摘要：PCCP即预应力钢筒混凝土管，作为一种新型的钢性管材，由于密封性好、抗震能力强、防腐性能优良、维护方便，被广泛适用于城市供水工程、压力倒虹吸、远距离输水干线等水利工程当中。但是，受到管材所处环境、混凝土强度、焊接质量等因素的影响，PCCP内壁极易产生裂缝等质量缺陷，导致管材的安全稳定性能严重下降。因此，本文将围绕PCCP内壁裂缝的产生原因以及有效控制方法展开论述。
关键词：PCCP；裂缝；质量缺陷；控制方法
PCCP是由钢板、混凝土、高强度钢丝以及水泥砂浆等材料构成的复合管材结构，其中，钢筒被高强度混凝土包裹，管芯外侧缠绕预应力钢丝，并以水泥砂浆作为保护层。在南水北调工程中，PCCP被广泛使用，其使用寿命长、防腐性能好的特性也得以印证。但是，近年来，PCCP内壁裂缝的质量缺陷已成为业内普遍关注的焦点问题，所以说，有效预防和控制这一缺陷的产生是确保水利管线安全运营的先决条件。
1 PCCP内壁裂缝产生的原因分析
1.1 混凝土干缩变形的影响
由于PCCP管材在经过管芯脱模工序后，将直接暴露在露天环境下，在长时间空气氧化作用的影响下，包裹钢筒的混凝土开始出现干缩变形现象。尤其在管材倒卧于地面上时，内壁与空气的接触面积增大，这就加快了混凝土干缩变形的速度，放置时间越长，这种现象就越加明显。以螺旋焊接钢筒管道为例，由于管芯本身存在环向预压应力，在混凝土干缩变形的作用下，使混凝土的预压应力大辐缩减。
虽然这种纵向的干缩效应并不是造成裂缝缺陷的直接原因，但是，将直接导致钢板搭接焊缝位置混凝土断面厚度的减小，据现场试验数据表明，在这种情况下，钢板厚度至少减少1.5mm，相比于其它位置，该部位的断面强度值将急剧下降，发生裂缝的几率也将明显增大。而PCCP内壁裂缝的宽度则取决于混凝土干缩变形与钢板的宽度。当干缩变形远远超出极限拉伸值时，钢板接缝处的混凝土就会出现严重的拉裂现象，干缩变形越大，裂缝的宽度也就越大[1]。另外，PCCP内壁的干缩裂缝与后续的养护作业也有着直接关联，如果养护温度低，养护措施不得当，混凝土的干缩变形速度就会加快，导致内管壁裂缝宽度增大。
1.2 预应力钢丝应力集中
由于预应力钢丝与钢筒组成整体结构后，钢筒焊缝位置极易出现应力集中的情况，而在钢丝应力的作用下，该位置产生裂缝的可能性将明显增大。产生的这种现象的主要原因是焊缝走向与钢丝预应力走向出现20o左右的夹角，此时，PCCP内壁混凝土受到焊缝走向的控制，无法自由延展，当拉应力数值大于混凝土的抗拉强度，混凝土本身难以承重，而薄弱的内壁就会出现宽度与长度不一的裂缝。此外，PCCP内壁裂缝的产生与预应力钢丝的直径也有着密切关联，如果钢丝直径过大，钢丝局部位置就会出现应力集中现象，使该位置产生裂缝。通常情况下，根据规范标准要求，直径为5mm的钢丝缠丝拉力值约为21.6KN，直径为7mm的钢丝缠丝拉力值约为42.3KN。钢丝直径不同，应力变化范围也有较大差异，而经过现场验证得出结论，钢丝直径越小，应力集中现象产生的概率就越小，发生裂缝的可能性就越低。
1.3 后期养护工序的影响
混凝土养护通常采用洒水养护的方法，混凝土表面湿度越大，产生干缩变形的几率也就越小。为了验证后期养护工序对PCCP内壁产生裂缝的不利影响，技术人员分别选取两组同一工况条件下的PCCP管材，一组管材只对外保护层进行洒水养护，而另一组管材，在喷浆工序结束后，对外保护层与内壁同时进行养护，使内壁始终处于湿润状态。当混凝土养护时间达到7天以后，通过观察两组管材内壁发现，内壁未进行洒水养护的管材约有20%的部位出现环形裂缝，而内壁与保护层同时进行洒水养护的管材，只有一节管道出现裂缝，当养护时间达到14天时，内壁未养护的管材，裂缝数量已经超过30%，而另一组管材先前出现的裂缝并无扩散迹象。由此可以看出，后期养护工序是PCCP内壁产生裂缝的关键要素之一。
2 PCCP内壁裂缝的有效控制方法
2.1 减小焊缝高度，确保焊接质量
对PCCP内壁产生裂缝质量缺陷的原因进行分析，可以确定裂缝的产生都与焊缝质量息息相关，因此，在焊接作业中，现场操作人员应当进一步提升焊接技术水平，在遵循焊接操作规程的同时，确保焊接质量。由于内壁裂缝的位置绝大多数位于钢筒的焊缝处，如果焊缝的抗压及抗拉强度值下降，就会出现应力不均的情况，在长时间高应力的作用下，外层包裹的混凝土就会产生不均匀裂缝。为了避免这种情况的发生，钢板焊接作业需要严格控制钢板的搭接宽度，在不影响整体焊接效果的前提下，应当减小搭接宽度与焊缝高度，这样，能够有效防止内壁裂缝的产生。
2.2 选用小直径缠绕钢丝
在选取PCCP的钢丝时，如果单根钢丝直径过大，就会影响钢筒表面预应力的均匀性，在预应力分散不均的情况下，PCCP内壁就极易产生不均匀裂缝。因此，在保证PCCP整体强度的情况下，尽量选择小直径钢丝。比如分别选取直径为5mm、6mm、7mm的三种类型的钢丝，做缠绕实验，其中PCCP管道有10节，管道内部压力值为0.6MPa，钢丝缠绕实验的观察周期为7天，当实验时间达到7天时发现：缠绕直径为5mm钢丝的管道有一节出现裂缝，缠绕直径为6mm和7mm钢丝的管道均有两节出现裂缝，通过测量裂缝宽度，直径为5mm的钢丝，裂缝宽度要小于其它两种钢丝，由此可以看出，在相同工况条件下，应当优先选择小直径钢丝[2]。
2.3 提高混凝土缠丝强度
在常温养护条件下，PCCP管芯的养护时间应当保证在2—3左右，方可进行缠丝作业，这样，能够保证管道混凝土强度值满足设计标准要求。通常情况下，混凝土缠丝强度应当大于设计强度的70%以上，这样，抗拉强度值才能大幅提升，PCCP内壁产生裂缝的几率也将大幅降低。为了验证混凝土缠丝强度与内壁裂缝的产生有着直接关联，下面选择常温养护时间分别1天、2天、4天的管芯各30节做混凝土缠丝强度试验，外界工况条件为内压0.6MPa，覆土3m管道。通过持续跟踪验证发现，当混凝土缠丝强度从37.8MPa提高至46.5MPa时，裂缝宽度的最大值减小了27.8%，裂缝长度最大值减小了37.5%。因此，为了避免PCCP内壁出现裂缝缺陷，可以通过提高混凝土缠丝强度的方法实现，并具有较好的控制效果。不同混凝土缠丝强度对PCCP内壁裂缝的影响数据分析如表1所示。
表1：不同混凝土缠丝强度对PCCP内壁裂缝的影响数据分析
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2.4 提升后期养护质量
后期养护质量与混凝土干缩裂缝存在必然联系，如果PCCP管道混凝土得到充足水分，混凝土砂浆的湿胀系数就会增加，而极易引起湿胀变形，这主要是由于水泥内部含有凝胶体，在水分侵蚀作用下，胶体粒子分散，膨胀压力增加，发生湿胀变形的几率也会大幅提升，在这种情况下，能够减缓混凝土干缩变形的速度，PCCP内壁产生的裂缝的可能性也将减小。因此，对于成品PCCP管材，施工人员应当对内壁以及外壁保护层同时进行洒水养护，使管道内壁与外壁砂浆能够充分吸收水分，始终保持湿润状态。为了防止穿堂风带走过多的水分，需要及时对成品PCCP管道的两端进行封堵作业，这样，能够达到理想的保湿效果，进而有效防止混凝土干缩裂缝的产生。
结束语：
在PCCP管道生产与使用过程中，管道内壁裂缝的质量缺陷无法完全避免，但是，可以采取早期预防的方法，降低裂缝的产生几率。基于此，技术人员可以从焊接质量、钢丝直径的选取以及后期养护等方面为着眼点，将裂缝宽度与长度控制在合理区间，延长PCCP管材的使用寿命，为水利工程项目的安全高效运营保驾护航。
参考文献：
[1]王凤娇,杨阿利,冯怡璠, 等.预应力钢筒混凝土管内壁裂缝原因调查及处理措施研究[J].中国高新区,2018(5):195.
[2]奚军.预应力钢筒混凝土管内壁环形裂缝的控制[J].中北大学学报（自然科学版）,2016,37(5):482-486.