南水北調(diào)用PCCP原材料控制探討
2009-10-21 00:00
| 南水北調(diào)中線工程北京段決定采用直徑4m的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)。PCCP在中國(guó)發(fā)展已有十幾年的歷史。十幾年來(lái)無(wú)論從生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制方面, 我國(guó)的技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 但也必須承認(rèn)差距仍然存在。只有正視這種差距才能不斷改進(jìn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件和質(zhì)量控制方法, 中國(guó)的PCCP行業(yè)才能真正與國(guó)際接軌。 本文將以原材料控制為例, 對(duì)比國(guó)內(nèi)、外PCCP質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的差別并探討這些差別背后存在的深層次問(wèn)題。 1 水泥 1.1 水泥標(biāo)準(zhǔn) 由于國(guó)情的原因, 美國(guó)目前只有一個(gè)水泥標(biāo)準(zhǔn)ASTM C150《Standard Speoification For Portland Cement》, 即通常所說(shuō)硅酸鹽水泥。美國(guó)水泥不分標(biāo)號(hào), 配制不同標(biāo)號(hào)混凝土?xí)r, 靠調(diào)整水泥用量和外加劑實(shí)現(xiàn)。我國(guó)的現(xiàn)行硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)為GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》。美國(guó)的波特蘭水泥與我國(guó)的硅酸鹽水泥基本相對(duì)應(yīng),都允許在水泥熟料中摻加5%以下的混合材料(如石灰石、粒化高爐礦渣等)。但目前國(guó)內(nèi)大部分PCCP的生產(chǎn)企業(yè)由于成本等問(wèn)題普遍采用普通硅酸鹽水泥, 這種水泥允許摻入6%—15%的混合材料。硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥對(duì)PCCP的耐久性影響目前尚無(wú)定論, 筆者認(rèn)為影響不大。 1.2 水泥品種 PCCP可采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。美國(guó)的AWWA C301中規(guī)定,PCCP的生產(chǎn)可采用其標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ型或Ⅱ型水泥, 其中Ⅱ型水泥主要用于有弱硫酸鹽侵蝕的環(huán)境中。 筆者認(rèn)為, 在選用水泥品種時(shí)要非常慎重。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)和過(guò)去的研究成果, 我國(guó)的抗硫酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥的堿度(指氫氧化鈣的溶出量)比硅酸鹽水泥低。眾所周知, 高堿性環(huán)境能夠在預(yù)應(yīng)力鋼絲表面生成一層鈍化膜, 防止或阻止鋼筋銹蝕。堿度越高, 防銹的效果越好。筆者曾經(jīng)參加過(guò)水管爆裂事故的責(zé)任認(rèn)定會(huì), 正是由于使用了硫鋁酸鹽水泥制管, 且對(duì)管線的鋪設(shè)環(huán)境了解不充分,造成預(yù)應(yīng)力鋼絲銹蝕斷裂。因此, 在采用非硅酸鹽水泥生產(chǎn)PCCP時(shí), 應(yīng)首先進(jìn)行鋼筋銹蝕試驗(yàn), 在有數(shù)據(jù)的支持下方可使用。 1.3 水泥中鋁酸三鈣的含量(C3A) C3A是水泥熟料中的一個(gè)主要礦物組成, 它是有反應(yīng)速度快、水化熱高等特點(diǎn)。快硬水泥中往往要增加其含以加快凝結(jié)速度；低熱水泥中又必須限制其含量,以降低水化熱。C3A的另一個(gè)特點(diǎn)是極易與硫酸根SO4-2(如石膏或環(huán)境中的硫酸鹽)反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣, 亦稱鈣礬石。鈣礬石是一種針狀或柱狀的結(jié)晶體, 在硬化水泥石中生成可產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力, 最后導(dǎo)致混凝土脹裂。美國(guó)的Ⅱ型水泥中C3A的含量要求小于8%。在美國(guó)的壓力管手冊(cè)(Concrete Pressare Pipe AWWA M9)中規(guī)定當(dāng)鋪設(shè)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)有硫酸鹽侵蝕時(shí), 需限定水泥中C3A的含量。具體說(shuō), 當(dāng)硫酸濃度小于2g/L時(shí),C3A小于8%；當(dāng)硫酸濃度大于2g/L時(shí), C3A應(yīng)小于5%。美國(guó)的著名PCCP生產(chǎn)企業(yè)普萊斯兄弟公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定, 只能使用Ⅱ型水泥生產(chǎn)PCCP。我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)C3A的限制, 如果工程有要求, 需專門(mén)與水泥廠商協(xié)商。山西萬(wàn)家寨聯(lián)接段工程所用PCCP的生產(chǎn)采用C3A小于8%的限制。 2 砂、石集料 從標(biāo)準(zhǔn)的角度分析, 美國(guó)標(biāo)淮和我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。 2.1 集料粒徑 建筑工程通常要求粗集料的最大粒徑不超過(guò)鋼筋最小間距的1/3, 以避免集料過(guò)大卡在鋼筋之間無(wú)法振搗密實(shí)。PCCP管芯中的鋼筋不多(有時(shí)會(huì)有加強(qiáng)鋼絲網(wǎng)片), 可根據(jù)具體的管子壁厚按上述要求確定最大粒徑。對(duì)于直徑4m的PCCP來(lái)說(shuō), 鋼筒與內(nèi)模之間的距離約為9cm,建議骨料最大粒徑不要超過(guò)3cm。 2.2 集料活性 PCCP的設(shè)計(jì)壽命為50年, 因此對(duì)骨料活性要求非常嚴(yán)格。由于我國(guó)北方的集料大部分都具有活性或潛在活性,因此選擇良好集料礦尤為重要。在南水北調(diào)中線工程標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條件》(討論稿)中規(guī)定,PCCP中不宜使用堿—硅酸鹽反應(yīng)疑似活性骨料, 即對(duì)有潛在活性的骨料也不能使用。標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定, PCCP屬Ⅲ類工程, 屬不允許發(fā)生開(kāi)裂破壞的工程部位及重要的預(yù)制構(gòu)件；Ⅲ類工程中規(guī)定混凝土中堿含量不大于2.5kg/m3, 這樣的要求在PCCP混凝土中很難達(dá)到。由于工作壓力及覆土深度的原因, PCCP混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60, 其水泥用量多在500kg/m3左右, 因此要求水泥中的堿含量小于0.5%, 這還未包括外加劑、摻合料中所含的堿。 [Page] 對(duì)于大水泥用量的混凝土控制堿—集料反應(yīng)的最有效方法就是將所選定的水泥、集料、外加劑及摻合料(如粉煤灰、磨細(xì)礦渣或硅灰等)按實(shí)際配比配制, 采用國(guó)際上公認(rèn)的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè), 確認(rèn)合格時(shí)方能使用。必要時(shí)還可采取一些有效的抑制堿—集料反應(yīng)的措施。 關(guān)于保護(hù)層用砂, 筆者認(rèn)為宜采用中砂偏細(xì)或細(xì)砂。根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 粒徑小于4.75mm的集料屬于砂的范鑄。保護(hù)層用砂應(yīng)嚴(yán)格地將大于4.75mm粒徑的部分篩除,其主要目的在于① 防止回彈傷人；② 防止打斷預(yù)應(yīng)力鋼絲或損壞鋼絲表面(國(guó)外有打斷鋼絲的例證)；③ 粒徑過(guò)大不利于控制保護(hù)層的密實(shí)性。 3 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼板 [Page] 3.1 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲是PCCP生產(chǎn)過(guò)程中最重要的原材料。根據(jù)美國(guó)混凝土壓力管協(xié)會(huì)(ACPPA)統(tǒng)計(jì), 早在上世紀(jì)70年代中期, 美國(guó)生產(chǎn)的PCCP曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一個(gè)事故高發(fā)期(PCCP與其他管材相比仍居事故率最低的管材)。1975年全年有20個(gè)工程出現(xiàn)了不同程度的問(wèn)題。 在調(diào)查事故原因時(shí)發(fā)現(xiàn), 這些事故主要集中出現(xiàn)在一家被稱之為Interpace制管廠所生產(chǎn)的管子, 調(diào)查報(bào)告中指出, 1975年20個(gè)工程問(wèn)題中, Interpace生產(chǎn)的PCCP在18個(gè)工程中出現(xiàn)問(wèn)題。這些出問(wèn)題的PCCP都使用了一種被稱為Ⅳ級(jí)的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲。這種鋼絲的強(qiáng)度很高, 同時(shí)拉拔溫度也很高。后期的研究發(fā)現(xiàn), 過(guò)度的拉拔雖然使鋼絲的強(qiáng)度大幅度增加, 同時(shí)也使韌性下降。Ⅳ級(jí)鋼絲出現(xiàn)氫脆的可能性是Ⅲ級(jí)鋼絲的20-40倍。正是由于以上原因, 在1984年版AWWA C301和ASTM A648標(biāo)堆中不允許再將Ⅳ級(jí)鋼絲用于PCCP管的生產(chǎn), 同時(shí)增加了相應(yīng)的試驗(yàn)程序, 如增加了鋼絲扭轉(zhuǎn)、徑縮等試驗(yàn)內(nèi)容。還規(guī)定鋼絲的拉拔溫度不得超過(guò)180℃ 。新標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了最高抗拉強(qiáng)度指標(biāo), 即不允許鋼絲的抗拉強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定值太多, 否則也被認(rèn)定為不合格鋼絲(目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)仍認(rèn)為鋼絲強(qiáng)度越高或富余系數(shù)越高越好, 這是一個(gè)誤區(qū))。 借鑒國(guó)外的教訓(xùn), 對(duì)比我國(guó)目前鋼絲生產(chǎn)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),鋼絲生產(chǎn)廠的拉拔溫度尚沒(méi)有標(biāo)淮嚴(yán)格限制, 鋼絲強(qiáng)度雖能滿足下限要求, 但波動(dòng)較大, 這些都將給整個(gè)管線的使用壽命帶來(lái)不利影響。 3.2 鋼板 在PCCP事故統(tǒng)計(jì)中, 由于鋼板質(zhì)量出問(wèn)題的概率很低, 即使出問(wèn)題也多出在管道鋪設(shè)環(huán)境有侵蝕性介質(zhì)時(shí)。但有一點(diǎn)需提請(qǐng)注意, PCCP用薄鋼板最好使用熱軋板, 因?yàn)闊彳埌灞砻鏌o(wú)油, 有利于與水泥砂漿或混凝土粘結(jié)。目前國(guó)內(nèi)有許多PCCP生產(chǎn)企業(yè)使用冷軋板制作鋼筒。從機(jī)械性能的角度, 冷軋板與熱軋板都能滿足生產(chǎn)要求, 但冷軋板在使用前需增加表面除油工序, 以保證鋼板與混凝土的粘接。認(rèn)為鋼筒應(yīng)保持光亮不能生銹是認(rèn)識(shí)方面的一個(gè)誤區(qū), 因?yàn)橐呀?jīng)有大量試驗(yàn)表明, 鋼材表面浮銹有利于與混凝土的粘結(jié)。 4 承插口與膠圈 承插口和膠圈是PCCP中影響接頭質(zhì)量的重要管件。就承插口而言, 目前從質(zhì)量和品種上都與國(guó)外產(chǎn)品存在著差距。由于需求量的原因, 大型鋼鐵企業(yè)都不生產(chǎn)這種產(chǎn)品, 國(guó)內(nèi)只有兩三家中小型企業(yè)可軋制插口型材, 能夠正常地長(zhǎng)年供貨的企業(yè)只有一家。缺乏競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制是產(chǎn)品質(zhì)量不能提高的重要因素。 插口型鋼上的凹槽尺寸是根據(jù)膠圈的填充量嚴(yán)格計(jì)算出來(lái)的, 是決定今后PCCP接頭是否漏水的關(guān)鍵尺寸。該尺寸正偏差過(guò)大, 膠圈不能充分填充, 接頭可能漏水；負(fù)偏差過(guò)大則將膠圈擠出凹槽, 造成安裝困難。國(guó)外插口的軋制公差約為±0.1mm。而目前國(guó)內(nèi)提供的承插口尺寸公差約為±0.5mm。非常值得慶幸的是,10年來(lái)采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的承插口尚無(wú)出現(xiàn)重大事故, 但作為生產(chǎn)企業(yè)必須清楚地認(rèn)識(shí)到這種差距。 1992年以前版本的AWWAC301標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定, 用于PCCP的橡膠圈可以由2種材料生產(chǎn), 即聚異戊二稀橡膠或天然橡膠。但在1992年以后的版本中天然橡膠被合成橡膠所代替, 其原因尚不清楚。目前國(guó)外普遍采用的膠圈材料均由合成橡膠制成, 而我國(guó)則主要采用天然橡膠。從性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果看, 目前我國(guó)生產(chǎn)的橡膠圈完全達(dá)到了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定, 能夠滿足使用要求。但必須指出的是如果膠圈有接頭（如現(xiàn)場(chǎng)拼接）, 粘接后接頭必須經(jīng)過(guò)硫化處理, 并經(jīng)拉伸試驗(yàn)后方可使用。 安裝膠圈時(shí)需用到潤(rùn)滑劑, 目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)這方面的標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)潤(rùn)滑劑的基本要求是① 不能對(duì)輸送介質(zhì)有污染；② 不能影響膠圈的老化性能。我國(guó)目前普遍采用的是食用色拉油。從性能上看, 食用色拉油稠度過(guò)稀, 不利于安裝；從對(duì)膠圈性能的影響角度看, 沒(méi)有長(zhǎng)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。 總之, 對(duì)于PCCP原材料的質(zhì)量控制, 仍有許多要研究探討和解決的問(wèn)題。 |
| 原作者： 劉江寧 |
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