南水北调中线工程北京段决定采用直径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ASTM C150《Standard Speoification For Portland Cement》, 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AWWA C301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(Concrete Pressare Pipe AWWA M9)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3cm。
2.2 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AWWA C301和ASTM A648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（如现场拼接）, 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。
