南水北調(diào)中線工程北京段決定采用直徑4m的預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。PCCP在中國發(fā)展已有十幾年的歷史。十幾年來無論從生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制方面, 我國的技術都有了長足的進步, 但也必須承認差距仍然存在。只有正視這種差距才能不斷改進國內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件和質(zhì)量控制方法, 中國的PCCP行業(yè)才能真正與國際接軌。
本文將以原材料控制為例, 對比國內(nèi)、外PCCP質(zhì)量標準的差別并探討這些差別背后存在的深層次問題。
1 水泥
1.1 水泥標準
由于國情的原因, 美國目前只有一個水泥標準ASTM C150《Standard Speoification For Portland Cement》, 即通常所說硅酸鹽水泥。美國水泥不分標號, 配制不同標號混凝土時, 靠調(diào)整水泥用量和外加劑實現(xiàn)。我國的現(xiàn)行硅酸鹽水泥標準為GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》。美國的波特蘭水泥與我國的硅酸鹽水泥基本相對應,都允許在水泥熟料中摻加5%以下的混合材料(如石灰石、?；郀t礦渣等)。但目前國內(nèi)大部分PCCP的生產(chǎn)企業(yè)由于成本等問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PCCP的耐久性影響目前尚無定論, 筆者認為影響不大。
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。美國的AWWA C301中規(guī)定,PCCP的生產(chǎn)可采用其標準中的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。
筆者認為, 在選用水泥品種時要非常慎重。根據(jù)有關數(shù)據(jù)和過去的研究成果, 我國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)境能夠在預應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)參加過水管爆裂事故的責任認定會, 正是由于使用了硫鋁酸鹽水泥制管, 且對管線的鋪設環(huán)境了解不充分,造成預應力鋼絲銹蝕斷裂。因此, 在采用非硅酸鹽水泥生產(chǎn)PCCP時, 應首先進行鋼筋銹蝕試驗, 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主要礦物組成, 它是有反應速度快、水化熱高等特點。快硬水泥中往往要增加其含以加快凝結速度；低熱水泥中又必須限制其含量,以降低水化熱。C3A的另一個特點是極易與硫酸根SO4-2(如石膏或環(huán)境中的硫酸鹽)反應生成水化硫鋁酸鈣, 亦稱鈣礬石。鈣礬石是一種針狀或柱狀的結晶體, 在硬化水泥石中生成可產(chǎn)生很大的結晶壓力, 最后導致混凝土脹裂。美國的Ⅱ型水泥中C3A的含量要求小于8%。在美國的壓力管手冊(Concrete Pressare Pipe AWWA M9)中規(guī)定當鋪設環(huán)境中發(fā)現(xiàn)有硫酸鹽侵蝕時, 需限定水泥中C3A的含量。具體說, 當硫酸濃度小于2g/L時,C3A小于8%；當硫酸濃度大于2g/L時, C3A應小于5%。美國的著名PCCP生產(chǎn)企業(yè)普萊斯兄弟公司的企業(yè)標準中規(guī)定, 只能使用Ⅱ型水泥生產(chǎn)PCCP。我國水泥標準中尚無C3A的限制, 如果工程有要求, 需專門與水泥廠商協(xié)商。山西萬家寨聯(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
從標準的角度分析, 美國標淮和我國現(xiàn)行標準沒有本質(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鋼筋最小間距的1/3, 以避免集料過大卡在鋼筋之間無法振搗密實。PCCP管芯中的鋼筋不多(有時會有加強鋼絲網(wǎng)片), 可根據(jù)具體的管子壁厚按上述要求確定最大粒徑。對于直徑4m的PCCP來說, 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3cm。
2.2 集料活性
PCCP的設計壽命為50年, 因此對骨料活性要求非常嚴格。由于我國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)中線工程標準《預防混凝土工程堿骨料反應技術條件》(討論稿)中規(guī)定,PCCP中不宜使用堿—硅酸鹽反應疑似活性骨料, 即對有潛在活性的骨料也不能使用。標準中還規(guī)定, PCCP屬Ⅲ類工程, 屬不允許發(fā)生開裂破壞的工程部位及重要的預制構件；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混凝土中很難達到。由于工作壓力及覆土深度的原因, PCCP混凝土的設計標號為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。
對于大水泥用量的混凝土控制堿—集料反應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、磨細礦渣或硅灰等)按實際配比配制, 采用國際上公認的檢測方法進行檢測, 確認合格時方能使用。必要時還可采取一些有效的抑制堿—集料反應的措施。
關于保護層用砂, 筆者認為宜采用中砂偏細或細砂。根據(jù)我國標準規(guī)定, 粒徑小于4.75mm的集料屬于砂的范鑄。保護層用砂應嚴格地將大于4.75mm粒徑的部分篩除,其主要目的在于① 防止回彈傷人；② 防止打斷預應力鋼絲或損壞鋼絲表面(國外有打斷鋼絲的例證)；③ 粒徑過大不利于控制保護層的密實性。
3 高強預應力鋼絲及鋼板
3.1 高強預應力鋼絲
高強預應力鋼絲是PCCP生產(chǎn)過程中最重要的原材料。根據(jù)美國混凝土壓力管協(xié)會(ACPPA)統(tǒng)計, 早在上世紀70年代中期, 美國生產(chǎn)的PCCP曾經(jīng)出現(xiàn)過一個事故高發(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個工程出現(xiàn)了不同程度的問題。
在調(diào)查事故原因時發(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)查報告中指出, 1975年20個工程問題中, Interpace生產(chǎn)的PCCP在18個工程中出現(xiàn)問題。這些出問題的PCCP都使用了一種被稱為Ⅳ級的高強預應力鋼絲。這種鋼絲的強度很高, 同時拉拔溫度也很高。后期的研究發(fā)現(xiàn), 過度的拉拔雖然使鋼絲的強度大幅度增加, 同時也使韌性下降。Ⅳ級鋼絲出現(xiàn)氫脆的可能性是Ⅲ級鋼絲的20-40倍。正是由于以上原因, 在1984年版AWWA C301和ASTM A648標堆中不允許再將Ⅳ級鋼絲用于PCCP管的生產(chǎn), 同時增加了相應的試驗程序, 如增加了鋼絲扭轉、徑縮等試驗內(nèi)容。還規(guī)定鋼絲的拉拔溫度不得超過180℃ 。新標準中還規(guī)定了最高抗拉強度指標, 即不允許鋼絲的抗拉強度超過規(guī)定值太多, 否則也被認定為不合格鋼絲(目前國內(nèi)一些企業(yè)仍認為鋼絲強度越高或富余系數(shù)越高越好, 這是一個誤區(qū))。
借鑒國外的教訓, 對比我國目前鋼絲生產(chǎn)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),鋼絲生產(chǎn)廠的拉拔溫度尚沒有標淮嚴格限制, 鋼絲強度雖能滿足下限要求, 但波動較大, 這些都將給整個管線的使用壽命帶來不利影響。
3.2 鋼板
在PCCP事故統(tǒng)計中, 由于鋼板質(zhì)量出問題的概率很低, 即使出問題也多出在管道鋪設環(huán)境有侵蝕性介質(zhì)時。但有一點需提請注意, PCCP用薄鋼板最好使用熱軋板, 因為熱軋板表面無油, 有利于與水泥砂漿或混凝土粘結。目前國內(nèi)有許多PCCP生產(chǎn)企業(yè)使用冷軋板制作鋼筒。從機械性能的角度, 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。認為鋼筒應保持光亮不能生銹是認識方面的一個誤區(qū), 因為已經(jīng)有大量試驗表明, 鋼材表面浮銹有利于與混凝土的粘結。
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, 能夠正常地長年供貨的企業(yè)只有一家。缺乏競爭機制是產(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)膠圈的填充量嚴格計算出來的, 是決定今后PCCP接頭是否漏水的關鍵尺寸。該尺寸正偏差過大, 膠圈不能充分填充, 接頭可能漏水；負偏差過大則將膠圈擠出凹槽, 造成安裝困難。國外插口的軋制公差約為±0.1mm。而目前國內(nèi)提供的承插口尺寸公差約為±0.5mm。非常值得慶幸的是,10年來采用國內(nèi)生產(chǎn)的承插口尚無出現(xiàn)重大事故, 但作為生產(chǎn)企業(yè)必須清楚地認識到這種差距。
1992年以前版本的AWWAC301標準中規(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。目前國外普遍采用的膠圈材料均由合成橡膠制成, 而我國則主要采用天然橡膠。從性能指標的檢測結果看, 目前我國生產(chǎn)的橡膠圈完全達到了有關標準的規(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)場拼接）, 粘接后接頭必須經(jīng)過硫化處理, 并經(jīng)拉伸試驗后方可使用。
安裝膠圈時需用到潤滑劑, 目前國內(nèi)尚無這方面的標準, 對潤滑劑的基本要求是① 不能對輸送介質(zhì)有污染；② 不能影響膠圈的老化性能。我國目前普遍采用的是食用色拉油。從性能上看, 食用色拉油稠度過稀, 不利于安裝；從對膠圈性能的影響角度看, 沒有長期的試驗數(shù)據(jù)支持。
總之, 對于PCCP原材料的質(zhì)量控制, 仍有許多要研究探討和解決的問題。
本文將以原材料控制為例, 對比國內(nèi)、外PCCP質(zhì)量標準的差別并探討這些差別背后存在的深層次問題。
1 水泥
1.1 水泥標準
由于國情的原因, 美國目前只有一個水泥標準ASTM C150《Standard Speoification For Portland Cement》, 即通常所說硅酸鹽水泥。美國水泥不分標號, 配制不同標號混凝土時, 靠調(diào)整水泥用量和外加劑實現(xiàn)。我國的現(xiàn)行硅酸鹽水泥標準為GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》。美國的波特蘭水泥與我國的硅酸鹽水泥基本相對應,都允許在水泥熟料中摻加5%以下的混合材料(如石灰石、?；郀t礦渣等)。但目前國內(nèi)大部分PCCP的生產(chǎn)企業(yè)由于成本等問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PCCP的耐久性影響目前尚無定論, 筆者認為影響不大。
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。美國的AWWA C301中規(guī)定,PCCP的生產(chǎn)可采用其標準中的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。
筆者認為, 在選用水泥品種時要非常慎重。根據(jù)有關數(shù)據(jù)和過去的研究成果, 我國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)境能夠在預應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)參加過水管爆裂事故的責任認定會, 正是由于使用了硫鋁酸鹽水泥制管, 且對管線的鋪設環(huán)境了解不充分,造成預應力鋼絲銹蝕斷裂。因此, 在采用非硅酸鹽水泥生產(chǎn)PCCP時, 應首先進行鋼筋銹蝕試驗, 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主要礦物組成, 它是有反應速度快、水化熱高等特點。快硬水泥中往往要增加其含以加快凝結速度；低熱水泥中又必須限制其含量,以降低水化熱。C3A的另一個特點是極易與硫酸根SO4-2(如石膏或環(huán)境中的硫酸鹽)反應生成水化硫鋁酸鈣, 亦稱鈣礬石。鈣礬石是一種針狀或柱狀的結晶體, 在硬化水泥石中生成可產(chǎn)生很大的結晶壓力, 最后導致混凝土脹裂。美國的Ⅱ型水泥中C3A的含量要求小于8%。在美國的壓力管手冊(Concrete Pressare Pipe AWWA M9)中規(guī)定當鋪設環(huán)境中發(fā)現(xiàn)有硫酸鹽侵蝕時, 需限定水泥中C3A的含量。具體說, 當硫酸濃度小于2g/L時,C3A小于8%；當硫酸濃度大于2g/L時, C3A應小于5%。美國的著名PCCP生產(chǎn)企業(yè)普萊斯兄弟公司的企業(yè)標準中規(guī)定, 只能使用Ⅱ型水泥生產(chǎn)PCCP。我國水泥標準中尚無C3A的限制, 如果工程有要求, 需專門與水泥廠商協(xié)商。山西萬家寨聯(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
從標準的角度分析, 美國標淮和我國現(xiàn)行標準沒有本質(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鋼筋最小間距的1/3, 以避免集料過大卡在鋼筋之間無法振搗密實。PCCP管芯中的鋼筋不多(有時會有加強鋼絲網(wǎng)片), 可根據(jù)具體的管子壁厚按上述要求確定最大粒徑。對于直徑4m的PCCP來說, 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3cm。
2.2 集料活性
PCCP的設計壽命為50年, 因此對骨料活性要求非常嚴格。由于我國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)中線工程標準《預防混凝土工程堿骨料反應技術條件》(討論稿)中規(guī)定,PCCP中不宜使用堿—硅酸鹽反應疑似活性骨料, 即對有潛在活性的骨料也不能使用。標準中還規(guī)定, PCCP屬Ⅲ類工程, 屬不允許發(fā)生開裂破壞的工程部位及重要的預制構件；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混凝土中很難達到。由于工作壓力及覆土深度的原因, PCCP混凝土的設計標號為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。
對于大水泥用量的混凝土控制堿—集料反應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、磨細礦渣或硅灰等)按實際配比配制, 采用國際上公認的檢測方法進行檢測, 確認合格時方能使用。必要時還可采取一些有效的抑制堿—集料反應的措施。
關于保護層用砂, 筆者認為宜采用中砂偏細或細砂。根據(jù)我國標準規(guī)定, 粒徑小于4.75mm的集料屬于砂的范鑄。保護層用砂應嚴格地將大于4.75mm粒徑的部分篩除,其主要目的在于① 防止回彈傷人；② 防止打斷預應力鋼絲或損壞鋼絲表面(國外有打斷鋼絲的例證)；③ 粒徑過大不利于控制保護層的密實性。
3 高強預應力鋼絲及鋼板
3.1 高強預應力鋼絲
高強預應力鋼絲是PCCP生產(chǎn)過程中最重要的原材料。根據(jù)美國混凝土壓力管協(xié)會(ACPPA)統(tǒng)計, 早在上世紀70年代中期, 美國生產(chǎn)的PCCP曾經(jīng)出現(xiàn)過一個事故高發(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個工程出現(xiàn)了不同程度的問題。
在調(diào)查事故原因時發(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)查報告中指出, 1975年20個工程問題中, Interpace生產(chǎn)的PCCP在18個工程中出現(xiàn)問題。這些出問題的PCCP都使用了一種被稱為Ⅳ級的高強預應力鋼絲。這種鋼絲的強度很高, 同時拉拔溫度也很高。后期的研究發(fā)現(xiàn), 過度的拉拔雖然使鋼絲的強度大幅度增加, 同時也使韌性下降。Ⅳ級鋼絲出現(xiàn)氫脆的可能性是Ⅲ級鋼絲的20-40倍。正是由于以上原因, 在1984年版AWWA C301和ASTM A648標堆中不允許再將Ⅳ級鋼絲用于PCCP管的生產(chǎn), 同時增加了相應的試驗程序, 如增加了鋼絲扭轉、徑縮等試驗內(nèi)容。還規(guī)定鋼絲的拉拔溫度不得超過180℃ 。新標準中還規(guī)定了最高抗拉強度指標, 即不允許鋼絲的抗拉強度超過規(guī)定值太多, 否則也被認定為不合格鋼絲(目前國內(nèi)一些企業(yè)仍認為鋼絲強度越高或富余系數(shù)越高越好, 這是一個誤區(qū))。
借鑒國外的教訓, 對比我國目前鋼絲生產(chǎn)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),鋼絲生產(chǎn)廠的拉拔溫度尚沒有標淮嚴格限制, 鋼絲強度雖能滿足下限要求, 但波動較大, 這些都將給整個管線的使用壽命帶來不利影響。
3.2 鋼板
在PCCP事故統(tǒng)計中, 由于鋼板質(zhì)量出問題的概率很低, 即使出問題也多出在管道鋪設環(huán)境有侵蝕性介質(zhì)時。但有一點需提請注意, PCCP用薄鋼板最好使用熱軋板, 因為熱軋板表面無油, 有利于與水泥砂漿或混凝土粘結。目前國內(nèi)有許多PCCP生產(chǎn)企業(yè)使用冷軋板制作鋼筒。從機械性能的角度, 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。認為鋼筒應保持光亮不能生銹是認識方面的一個誤區(qū), 因為已經(jīng)有大量試驗表明, 鋼材表面浮銹有利于與混凝土的粘結。
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, 能夠正常地長年供貨的企業(yè)只有一家。缺乏競爭機制是產(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)膠圈的填充量嚴格計算出來的, 是決定今后PCCP接頭是否漏水的關鍵尺寸。該尺寸正偏差過大, 膠圈不能充分填充, 接頭可能漏水；負偏差過大則將膠圈擠出凹槽, 造成安裝困難。國外插口的軋制公差約為±0.1mm。而目前國內(nèi)提供的承插口尺寸公差約為±0.5mm。非常值得慶幸的是,10年來采用國內(nèi)生產(chǎn)的承插口尚無出現(xiàn)重大事故, 但作為生產(chǎn)企業(yè)必須清楚地認識到這種差距。
1992年以前版本的AWWAC301標準中規(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。目前國外普遍采用的膠圈材料均由合成橡膠制成, 而我國則主要采用天然橡膠。從性能指標的檢測結果看, 目前我國生產(chǎn)的橡膠圈完全達到了有關標準的規(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)場拼接）, 粘接后接頭必須經(jīng)過硫化處理, 并經(jīng)拉伸試驗后方可使用。
安裝膠圈時需用到潤滑劑, 目前國內(nèi)尚無這方面的標準, 對潤滑劑的基本要求是① 不能對輸送介質(zhì)有污染；② 不能影響膠圈的老化性能。我國目前普遍采用的是食用色拉油。從性能上看, 食用色拉油稠度過稀, 不利于安裝；從對膠圈性能的影響角度看, 沒有長期的試驗數(shù)據(jù)支持。
總之, 對于PCCP原材料的質(zhì)量控制, 仍有許多要研究探討和解決的問題。
