張 磊 山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司 030002

預應力鋼筒混凝土壓力管道（PCCP）的碳化問題探討

張 磊 山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司 030002

PCCP管道的成本很高，混凝土的碳化對較大工作壓力下的管道安全帶來隱患，為此，應高度重視PCCP管道的碳化問題。提高管道抗碳化能力的關(guān)鍵在設(shè)計階段，應從材料因素、環(huán)境因素方面等方面改善管道結(jié)構(gòu)，同時，應加強施工階段的管理。

PCCP管道；碳化；材料因素；環(huán)境因素；施工因素

引言

我國自上世紀80年代引進PCCP生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)以來，經(jīng)歷了認識、研究和應用過程，目前已進入快速發(fā)展階段。在技術(shù)規(guī)格上，表現(xiàn)出管徑加大（南水北調(diào)中線北京段PCCP雙線管道工程，管徑4000mm，設(shè)計流量50m3/s）、壓力提高(山西下河泉水源地北留供水工程PCCP管道最大工作壓力2.0Mpa)的特點。

混凝土的碳化是指空氣中的CO2、SO2等酸性氣體與混凝土中的液性堿性物質(zhì)Ca(OH)2發(fā)生物理化學反應，使得混凝土堿性下降和混凝土中化學成分改變的中性化反應過程。當中性化深度大于混凝土的保護層厚度，就會破壞保護層下鋼筋表面的鈍化膜，伴隨著水和空氣的共同作用，鋼筋就會出現(xiàn)銹蝕，影響結(jié)構(gòu)強度或耐久性降低。

國內(nèi)外研究表明，對于混凝土中的鋼筋，存在兩個臨界PH值，即9.88和11.5。前者是鋼筋表面鈍化膜生成的最低環(huán)境，低于此值，鋼筋完全處于活化狀態(tài)；后者表明鋼筋表面可以形成完整的鈍化膜，或者說低于此值，鋼筋表面的鈍化膜仍是不穩(wěn)定的。因此，要使混凝土中的鋼筋不銹蝕，混凝土的PH值必須大于11.5。

抗碳化主要是防止混凝土中液性堿性產(chǎn)物與周圍環(huán)境里的CO2進行傳質(zhì)運動，延緩因碳化造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿性降低的時間，或阻止其PH值由13左右降至9左右～堿性向中性轉(zhuǎn)化。

美國水工協(xié)會制定的《預應力鋼筒混凝土壓力管設(shè)計標準》（ANSI/AWWA C304）中，將PCCP管道設(shè)計為內(nèi)襯式LCP型和鑲嵌式ECP型兩種型式，管芯厚度一般較薄。ECP型管道由鋼筒嵌置在管壁混凝土中，然后通過在外層混凝土表面纏繞高強鋼絲建立預應力后，噴涂砂漿進行防護；而LCP型管道，管芯由鋼筒內(nèi)襯混凝土組成，高強度鋼絲直接纏繞在鋼筒外側(cè)，同樣選擇一薄層砂漿進行防腐保護。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，管芯中包含的薄鋼筒用作防水層、提供縱向拉伸強度并增加環(huán)向和軸向強度；高強度鋼絲在管芯內(nèi)部產(chǎn)生均勻的預壓應力，以抵抗由內(nèi)壓和外荷載在管芯內(nèi)引起的拉應力，是承受高壓的主要部件，顯然必須考慮防腐保護。但從目前兩種型式的管道結(jié)構(gòu)看，混凝土或砂漿的抗碳化處理明顯不夠。

國外已有PCCP管道爆裂、滲漏的工程實例，我國由于應用時間較短，此方面的資料尚未見報道，但研究PCCP管道混凝土的碳化問題，提高抗碳化性能，無疑具有經(jīng)濟和安全方面的實際意義。

1 混凝土材料因素與提高PCCP管道抗碳化性能的技術(shù)措施

混凝土碳化機理表明，影響混凝土碳化的關(guān)鍵因素是其自身的堿性儲備數(shù)量以及酸性氣體透過混凝土的強度，而后者主要由酸性氣體濃度、濕度、溫度等外界因素和混凝土的滲透性決定。對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 水灰比與PCCP管道的碳化

水泥用量不變的情況下，水灰比越大，混凝土內(nèi)的孔隙率也越大，CO2的透過能力加強，促進了混凝土的碳化。有研究表明，水灰比對混凝土的碳化速度影響極大。在水灰比大于0.65時，混凝土的碳化極度加快，0.55以下時，混凝土的抗碳化能力相對可以保證。水灰比與碳化深度關(guān)系如表1所示。

《預應力鋼筒混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C301-99）中指出，為滿足混凝土的強度，對離心工藝成型用混凝土，其水灰比不得大于0.5，而對垂直澆筑或徑向擠壓用混凝土，其水灰比不得大于0.45。

考慮PCCP管道的結(jié)構(gòu)和運行特點，混凝土或砂漿的水灰比須執(zhí)行更高的標準，以確保較小的孔隙率和較低的滲透性。

高效減水劑能夠降低用水量，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。青島建筑工程學院趙鐵軍與同濟大學李淑進研究結(jié)果表明，當混凝土級配條件相同時，是否添加減水劑，對碳化深度和碳化強度的影響均在一倍以上。因此，可選擇在混凝土中添加減水劑的措施，提高PCCP管道的抗老化能力。

表1 水灰比與碳化深度關(guān)系

自密實混凝土在較低水灰比下，具有良好的流動性，對于厚度較薄的混凝土工程，質(zhì)量更容易控制，具有良好的適用性，因此，如何將自密實混凝土應用于PCCP管道的混凝土加工有必要做深入研究。

1.2 水泥品種與摻量

不同水泥品種反映著不同的水泥活性與混凝土的堿性。水泥含堿量越高，孔溶液PH值增加，碳化速度加快。水泥品種對混凝土的碳化有主要影響。有研究資料表明：①在統(tǒng)一實驗條件下，不同水泥配置的混凝土的碳化速度大小順序為:硅酸鹽水泥＜普通硅酸鹽水泥＜其他品種水泥；②同強度早強水泥較其他水泥抗碳化能力強。

水泥摻量直接影響到混凝土中可碳化物質(zhì)的含量。同樣質(zhì)量的水泥，水泥摻量的增加，將改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實度，增加混凝土的堿性儲備，相應提高混凝土的抗碳化能力。一般情況下，水泥的摻量越大，碳化速度越慢。

目前，PCCP管道混凝土和砂漿對水泥的選擇主要從混凝土強度方面考慮，沒有提出限制性的質(zhì)量指標和水泥品種。同時，ANSI/AWWA C301-99指出，混凝土中水泥摻量以254Kg/0.76m3（折合約334Kg/m3）作為最低控制指標，并且，允許使用不超過20%水泥重量的原狀火山灰或經(jīng)處理的火山灰、粉煤灰及不超過10%水泥重量的硅粉作為水泥取代物。

趙鐵軍與李淑進的研究結(jié)果（表2）表明，在相同水灰比、減水劑、骨料品種和級配條件下，以粉煤灰取代部分水泥（10%～25%）拌制的混凝土比不摻粉煤灰的普通混凝土的碳化影響，高出平均4mm以上，相應碳化后的強度降低平均近6Mpa。

從抗碳化角度考慮，PCCP管道混凝土中是否可以摻加粉煤灰以及其摻量多少，需進行深入研究。在未取得有效結(jié)論前，從保證管道耐久性出發(fā)，建議選用硅酸鹽水泥，并以不摻加其他摻合料為宜。

1.3 粗細集料影響

粗集料的粒徑越大，在集料底部越容易形成凈漿的離析、沉淀，從而加大了混凝土的滲透性。實驗與實踐表明，不同粗集料制成的混凝土抗碳化能力，由強至弱可表示為：天然輕集料→人造粗集料→普通粗集料。ANSI/AWWA C301-99中指出，生產(chǎn)PCCP管道混凝土和砂漿用的粗細集料可以是天然砂、碎石顆粒，也可以是由巖石或礫石破碎而得的副產(chǎn)品配伍的破碎砂、經(jīng)破碎或未破碎的礫石顆粒，但其表觀比重均不得低于2.6。

上述分析看出，不得使用天然輕集料進行PCCP管道混凝土與砂漿的施工，在滿足混凝土強度和施工要求的前提下，考慮減少水泥用量而加大粗集料的粒徑是不合適的。

2 環(huán)境因素與PCCP管道的碳化

2.1 環(huán)境溫度、日照、相對濕度等與PCCP管道的碳化

有研究表明，隨著溫度的提高、日照時間的延長、管道周邊酸性介質(zhì)濃度的加大，環(huán)境混凝土的碳化作用加強；相對濕度對混凝土碳化的影響體現(xiàn)在存在一個濕度范圍，當相對濕度為50%～70%之間時，混凝土的碳化速度最快。

對于采用PCCP管道的輸水工程，設(shè)計時，應事先搜集管道運行環(huán)境中的溫度、日照、相對濕度等氣候資料，并對管道沿線至少進行以下的探測工作:① 測量管線周圍土壤的電阻率；②測量沿線土壤中的腐蝕性因子含量（如氯離子、硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽等），然后根據(jù)結(jié)果，判斷是否需要進行特殊處理。

2.2 PCCP管道的覆土厚度

混凝土覆蓋層的種類與厚度對混凝土碳化有著不同程度的影響。氣密性覆蓋層使CO2滲入混凝土的數(shù)量減少，濃度降低，提高混凝土的抗碳化性能。

PCCP管道設(shè)計時，一般都考慮了管子的覆土荷載，即需要管道在一定的埋置深度下工作。在實際的安裝過程中，或地質(zhì)條件變化或地形變化等原因，常常發(fā)生不經(jīng)設(shè)計變更，人為改變管道的埋置方式，降低填土厚度和密實度，甚至將管道暴露于大氣中。此舉不僅違背了管道設(shè)計的運行環(huán)境，對管道的運行安全不利，同時，可能對管道的耐久性也產(chǎn)生影響。

表2 以粉煤灰取代部分水泥拌制的混凝土碳化影響試驗結(jié)果

3 施工因素與PCCP管道的碳化

3.1 吊裝裂縫與PCCP管道的碳化

混凝土在受到拉應力后，容易在內(nèi)部生成微細裂縫，使CO2的擴散更為容易，混凝土的碳化速度加快。因此，PCCP管道安裝過程中，應優(yōu)先選擇多吊點的吊裝方式，相應地，應禁止單吊點的挖掘機吊裝的施工工法。其一是施工安全得不到保障；其二是單線鋼絲容易招致管道底部及兩側(cè)磨損，而頂部在拉應力下產(chǎn)生微細裂紋，不易發(fā)現(xiàn)和處理，降低管道的抗碳化性能。

3.2 管壁砂漿或混凝土局部破壞的修補處理

實踐證明，環(huán)氧砂漿和樹脂水泥都是有效的防碳化材料。對于管道運輸和安裝過程中出現(xiàn)的局部破損，實踐中，常用水泥凈漿、環(huán)氧砂漿修補或樹脂水泥灌漿處理。由于對破損危害的認識不足或處理技術(shù)不夠，修補材料與原管體的粘結(jié)往往較差，或受后期收縮影響，留下裂縫。

采用環(huán)氧砂漿修補時，采用以下工序，常常取得很好效果：①用鋼刷將破損部位砂漿或混凝土殘留物刷凈，用吹風機吹干；②用丙酮液清洗，吹風機吹干；③環(huán)氧樹脂與T31拌合，涂刷在修補部位，以堵塞微細裂隙；④環(huán)氧砂漿修補。

4 結(jié)論

（1）PCCP管道的碳化問題應從材料、環(huán)境、施工等各方面綜合考慮，鑒于工作壓力大、混凝土厚度薄、費用高的具體特點，應在管道結(jié)構(gòu)上做進一步的改進。

（2）在可能的情況下，應優(yōu)先選用硅酸鹽水泥和普通粗集料拌制PCCP管道混凝土；無特殊要求，一般不宜選用粉煤灰等摻合料作為水泥取代物；根據(jù)水泥性能，可適當添加高效減水劑，以減少拌和水的用量。

（3）對于能否應用自密實混凝土進行PCCP管道的管芯加工沒必要做深入研究。

（4）應根據(jù)管道具體的運行環(huán)境進行合理的設(shè)計，同時，安裝時也應確保符合設(shè)計環(huán)境。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.038

張磊（1969-），男，山西絳縣人，高級工程師。