实际配比配制,采用国际上公认的检测方法进行检测,确认合格时方能使用必要时还可采取一些有效的抑制碱—集料反应的措施关于保护层用砂,笔者认为宜采用中砂偏细或细砂根据我国标准规定,粒径小于 4.75mm 的集料属于砂的范铸保护层用砂应严格地将大于 4.75mm 粒径的部分筛除,其主要目的在于①防止回弹伤人；②防止打断预应力钢丝或损坏钢丝表面(国外有打断钢丝的例证)；③粒径过大不利于控制保护层的密实性。

3 高强预应力钢丝及钢板3.1 高强预应力钢丝高强预应力钢丝是 PCCP 生产过程中最重要的原材料根据美国混凝土压力管协会(ACPPA)统计,早在上世纪 70 年代中期,美国生产的 PCCP 曾经出现过一个事故高发期(PCCP与其他管材相比仍居事故率最低的管材)1975 年全年有20 个工程出现了不同程度的问题在调查事故原因时发现,这些事故主要集中出现在一家被称之为 Interpace 制管厂所生产的管子,调查报告中指出,1975 年 20 个工程问题中,Interpace 生产的 PCCP 在 18 个工程中出现问题这些出问题的 PCCP 都使用了一种被称为Ⅳ级的高强预应力钢丝这种钢丝的强度很高,同时拉拔温度也很高后期的研究发现,过度的拉拔虽然使钢丝的强度大幅度增加,同时也使韧性下降Ⅳ级钢丝出现氢脆的可能性是Ⅲ级钢丝的 20-40 倍正是由于以上原因,在 1984 年版 AWWAC301 和 ASTMA648 标堆中不允许再将Ⅳ级钢丝用于PCCP 管的生产,同时增加了相应的试验程序,如增加了钢丝扭转、径缩等试验内容还规定钢丝的拉拔温度不得超过180℃新标准中还规定了最高抗拉强度指标,即不允许钢丝的抗拉强度超过规定值太多,否则也被认定为不合格钢丝(目前国内一些企业仍认为钢丝强度越高或富余系数越高越好,这是一个误区)。

　　借鉴国外的教训,对比我国目前钢丝生产现状发现,钢丝生产厂的拉拔温度尚没有标淮严格限制,钢丝强度虽能满足下限要求,但波动较大,这些都将给整个管线的使用寿命带来不利影响3.2 钢板在 PCCP 事故统计中,由于钢板质量出问题的概率很低,即使出问题也多出在管道铺设环境有侵蚀性介质时但有一点需提请注意,PCCP 用薄钢板最好使用热轧板,因为热轧板表面无油,有利于与水泥砂浆或混凝土粘结目前国内有许多 PCCP 生产企业使用冷轧板制作钢筒从机械性能的角度,冷轧板与热轧板都能满足生产要求,但冷轧板在使用前需增加表面除油工序,以保证钢板与混凝土的粘接认为钢筒应保持光亮不能生锈是认识方面的一个误区,因为已经有大量试验表明,钢材表面浮锈有利于与混凝土的粘结4 承插口与胶圈承插口和胶圈是 PCCP 中影响接头质量的重要管件就承插口而言,目前从质量和品种上都与国外产品存在着差距由于需求量的原因,大型钢铁企业都不生产这种产品,国内只有两三家中小型企业可轧制插口型材,能够正常地长年供货的企业只有一家缺乏竞争机制是产品质量不能提高的重要因素插口型钢上的凹槽尺寸是根据胶圈的填充量严格计算出来的,是决定今后 PCCP 接头是否漏水的关键尺寸。

该尺寸正偏差过大,胶圈不能充分填充,接头可能漏水；负偏差过大则将胶圈挤出凹槽,造成安装困难国外插口的轧制公差约为±0.1mm而目前国内提供的承插口尺寸公差约为±0.5mm非常值得庆幸的是,10 年来采用国内生产的承插口尚无出现重大事故,但作为生产企业必须清楚地认识到这种差距1992 年以前版本的 AWWAC301 标准中规定,用于 PCCP 的橡胶圈可以由 2 种材料生产,即聚异戊二稀橡胶或天然橡胶但在 1992 年以后的版本中天然橡胶被合成橡胶所代替,其原因尚不清楚目前国外普遍采用的胶圈材料均由合成橡胶制成,而我国则主要采用天然橡胶从性能指标的检测结果看,目前我国生产的橡胶圈完全达到了有关标准的规定,能够满足使用要求但必须指出的是如果胶圈有接头,粘接后接头必须经过硫化处理,并经拉伸试验后方可使用安装胶圈时需用到润滑剂,目前国内尚无这方面的标准,对润滑剂的基本要求是①不能对输送介质有污染；②不能影响胶圈的老化性能我国目前普遍采用的是食用色拉油从性能上看,食用色拉油稠度过稀,不利于安装；从对胶圈性能的影响角度看,没有长期的试验数据支持总之,对于 PCCP 原材料的质量控制,仍有许多要研究探讨和解决的问题。

作者简介：刘江宁男,博士来源：《XX 水利》XX 年第 2 期。