PCCP管芯混凝土裂缝自愈合性能影响试验研究

程庆臣

摘要：本文针对PCCP混凝土管芯裂缝自愈合能力进行了研究，结果表明：掺入适量粉煤灰的混凝土试件，后期强度增长幅度较大，对裂缝后期的愈合效果作用明显；PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关，裂缝的宽度变化量越大，裂缝自愈合的容许宽度越小。PCCP管内水压越大，裂缝自愈合的速度越慢，容许宽度越小。针对天津地区制管条件及工程运行特点，建议距插口段300mm外管身裂缝宽度应小于0.25mm；距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm。

关键词：PCCP；混凝土裂缝；自愈合

1.前言

天津市南水北调中线滨海新区供水一期工程输水管线工程全长约36.195km，其中采用PCCP线路全长为23.37km，占线路总长的64.6%，PCCP的制造与安装投资约占管线工程投资的40%，因此，PCCP的质量直接影响到工程的整体质量。PCCP由薄钢板和高强混凝土制成，具有高抗压和高抗渗的优点，但在生产和储备运输过程中，由于工艺和养护等其他一些原因，管道的内衬混凝土会产生裂缝。在PCCP的正常运行中，管道承受内水压力和外荷载作用，运行环境较为复杂。在内外压作用下，PCCP出现裂缝后，流体会使钢筒和钢丝发生绣烛，降低管道的结构承载能力，严重时钢丝会发生断裂，在内水压较大的情况的下易发生爆管，降低管道寿命。本文对PCCP管芯混凝土裂缝自愈合能力开展试验研究，为制定PCCP管芯混凝土裂缝的验收标准，提供技术支撑。

2.PCCP管芯混凝土裂缝自愈合试验

关于混凝土裂缝自愈合的合理缝宽，因与混凝土的组成、浸泡水的化学成分以及水压等因素有关，不同的区域，不同的工程，其值也有较大差别，一般在0.1～1.5mm之间。本节从劈裂抗拉强度及裂缝宽度两个评价裂缝自愈合能力的重要指标开展试验。

2.1粉煤灰对裂缝自愈合能力的影响

2.1.1试验用原材料

水泥：冀东PO42.5硅酸盐水泥；粉煤灰：杨柳青电厂粉煤灰，Ⅰ级粉煤灰。

外加剂：萘系缓凝高效减水剂ZB-1A；骨料：遵化河沙，蓟县碎石；

2.1.2试验方案

按照混凝土配合比设计规程确定配合比，选用0.30mm厚、150mm×200mm的钢片，插入刚成型混凝土中，在混凝土初凝后终凝前拔出，形成贯穿混凝土试件的裂缝，放入清水中养护，试件养护达到龄期后，沿裂缝处劈裂，试验过程按SL352-2006《水工混凝土试验规程》混凝土劈裂抗拉强度试验方法进行。比较掺粉煤灰有裂缝的试件和无裂缝试件的劈裂抗拉强度，分析粉煤灰对混凝土裂缝自愈合的影响，根据混凝土裂缝处劈裂抗拉强度增长趋势，研究裂缝自愈合的发展情况。

2.1.3试验结果及分析

不同粉煤灰掺量的混凝土试件，养护后劈裂抗拉强度见表2.1。

注：Ja1、Jb1是无裂缝的试件；La1、Lb1为无裂缝的普通试件。

计算掺粉煤灰有裂缝的混凝土试件，7d、14d、28d、龄期与未掺粉煤灰有裂缝劈裂抗拉强度比，计算结果见表2.2，

由表2.1及表2.2，分析混凝土裂缝处劈裂抗拉强度增长趋势，看出掺有粉煤灰的混凝土试件，混凝土裂缝处早期劈裂抗拉强度发展较慢，28d劈裂抗拉强度只能达到未掺粉煤灰有裂缝试件强度的87％左右，在28d到90d间，混凝土裂缝处的劈裂抗拉强度增长最为明显，90d后掺有粉煤灰有裂缝的试件劈裂抗拉强度超过未掺粉煤灰有裂缝的试件，抗压强度比为104%。说明掺入适量粉煤灰的混凝土试件，后期强度增长幅度较大，对裂缝后期的愈合效果作用明显，这可能是因为水泥水化产生的Ca（OH）2可以与粉煤灰中的化学成份反应产生生成物充填裂缝，提高了混凝土裂缝自愈合能力。

2.2PCCP运行工况对混凝土的自愈合能力的影响

结合天津地区地质条件、运行环境及本工程的输水特点，通过建立模型试验，模拟管道运行工况、比较不同水压力对裂缝自愈合能力的影响。

2.2.1试验结果及分析

试验采用的Φ2200*5000mm预应力钢筒混凝土模型管，试验前先利用三点荷载法将该管道压至开裂，裂缝宽度范围控制在0.7mm内，然后卸除外压，测量实际裂缝宽度，并将裂缝标于管道内壁。裂缝分布：距插口段300mm内0.5~0.7mm，距插口段300mm外0.25mm以内。待准备工作完成后将管道两端密封，对PCCP管施加不同内水压模拟不同运行工况，记录不同的龄期裂缝的愈合情况。

加压装置采用套筒式，套筒由若干个钢架组成，因而具有足够的刚度，套筒下侧与底座固定，加压内套筒外直径为2100mm，PCCP与内套筒间为100mm的加压空腔，两端均用橡胶密封圈密封，形成一个密封的加压空腔，在管道的两侧用钢构件法兰盘将内套筒固定，用加压泵将水注入加压空腔模拟内水压力，试验中采用油压系统加压，以0.25MPa，0.75MPa，分别加压。每级压力维持56天，记录不同宽度、不同龄期裂缝的愈合情况。

试验结果表明自然养护条件下，预压裂缝基本无变化，说明水在裂缝自愈合的过程中发挥了重要作用。PCCP在试验过程中，在有水环境中，裂缝处产生了复杂的物理、化学反应，这些物理、化学反应导致了混凝土裂缝的自愈合。在同一运行工况下，PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关，裂缝的宽度变化量越大，裂缝自愈合的容许宽度越小。距插口段300mm外管身宽度小于0.25mm裂缝在28d龄期内可以完全愈合；距插口段300mm内宽度小于0.5mm裂缝在56d龄期内可以完全愈合；大于0.5mm的裂缝56d龄期内未完全愈合。PCCP管内水压越大，裂缝自愈合的速度越慢，容许宽度越小。无论哪种工况下，宽度超过0.5mm，短时间内几乎难以愈合。

针对天津地区制管条件及本工程运行特点，建议距插口段300mm外管身裂缝宽度应小于0.25mm；距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm。

3.结论

（1）掺粉煤灰的混凝土试件，早期裂缝处劈裂抗拉强度比较低，随着自愈合时间的增长，后期强度增长幅度较大，粉煤灰不利于混凝土早期裂缝自愈合强度的增长，但对裂缝后期的愈合效果作用明显。

（2）在同一运行工况下，PCCP裂缝自愈合的速度与裂缝宽度和龄期有关，裂缝的宽度变化量越大，裂缝自愈合的容许宽度越小。PCCP管内水压越大，裂缝自愈合的速度越慢，容许宽度越小。无论哪种工况下，宽度超过0.5mm，短时间内几乎难以愈合。

（3）针对天津地区制管条件及本工程运行特点，建议距插口段300mm外管身裂缝宽度应小于0.25mm；距插口段300mm内裂缝宽度应小于0.5mm。