管道膨脹水泥接口的使用及應注意的問題

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摘要：對管道膨脹水泥接口的優(yōu)越性、作用機理以及在使用中應注意的問題作了深入分析，介紹了正確使用這種接口的施工要點，并提出了改進設想。

　　關鍵詞：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，操作簡單，應用廣泛，但在使用過程中也存在一些問題，本文試圖從理論和實踐兩方面對這種接口材料作一介紹和分析。

　　1　膨脹水泥接口的優(yōu)越性

　　管道膨脹水泥接口主要是指水泥、石膏粉、氯化鈣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強度，這種接口在操作中只需搗實、抹平，無需反復捻打。由于接口材料中添加了速凝劑氯化鈣，使接口強度增長很快，抹口后幾小時即可通水。在一定條件下可以在搶修斷管時采用，替代價格昂貴和對水質有污染的鉛接口。

　　20世紀70年代，中鐵一局集團給排水工程總公司曾與蘭州鐵道學院協(xié)作對這種接口做了一系列試驗，這里簡述如下。

　　1.1　沖擊試驗

　　將一組?DN 150膨脹水泥接口的管道試件（長5 m?，膨脹水泥接口6個） 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的側壓及動荷載。試件放置后，用手壓泵加壓至1 MPa，檢查接口的嚴密性；而后覆土回填（覆土深度為管頂以上0.2 m）。經過16 d，90次列車行駛的考驗后，再次試壓1 MPa，保持10 min，壓力未見降低，接口無洇水及滲漏現象。

　　將另一組?DN?150長10 m膨脹水泥接口的管道試件鋪設在溝槽中，試壓檢驗接口泵壓1 MPa，無滲漏現象后，管頂以上回填虛土0.5 m厚，然后用H?7-120 型內燃夯（夯重120 kg，夯起高度30～40 cm，夯足直徑250 mm），反復夯打6 遍，虛土夯實后土層厚度減為0.34 m.之后，管段再次加壓至1 MPa，保持10 min，壓力未見降低，接口無洇水及滲漏現象。

　　1.2　對比試驗

　　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組試驗管段，強度達到規(guī)定值后，將三組試件放置在距地面0.5 m高的磚支墩上，試壓檢查各接口完好后，同時抽去中間各支墩，利用管身自重（包括管內水重）下沉，測其下沉量。下沉完畢后，繼續(xù)加壓，觀察各試驗管道接口滲漏情況及減壓情況。此時，鉛接口已完全破壞，而石棉水泥接口及膨脹水泥接口均無明顯變形。緊接著，在石棉水泥接口試件中部加載385 kg，在膨脹水泥接口試件中部加載 372 kg，繼續(xù)觀察下沉量，3 min后卸載，再進行觀察。做完以上試驗后，將已破壞的鉛接口試件恢復，又分別將3組試件推落至地面（距地高度0.5 m），并進行試壓及接口檢查。此時鉛接口又一次破壞，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 10 m又折回5 m后試壓，膨脹水泥接口和石棉水泥接口情況均良好，而鉛接口沒有經得住考驗，首先出現了裂縫。

　　以上試驗數據充分說明，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格昂貴且對環(huán)境有污染的鉛接口

　　中鐵一局集團給排水工程總公司從20世紀70年代以來，在鑄鐵管自應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線給排水工程的管道鋪設中采用膨脹水泥接口累計距離近百公里，安全使用至今。

　　2　問題的提出

　　一些施工單位反映，膨脹水泥接口相對于石棉水泥接口而言，的確減輕了操作者的勞動強度，但是接口硬化以后，也有可能將管口脹裂。

　　國內一些施工單位的確也發(fā)生過這種事故。例如某鐵路車站鋪設10余km，DN，600鑄鐵管道，采用膨脹水泥接口。施工后接口普遍脹裂漏水，由于修復比較難，建設單位采用其他接口，重新鋪設了一條管道。還有一些單位反映，膨脹水泥接口產生的膨脹破壞有時還可能在管道交付使用后1～2年產生。

　　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面影響。一些施工單位甚至規(guī)定嚴禁使用膨脹水泥接口。

　　發(fā)生上述問題的原因是什么？是這種接口形式本身就存在問題，還是施工操作中發(fā)生了問題，導致管道事故的發(fā)生？以下作些簡要的分析。

　　3　膨脹水泥接口的作用機理及膨脹破壞的原因

　　3.1　膨脹水泥接口的作用機理

　　膨脹水泥接口配方中，氯化鈣（CaCl₃）為早強劑，石膏（CaSO₄·2H₂O）為膨脹劑，水泥為固化劑；水泥、半水石膏拌合均勻并摻水攪拌后，變?yōu)槎啵–aSO₄·2H2O）繼而與硅酸鹽水泥水化產物中的水化鋁酸三鈣（3CaO·Al₃O₃·6H₂O）發(fā)生化學反應生成水化硫鋁酸三鈣（3CaO·Al₃O₃·3CaSO₄·31H₂O），體積比原有水化鋁酸三鈣增大1.5倍，其反應式如下：?3CaO·Al₃O₃·6H₂O+3（CaSO₄·2H₂O）+19H₂O→3CaO·Al₃O₃·3CaSO₄·31H₂O

　　配方中氯化鈣（CaCl₃）與水化產物中的氫氧化鈣[Ca（OH）₃]反應生成水化氯鋁酸鈣、氧氯化鈣都是難溶于水的復鹽，是產生膨脹的成份。

　　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（3CaO·Al₃O₃）作用，生成水化氯鋁酸鈣（3CaO·Al₃O₃·3CaCl₃·32H₂O，3Ca·Al₃O₃·CaCl₃·10H₂O）這種復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度。由于氯化鈣（CaCl₃）與氫氧化鈣[Ca（OH）₃]的反應，降低了水泥-水系統(tǒng)的堿度，使水泥成份中的硅酸三鈣（3CaO·SiO₃）的水化反應易于進行，相應地亦提高了接口的早期強度。

　　配比中石膏用量對膨脹性能的影響十分敏感，膨脹隨石膏用量增加而增大；當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生的應力而破壞。同時，膨脹水泥配比中由于石膏摻量增大，其強度也隨之降低。

　　3.2　膨脹水泥接口產生膨脹破壞的原因分析

　?。?）如前所述，配比中石膏的存在使接口填料產生一定的膨脹量，而使其接口密實，從而達到阻止?jié)B漏的目的。但是，由于石膏對膨脹性能的高度敏感性，摻量稍多即可能產生膨脹危害。由于這種材料固化作用明顯、迅速，實際施工中，為方便操作，一些操作者在現場配制，缺乏嚴格的計量，甚至不進行計量，必然產生問題。

　　（2）水泥中鋁酸三鈣的含量各個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)生反應才使膨脹水泥接口材料發(fā)生膨脹。這造成了問題的復雜性。

　?。?）配方中的石膏非國家嚴格控制的產品，細度成份也不標準，如果所選石膏顆粒偏粗，化學活性低，水化過程可能很慢，很可能造成接口填料后期過量膨脹。

　?。?）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)生化學反應，生成石膏、硫鋁酸鈣等物質，產生體積膨脹，使接口破壞。水中硫酸鈉和水泥石中的氫氧化鈣反應式如下：

　　Ca（OH）₃+Na₃SO₄·10H₂O→CaSO₄·2H₃O+2NaOH+8H₂O

　　從Ca（OH）₃轉變?yōu)镃aSO₄·2H₂O體積為原來的2倍，這些變化是個緩慢的過程，可能造成接口填料后期過量膨脹。

　　3.3　膨脹水泥接口施工要點

　　許多管道接口膨脹破壞的事故說明：施工中配比不準和操作不當是造成事故的主要原因，因此，嚴格操作程序是保證膨脹水泥接口施工質量的關鍵，應注意以下幾點。

　　3.3.1　配合比

　　填料配比必須經過試驗或者長期實踐后確定，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）。

　　3.3.2　材料

　　水泥宜選用強度等級42.5R的硅酸鹽水泥（不摻加混合材料的PI型水泥）；石膏宜選用粉狀半水石膏（顆粒越細越好）；氯化鈣為工業(yè)氯化鈣（溶化后使用）。

　　3.3.3　填料操作

　　（1）石膏水泥混合物和氯化鈣溶液必須由專人統(tǒng)一精確稱量拌制，集中保管，施工人員只要按用量領取混合干料及氯化鈣溶液，在現場隨抹口隨加水及氯化鈣溶液拌合即可。氯化鈣溶液的濃度根據現場溫度可適當調整，一般可掌握在溶液相對密度1.10左右。

　　（2）現場根據每次石膏水泥的拌合量計算出氯化鈣溶液的加入量，然后加水拌合成面團狀，可搓成條形填入管口。填料拌好后使用時間不得超過30 min.

　?。?）抹口前將管道承口（填料間隙）清理干凈。并在承口內填麻辮，其深度為承口深度的1/3左右。

　　（4）將填料搓成條狀，向承口分層用力填進，并用灰鑿分層填實，最后抹平壓光，表面應凹入承口邊緣2 mm.隨即潤濕養(yǎng)護?？捎媚嗪?，填土澆水養(yǎng)護。如冬季施工，抹口后用鹽水和泥糊口，覆干土蓄熱養(yǎng)護。管段亦覆干土保溫。

　?。?）在地下水有腐蝕性的地區(qū)，接口表面應涂隔離劑。

　　4　結論和改進設想

　　根據以上分析可以看出，在嚴格的配合比和操作規(guī)程規(guī)范下，膨脹水泥接口是可以安全使用的，這已為大量的施工實踐所證明。

　　這種接口使用已歷經30多年，它大大減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，節(jié)約了資金，功不可沒。從20世紀80代以來，隨著橡膠圈接口及管材的普及，膨脹水泥接口的使用逐漸減少，但在管道管件接頭處仍在使用。

　　膨脹水泥接口也存在一些問題，其一，膨脹水泥接口配比中石膏的摻量對膨脹作用過于敏感，施工中稍有不慎，就可能發(fā)生接口脹裂，而這種脹裂又是不可修復的；其二，配比中氯化鈣有可能浸蝕管口鋼筋，使其產生銹蝕，產生Fe₃O₃，也可能導致接口破壞；其三，由于采用水泥中的熟料成份有變化，也可能導致和石膏發(fā)生不良反應。

　　以上種種因素都造成了對這種接口材料難以預料的變數。為此，研究新的接頭材料成為必要。有以下兩種設想：

　　（1）采用微膨脹無收縮配方。

　?。?）選擇其他微膨脹劑（如UEA等）替代石膏，使接口產生膨脹，而不致膨脹力過大造成危害。