聚乙烯管材在混凝土后冷中的應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： 在我國(guó)，聚乙烯冷卻水管的應(yīng)用是從二灘工程開始的。聚乙烯冷卻管的應(yīng)用不僅能節(jié)省鋼材、降低材料成本，更重要的是施工工序簡(jiǎn)單、且能與大壩混凝土澆筑平行作業(yè)，二灘拱壩混凝土施工中由于采用聚乙烯冷卻水管，挽回了已損失的工期，從而在確保工程按期發(fā)電方面起到了十分重要的作用。
關(guān)鍵字：混凝土冷卻 聚乙烯管材 導(dǎo)熱性能 尼龍內(nèi)接頭 管道鋪設(shè) 二灘水電站

　　聚乙烯管材是一種由聚乙烯樹脂摻入(或不摻入)添加劑經(jīng)擠壓成型的管形產(chǎn)品。目前常用品種有：高密度聚乙烯(HDPE)管材；低密度聚乙烯(LDPE)管材；以及混凝土冷卻用聚乙烯管材(簡(jiǎn)稱“PE冷卻管”)。PE冷卻管是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外為適應(yīng)大體積混凝土預(yù)埋水管冷卻而選中的替代產(chǎn)品，下面作專門介紹。

　　1PE冷卻管的主要性能

　　1.1　物理機(jī)械性能

　　PE冷卻管是用高密度聚乙烯樹脂和低密度聚乙烯樹脂(HDPE、LDPE、LLDPE)及一些改性材料按一定比例混合后經(jīng)擠壓成型的塑料管材。它不僅有較高的抵抗內(nèi)外荷載的能力，而且柔性很好。標(biāo)準(zhǔn)的PE冷卻管為潔白半透明，能看見管內(nèi)水流中的汽泡。

　　目前，國(guó)內(nèi)PE冷卻管的規(guī)格主要有φ32(外徑×壁厚=32 mm×2.3 mm)和φ40(外徑×壁厚=40 mm×4 mm) 兩種。其中? 40的管子主要用作冷卻回路中的主管和混凝土外部進(jìn)出水管。因此，我們通常所說(shuō)的PE冷卻管，主要是指φ 32的管子，其主要物理機(jī)械性能列于表1。

　　表1 32 PE冷卻管的主要物理機(jī)械性能

項(xiàng)　　目試驗(yàn)實(shí)測(cè)備　　注密度／(kg／m3)868 邵氏硬度95 A 拉伸屈服應(yīng)力／MPa25.48 斷裂伸長(zhǎng)率／%205 內(nèi)壓試驗(yàn)不破測(cè)試水溫20℃，壓力1.47 MPa外力沖擊試驗(yàn)不破管溫10℃，錘重2 kg,落高2.0 m，降落10次碾壓試驗(yàn)不破管溫10℃，壓扁至50%彎曲半徑／cm25管溫10℃

　　注：由于PE冷卻管在國(guó)內(nèi)屬新產(chǎn)品，因此國(guó)家尚無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)指標(biāo)，表中試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均為二灘工程中PE管質(zhì)量較穩(wěn)定時(shí)的試驗(yàn)成果

　　1.2　熱傳導(dǎo)性能及其對(duì)混凝土通水冷卻的影響

　　作為混凝土通水冷卻用的PE管材，僅具有良好的物理機(jī)械性能是不夠的，人們更關(guān)注它的熱傳導(dǎo)性能及其對(duì)混凝土通水冷卻的影響。

　　單純地從PE材料本身來(lái)說(shuō)，其熱傳導(dǎo)性能很差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.26～0.79 W/(m.K)，但由于PE冷卻管管壁薄，僅為2.0～2.3 mm，因此其冷卻效果并不比金屬管差很多。筆者曾就幾種不同的混凝土配合比及冷卻水管布置間距做了一些理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，混凝土冷卻時(shí)間，用PE管僅比用鋼管長(zhǎng)9%～17%左右。

　　2　二灘拱壩采用PE冷卻管的條件和意義

　　按原設(shè)計(jì)，二灘拱壩將采用傳統(tǒng)的鋼冷卻管。實(shí)際工程中，由于壩基開挖拖延工期達(dá)半年之久，若不采取有效措施加快大壩混凝土的施工進(jìn)度以挽回?fù)p失的工期，則二灘水電站的合同發(fā)電時(shí)間將推遲1 a，經(jīng)濟(jì)損失巨大。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，1994年下半年，業(yè)主、監(jiān)理工程師、設(shè)計(jì)院和承包商進(jìn)行了大量的方案比較和論證，最后一致認(rèn)為，用PE冷卻管解決溫控問(wèn)題，將基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑層厚從1.5 m改為3.0 m這一方案效益最好。但需進(jìn)一步論證PE管的可用性，因?yàn)閲?guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)還沒有采用PE冷卻管的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PE管的強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)性能沒有足夠的信心。因此，承包商、監(jiān)理工程師和PE管制造商曾做過(guò)大量關(guān)于PE管抵抗外力沖擊、摩擦、擠壓以及內(nèi)水壓力和導(dǎo)熱性能方面的試驗(yàn)，為PE冷卻管在工程中的應(yīng)用提供了充分的依據(jù)和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

　　實(shí)踐證明，二灘拱壩采用PE冷卻管不僅縮短了大壩混凝土澆筑工期近5個(gè)月，保證了電站1998年7月1日投產(chǎn)發(fā)電，而且節(jié)省了大量資金。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二灘拱壩僅冷卻管材一項(xiàng)，即節(jié)省成本1 000多萬(wàn)元，加上施工縫處理、混凝土養(yǎng)護(hù)、施工人員與設(shè)備以及輔助材料等方面的節(jié)省，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。經(jīng)壩體抽樣檢查，合格率達(dá)100%，優(yōu)良率達(dá)90%以上。基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑層厚從1.5 m改為3.0 m后，混凝土最高溫度均在28℃以下(平均27.2℃)，完全能滿足施工期對(duì)混凝土的溫控防裂要求。

　　3PE冷卻管的現(xiàn)場(chǎng)施工

　　3.1　準(zhǔn)備工作

　　(1) 施工人員配備?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員的配備需根據(jù)混凝土的澆筑強(qiáng)度來(lái)決定。一般而言，若只有1套混凝土澆筑設(shè)備，混凝土從單一方向鋪筑，則配備由4個(gè)工人和1個(gè)施工員組成的1個(gè)施工小組就夠了；若倉(cāng)面較大，混凝土用2套設(shè)備從兩個(gè)方向同時(shí)鋪筑，則相應(yīng)地需配備2個(gè)組。另外還需安排1個(gè)具有技術(shù)及組織管理能力的人做各工種和小組間的協(xié)調(diào)工作。

　　(2) 施工工具。鋪埋PE冷卻管需要重約1.5 kg的鐵錘2個(gè)，長(zhǎng)300 mm或350 mm的鋸子1把，250 mm的胡桃鉗1把，圓頭鐵鍬1把和幾個(gè)火把等簡(jiǎn)單工具。

　　(3) 輔助材料。輔助材料主要有φ 2.8 mm的鐵絲、生料帶(即聚四氟乙烯止水帶)、各種管接頭和“U”形鋼筋卡。這些材料中除“U”形卡用量較大、需要吊運(yùn)入倉(cāng)外，其他材料均可由施工人員隨身攜帶到位。

　　(4) 冷卻水管入倉(cāng)。由于PE冷卻管是成卷包裝的，1卷長(zhǎng)達(dá)200 m的φ 32管子重不到35 kg，因此可采用人工搬運(yùn)入倉(cāng)，也可用起吊設(shè)備吊運(yùn)，一次可吊10卷。

　　3.2　管路布置與定位

　　根據(jù)冷卻管鋪埋位置的不同，管路鋪設(shè)與定位方法也有區(qū)別，主要有三種情況。

　　(1) 冷卻水管布置在巖基面上。在巖基面上鋪埋PE冷卻管時(shí)，必須做好加固工作。在二灘大壩的巖基面上鋪埋PE冷卻管時(shí)，把PE管捆綁在φ 25 mm的螺紋鋼筋上跨越低凹處，用φ 8 mm的圓鋼筋橫向編織并布置部分插筋等措施來(lái)定位和加固，這種做法效果不錯(cuò)。

　　(2) 冷卻水管布置在老混凝土面上。管子定位和加固由在老混凝土收倉(cāng)時(shí)就按設(shè)計(jì)位置預(yù)插好的細(xì)鐵絲捆綁。這種布置有兩大缺點(diǎn)，一個(gè)是在老混凝面上鋪砂漿墊層時(shí)，砂漿卸料很容易沖壞冷卻管，且砂漿入倉(cāng)后，不能用機(jī)械趕料；另一個(gè)是振搗器不敢直插老混凝土頂面振搗混凝土，因而會(huì)影響混凝土的振搗質(zhì)量和上、下層混凝土的結(jié)合強(qiáng)度。二灘工程后期，除特殊情況外，已不再采用這種布置方法了。

　　(3) 冷卻水管布置在各澆筑層最后一個(gè)鋪層底部。這種布置方法是從二灘工程實(shí)踐中摸索出來(lái)的一種較好的PE冷卻管鋪埋方法，它的鋪設(shè)過(guò)程是：當(dāng)混凝土平倉(cāng)振搗密實(shí)后，將冷卻管按設(shè)計(jì)位置拉直擺放在混凝土上，然后用榔頭將“U”形卡打入混凝土固定管子?！癠”形卡的間距約1.5～2.0 m。只要有5 m寬的位置混凝土振實(shí)了，即可開始鋪管。這種鋪管方式的優(yōu)點(diǎn)有：①冷卻水管施工與混凝土澆筑平行作業(yè)，冷卻管鋪埋不占用大壩的施工時(shí)間；②上、下鋪層混凝土在振搗器工作時(shí)有一定的流動(dòng)性，冷卻水管能在混凝土中輕微移動(dòng)，因而能從振搗器的尖端滑脫而免遭破壞；③萬(wàn)一冷卻管被尖石擠壓或因其他原因破壞了，可由人工挖除混凝土，修復(fù)破管，這既不影響混凝土澆筑，而且勞動(dòng)強(qiáng)度也不大。

　　3.3　管路連接

　　大體積混凝土結(jié)構(gòu)倉(cāng)面都較大，如二灘拱壩有近100個(gè)倉(cāng)面(指3 m高的混凝土澆筑倉(cāng))面積在1 000 m2以上；單層冷卻水管長(zhǎng)度在1 000 m以上者有200層(指冷卻水管埋設(shè)層)。如此長(zhǎng)的管路，若采用單根冷卻水管，勢(shì)必影響混凝土的冷卻速度和冷卻效果。因此，我們把一層冷卻水管分了3、4甚至5條子回路用三通并聯(lián)于同一對(duì)進(jìn)回水主管上(見圖1)，主管流量為各子回路流量之和(子回路最小流量為20 L/min)。

　　除大倉(cāng)面中子回路并聯(lián)于主管時(shí)需要用三通連接外，所有層次的冷卻水管都需用彎管接頭(彎頭)與裝在供水盒子里的進(jìn)出水管連接；φ 40 mm主管末端與φ 32 mm冷卻管相接時(shí)，需用變徑接頭(變接)連接；另外，雖然PE冷卻管1卷長(zhǎng)200 m，但有時(shí)1條子回路會(huì)長(zhǎng)達(dá)300 m，這樣就需用直管接頭(直通)加長(zhǎng)。一般情況下，一層含4條子回路的冷卻管，共需三通6個(gè)、彎頭2個(gè)、變接2個(gè)和直通約4個(gè)。由于這些接頭大多位于倉(cāng)面的邊緣，因此，所有接頭都可在管路鋪設(shè)完畢后再連接，有些接頭(如彎頭)可以在混凝土澆筑之前或之后連接。

　　二灘工程中，用的PE冷卻管接頭主要是尼龍內(nèi)接頭。在用內(nèi)接頭連接PE管時(shí)，需先把冷卻管用火把或其他熱源烘烤至柔軟，再將接頭插入，待管子恢復(fù)一定硬度后，用兩股φ2.8 mm的鐵絲捆緊，為保險(xiǎn)起見，在接頭外周纏有3～4層生料帶。在二灘工程中，凡纏了生料帶的內(nèi)接頭，至今沒有發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

圖1　冷卻水管子回路用三通并聯(lián)于主管上示意

　　3.4　冷卻水管破壞與修復(fù)

　　PE冷卻管發(fā)生破壞的原因主要有以下幾種。

　　(1) 混凝土下料不當(dāng)。若混凝土料較稀而下料高度及速度又控制不當(dāng)?shù)脑挘瑒t冷卻水管在混凝土急速?zèng)_泄而移位的過(guò)程中，很容易被鋼筋或其他硬物阻攔而彎折甚至割斷。當(dāng)混凝土中大而尖利的石頭較多時(shí)，下料過(guò)高，冷卻水管還會(huì)被大石沖扁或沖爛。

　　(2) 混凝土施工設(shè)備擠壓或振破。大型的混凝土平倉(cāng)振搗設(shè)備都很重，如二灘大壩上采用的平倉(cāng)機(jī)和振搗車分別為11 t和21 t，如此重的施工設(shè)備在上面行走，若冷卻管上部混凝土墊層過(guò)薄的話，則冷卻水管很容易被大而尖的石頭或設(shè)備履帶板擠壓破壞。當(dāng)混凝土骨料離散嚴(yán)重，大石集中時(shí)，由于混凝土在振搗作用下無(wú)流動(dòng)性，冷卻管無(wú)法從振搗棒尖端滑離而易為振搗棒振破。

　　(3) 管路鋪設(shè)不當(dāng)或接頭連接不好。當(dāng)PE管鋪在尖石上時(shí)，第二種破壞情形極易發(fā)生；而當(dāng)接頭沒接好時(shí)，不僅接頭漏水難以避免，而且接頭很容易被扯脫。

　　(4) 管材質(zhì)量不好。管材方面的問(wèn)題主要表現(xiàn)在管子質(zhì)量不好，如管子硬而脆、柔而不韌、管壁厚薄不勻、管子在包裝運(yùn)輸過(guò)程中受過(guò)損傷等，這時(shí)各種破壞情況都有可能發(fā)生。

　　管子一旦破了，需立即挖除混凝土進(jìn)行修復(fù)。

　　3.5　冷卻水管通水

　　冷卻水管鋪好后應(yīng)立即通入0.34 MPa以上的壓力水，以便監(jiān)測(cè)冷卻水管在混凝土澆筑過(guò)程中是否因意外而破壞。在施工過(guò)程中，冷卻水管的通水方式有兩種：一種是直接用彎頭把冷卻主管與裝在供水盒子中的豎向管連接，從供水盒子供水；另外一種供水方式，是在冷卻水管鋪好后，用在澆筑倉(cāng)附近的清基或養(yǎng)護(hù)水臨時(shí)通水，混凝土澆完后再?gòu)膫}(cāng)外用彎頭與豎向管連接從供水盒子通冷卻水，在施工過(guò)程中這種供水方式很方便，不僅彎頭可留在混凝土澆完后再連接，還能觀察水流的變化(回水自由排放不回收)，一旦管子破了，能立急停水，修復(fù)破管，但這種供水方式需要在澆筑倉(cāng)附近有足夠壓力的水源，且水溫不宜太高(因混凝土澆筑溫度為10℃或13℃)。因此在二灘工程中，高溫季節(jié)我們采用前一種通水方式。

　　4　存在的問(wèn)題與改進(jìn)措施

　　二灘水電站在國(guó)內(nèi)首次把PE塑料管用作大壩混凝土冷卻水管。在長(zhǎng)達(dá)3年多的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)過(guò)一些缺陷，相應(yīng)作了一些改進(jìn)。

　　4.1　管材的質(zhì)量問(wèn)題

　　管材質(zhì)量是決定PE冷卻管在工程實(shí)踐中能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。二灘工程早期，采用的PE冷卻管都是從貴陽(yáng)市塑料廠購(gòu)買的，拋開價(jià)格不議，僅是運(yùn)輸、貯存就有很多不便。攀枝花市塑料一廠也生產(chǎn)有PE管，但初期質(zhì)量不佳，內(nèi)水壓力和外圍沖擊強(qiáng)度都達(dá)不到使用要求，后來(lái)我們與二灘工程公司的有關(guān)人員及攀枝花市塑料一廠共同努力，從原材料的選取、配方，到生產(chǎn)工藝等都進(jìn)行了了改良，生產(chǎn)出工程后期質(zhì)量較好的PE冷卻管。另外，在管壁厚度方面也作了一些調(diào)整，即由原來(lái)的2 mm加厚到2.3 mm(指規(guī)格為φ 32的管子)，使之能承受更大的內(nèi)外荷載。

　　4.2　管接頭的改進(jìn)

　　在二灘工程初期，連接PE冷卻管用的管接頭全是從意大利進(jìn)口的塑料快速接頭，我們稱之為外接頭。這種接頭不僅造價(jià)昂貴(約為同類尼龍內(nèi)接頭的10倍)，而且使用起來(lái)有諸多缺陷。外接頭是套在冷卻管外周使用的，它靠帶齒的卡環(huán)和絲冒蓋箍在管子周圍固定和鎖緊冷卻管，而起止水作用的是一個(gè)夾在冷卻管與卡環(huán)之間的橡皮環(huán)。這種接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，在穿套管子的時(shí)候也費(fèi)力，絲蓋須借助管鉗才能擰緊。更嚴(yán)重的是，當(dāng)冷卻管的外徑因各種原因而偏小時(shí)，則不僅止水環(huán)止不了水，而且管子也會(huì)因鎖不緊而被拉出。在二灘拱壩施工中，冷卻管從外接頭脫出的現(xiàn)象曾發(fā)生過(guò)好幾次。

　　為了解決這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了尼龍內(nèi)接頭(簡(jiǎn)稱“內(nèi)接頭”)，它是一種以尼龍為主要原料生產(chǎn)的通過(guò)插入管子內(nèi)部連接管子的管接頭。以φ 40、φ 32、φ 40 mm的三通為例，內(nèi)接頭的基本構(gòu)造和尺寸如圖2所示。從圖中我們可以看出，內(nèi)接頭的結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的，使用也很方便。內(nèi)接頭靠接頭前端的倒臺(tái)階和管子外的鐵絲捆綁固定，在倒臺(tái)階和捆綁鐵絲的共同作用下其牢固性相當(dāng)好。由于內(nèi)接頭的外徑一般都做得比管子內(nèi)徑稍大，接頭是在管子被烤熱變?nèi)彳洉r(shí)強(qiáng)行插入的，加上管外有柔性較好的鐵絲箍緊，因此，其自身的止水效果已很不錯(cuò)，可以不需輔助以其他止水材料，為保險(xiǎn)起見，在二灘工程中，我們?cè)诮宇^外周纏了4～5層生料帶。

　　圖2　冷卻水管內(nèi)接頭結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

　　4.3　管道鋪設(shè)方法

　　影響PE冷卻管鋪設(shè)速度和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是“放管”。在二灘工程初期大家都沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)，管道鋪設(shè)既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，后經(jīng)廣大施工與技術(shù)管理人員的努力，摸索出了一種新的PE冷卻管放管方法，這種新的放管方法只需2個(gè)人，1人牽拉已放出的管子鋪設(shè)定位，另1人抱著尚未釋放的部分，根據(jù)管子的盤卷方向左右翻轉(zhuǎn)。這樣釋放出來(lái)的管子，能消除盤卷時(shí)形成的如簧似的圓圈，鋪在倉(cāng)面上很順直，而且釋放速度極快。

　　4.4PE冷卻管在應(yīng)用中的局限性

　　PE冷卻管畢竟是一種塑料制品，其強(qiáng)度、尤其是在抵抗外力沖擊和利器割劃方面遠(yuǎn)不如金屬管。因此，PE冷卻管的應(yīng)用有一定的局限性。這主要表現(xiàn)在不宜用于低級(jí)配高流態(tài)的混凝土倉(cāng)面和鋼筋過(guò)于密集的地方。當(dāng)混凝土料很稀時(shí)，一方面是管子容易被沖亂、破壞；另一方面是管子破了，很難排除混凝土予以修復(fù)。當(dāng)然，若萬(wàn)一遇到這種情況可以焊鋼筋架子，把管子捆在鋼筋架子上或用其他辦法來(lái)解決。但這樣就體現(xiàn)不出PE冷卻管的優(yōu)點(diǎn)了。最困難的是，在密集的鋼筋網(wǎng)格中鋪設(shè)和修補(bǔ)PE冷卻管，在二灘拱壩的鋼筋密集區(qū)，是采用鋼塑結(jié)合的方法來(lái)解決的。即在鋼筋密集區(qū)用? 25(1英寸)的鋼冷卻管，在鋼筋區(qū)以外的部位仍使用PE冷卻管。鋼管和PE管用一頭對(duì)焊另一頭為竹節(jié)的鐵制內(nèi)接頭連接。

　　4.5　對(duì)混凝土質(zhì)量的影響

　　PE冷卻管是一種塑料制品，盡管冷卻結(jié)束后都要用水泥灌漿回填，但對(duì)壩體強(qiáng)度多少有一點(diǎn)影響，這在壩體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。另外，在施工過(guò)程中，若冷卻水管破了而沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)好，則冷卻水會(huì)帶走破管附近的部分水泥漿，從而影響混凝土質(zhì)量。

　　5　結(jié)　語(yǔ)

　　PE冷卻管在二灘拱壩工程中的成功應(yīng)用，為我國(guó)的大體積混凝土后期水管冷卻技術(shù)開辟了新的途徑，并積累了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。由于PE冷卻管具有材料成本低、施工工序簡(jiǎn)單、鋪管靈活快速、能與混凝土澆筑平行作業(yè)等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此今后必能得到廣泛的應(yīng)用。