水利工程論文-管道膨脹水泥接口的使用及應(yīng)注意的問(wèn)題摘要：對(duì)管道膨脹水泥接口的優(yōu)越性、作用機(jī)理以及在使用中應(yīng)注意的問(wèn)題作了深入分析，介紹了正確使用這種接口的施工要點(diǎn)，并提出了改進(jìn)設(shè)想。關(guān)鍵詞：管道接口膨脹水泥石膏剛性接口在管道剛性接口材料中，膨脹水泥是一種最常用的接口材料，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但在使用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，本文試圖從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)這種接口材料作一介紹和分析。1按一定比例混合加水后拌合配制而成的接口填料（本文所涉及的膨脹水泥接口均指這種接口）。和石棉水泥接口相比，膨脹水泥接口的施工大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，這種接口在操作中只需搗實(shí)、抹平，無(wú)需反復(fù)捻打。由于接口材料中添加了速凝劑氯化鈣，使接口強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，抹口后幾小時(shí)即可通水。在一定條件下可以在搶修斷管時(shí)采用，替代價(jià)格昂貴和對(duì)水質(zhì)有污染的鉛接口。20世紀(jì)70年代，中鐵一局集團(tuán)給排水工程總公司曾與蘭州鐵道學(xué)院協(xié)作對(duì)這種接口做了一系列試驗(yàn)，這里簡(jiǎn)述如下。1.1沖擊試驗(yàn)DN1505m6個(gè)）平行鐵路軌道置于正線與到發(fā)線中間，讓其承受火車行駛時(shí)的側(cè)壓及動(dòng)荷載。試件放置后，用手壓泵加壓至1MPa，檢查接口的嚴(yán)密性；而后覆土回填（覆土深度為管頂以上0.2m）。經(jīng)過(guò)16d，90次列車行駛的考驗(yàn)后，再次試壓1MPa，保持10min，壓力未見降低，接口無(wú)洇水及滲漏現(xiàn)象。DN150長(zhǎng)10m膨脹水泥接口的管道試件鋪設(shè)在溝槽中，試壓檢驗(yàn)接口泵壓1MPa，無(wú)滲漏現(xiàn)象后，管頂以上回填虛土0.5m厚，然后用H7-120型內(nèi)燃夯（夯重120kg，夯起高度3040cm，夯足直徑250mm），反復(fù)夯打6遍，虛土夯實(shí)后土層厚度減為0.34m。之后，管段再次加壓至1MPa，保持10min，壓力未見降低，接口無(wú)洇水及滲漏現(xiàn)象。1.2對(duì)比試驗(yàn)用鉛、石棉水泥及膨脹水泥3種接口材料作接口，分別制作3組試驗(yàn)管段，強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定值后，將三組試件放置在距地面0.5m高的磚支墩上，試壓檢查各接口完好后，同時(shí)抽去中間各支墩，利用管身自重（包括管內(nèi)水重）下沉，測(cè)其下沉量。下沉完畢后，繼續(xù)加壓，觀察各試驗(yàn)管道接口滲漏情況及減壓情況。此時(shí)，鉛接口已完全破壞，而石棉水泥接口及膨脹水泥接口均無(wú)明顯變形。緊接著，在石棉水泥接口試件中部加載385kg，在膨脹水泥接口試件中部加載372kg，繼續(xù)觀察下沉量，3min后卸載，再進(jìn)行觀察。做完以上試驗(yàn)后，將已破壞的鉛接口試件恢復(fù)，又分別將3組試件推落至地面（距地高度0.5m），并進(jìn)行試壓及接口檢查。此時(shí)鉛接口又一次破壞，其它兩組試件基本正常。緊接著又由10人以腳為動(dòng)力將石棉水泥接口和膨脹水泥接口以及鉛接口試件向前滾動(dòng)10m又折回5m后試壓，膨脹水泥接口和石棉水泥接口情況均良好，而鉛接口沒(méi)有經(jīng)得住考驗(yàn)，首先出現(xiàn)了裂縫。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說(shuō)明,膨脹水泥接口完全可以替代石棉水泥接口。膨脹水泥接口甚至可以替代價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有污染的鉛接口中鐵一局集團(tuán)給排水工程總公司從20世紀(jì)70年代以來(lái)，在鑄鐵管自應(yīng)力水泥管給水及排水管道剛性接頭中大量使用膨脹水泥接頭，其中青藏鐵路(克哈段)、梅七鐵路、西候鐵路、京秦鐵路及蘭新鐵路復(fù)線給排水工程的管道鋪設(shè)中采用膨脹水泥接口累計(jì)距離近百公里,安全使用至今。2問(wèn)題的提出一些施工單位反映，膨脹水泥接口相對(duì)于石棉水泥接口而言，的確減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是接口硬化以后，也有可能將管口脹裂。國(guó)內(nèi)一些施工單位的確也發(fā)生過(guò)這種事故。例如某鐵路車站鋪設(shè)10余kmDN600鑄鐵管道，采用膨脹水泥接口。施工后接口普遍脹裂漏水，由于修復(fù)比較難，建設(shè)單位采用其他接口，重新鋪設(shè)了一條管道。還有一些單位反映，膨脹水泥接口產(chǎn)生的膨脹破壞有時(shí)還可能在管道交付使用后12年產(chǎn)生。上述情況的發(fā)生，給推廣使用膨脹水泥接口的工作造成了一定的負(fù)面影響。一些施工單位甚至規(guī)定嚴(yán)禁使用膨脹水泥接口。發(fā)生上述問(wèn)題的原因是什么？是這種接口形式本身就存在問(wèn)題，還是施工操作中發(fā)生了問(wèn)題，導(dǎo)致管道事故的發(fā)生？以下作些簡(jiǎn)要的分析。3膨脹水泥接口的作用機(jī)理及膨脹破壞的原因3.1膨脹水泥接口的作用機(jī)理膨脹水泥接口配方中,氯化鈣(CaCl3)為早強(qiáng)劑,石膏(CaSO42H2O)為膨脹劑，水泥為固化劑；水泥、半水石膏拌合均勻并摻水?dāng)嚢韬螅優(yōu)槎啵–aSO42H2O）繼而與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸三鈣（3CaOAl3O36H2O）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硫鋁酸三鈣（3CaOAl3O33CaSO431H2O），體積比原有水化鋁酸三鈣增大1.53CaOAl3O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O3CaOAl3O33CaSO431H2O配方中氯化鈣(CaCl3)與水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣Ca(OH)3反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣、氧氯化鈣都是難溶于水的復(fù)鹽,是產(chǎn)生膨脹的成份。氯化鈣(CaCl3)摻入后能與水泥水化物作用，從而增加水泥礦物的溶解度，加速水泥礦物水化。氯化鈣還能與水泥中鋁酸三鈣(3CaOAl3O3)作用,生成水化氯鋁酸鈣(3CaOAl3O33CaCl332H2O，3CaAl3O3CaCl310H2O)這種復(fù)鹽均不溶于水溶液及CaCl3溶液，因而能從水泥?水系統(tǒng)中析出，提高了接口的早期強(qiáng)度。由于氯化鈣（CaCl3）與氫氧化鈣Ca(OH)3的反應(yīng)，降低了水泥-水系統(tǒng)的堿度，使水泥成份中的硅酸三鈣(3CaOSiO3)的水化反應(yīng)易于進(jìn)行,相應(yīng)地亦提高了接口的早期強(qiáng)度。配比中石膏用量對(duì)膨脹性能的影響十分敏感，膨脹隨石膏用量增加而增大；當(dāng)石膏用量超出一定范圍后，管道承口因不能承受接口由于體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力而破壞。同時(shí)，膨脹水泥配比中由于石膏摻量增大，其強(qiáng)度也隨之降低。3.2膨脹水泥接口產(chǎn)生膨脹破壞的原因分析(1)如前所述，配比中石膏的存在使接口填料產(chǎn)生一定的膨脹量，而使其接口密實(shí)，從而達(dá)到阻止?jié)B漏的目的。但是，由于石膏對(duì)膨脹性能的高度敏感性，摻量稍多即可能產(chǎn)生膨脹危害。由于這種材料固化作用明顯、迅速，實(shí)際施工中，為方便操作，一些操作者在現(xiàn)場(chǎng)配制，缺乏嚴(yán)格的計(jì)量，甚至不進(jìn)行計(jì)量，必然產(chǎn)生問(wèn)題。(2)水泥中鋁酸三鈣的含量各個(gè)水泥廠家相差比較大，從4%5%到10%左右不等，而正是鋁酸三鈣和配比中的石膏發(fā)生反應(yīng)才使膨脹水泥接口材料發(fā)生膨脹。這造成了問(wèn)題的復(fù)雜性。(3)配方中的石膏非國(guó)家嚴(yán)格控制的產(chǎn)品，細(xì)度成份也不標(biāo)準(zhǔn)，如果所選石膏顆粒偏粗，化學(xué)活性低，水化過(guò)程可能很慢，很可能造成接口填料后期過(guò)量膨脹。(4)一些地區(qū)地下水中常含有硫酸鹽如硫酸鈉、硫酸鈣、硫酸鎂等，硫酸鹽溶液和水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏、硫鋁酸鈣等物質(zhì)，產(chǎn)生體積膨脹，使接口破壞。水中硫酸鈉和水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng)式如下：Ca(OH)3+Na3SO410H2OCaSO42H3O+2NaOH+8H2O從Ca(OH)3轉(zhuǎn)變?yōu)镃aSO42H2O體積為原來(lái)的2倍,這些變化是個(gè)緩慢的過(guò)程,可能造成接口填料后期過(guò)量膨脹。3.3膨脹水泥接口施工要點(diǎn)許多管道接口膨脹破壞的事故說(shuō)明：施工中配比不準(zhǔn)和操作不當(dāng)是造成事故的主要原因，因此，嚴(yán)格操作程序是保證膨脹水泥接口施工質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。3.3.1配合比填料配比必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)或者長(zhǎng)期實(shí)踐后確定，配比中石膏粉含量：鑄鐵管接口宜控制在8%（重量比）以下；混凝土管接口宜控制在5%（重量比）以下；氯化鈣摻量宜控制在5%左右（溶化后使用）。3