管道膨胀水泥接口的使用及应注意的问题

　　摘要：对管道膨胀水泥接口的优越性、作用机理以及在使用中应注意的问题作了深入分析，介绍了正确使用这种接口的施工要点，并提出了改进设想。
　　关键词：管道接口 膨胀水泥 石膏 刚性接口
　　在管道刚性接口材料中，膨胀水泥是一种最常用的接口材料，操作简单，应用广泛，但在使用过程中也存在一些问题，本文试图从理论和实践两方面对这种接口材料作一介绍和分析。
　　1　膨胀水泥接口的优越性
　　管道膨胀水泥接口主要是指水泥、石膏粉、氯化钙按一定比例混合加水后拌合配制而成的接口填料（本文所涉及的膨胀水泥接口均指这种接口）。和石棉水泥接口相比，膨胀水泥接口的施工大大减轻了操作人员的劳动强度，这种接口在操作中只需捣实、抹平，无需反复捻打。由于接口材料中添加了速凝剂氯化钙，使接口强度增长很快，抹口后几小时即可通水。在一定条件下可以在抢修断管时采用，替代价格昂贵和对水质有污染的铅接口。
　　20世纪70年代，中铁一局集团给排水工程总公司曾与兰州铁道学院协作对这种接口做了一系列试验，这里简述如下。
　　1.1　冲击试验
　　将一组?DN 150膨胀水泥接口的管道试件（长5 m?，膨胀水泥接口6个） 平行铁路轨道置于正线与到发线中间，让其承受火车行驶时的侧压及动荷载。试件放置后，用手压泵加压至1 MPa，检查接口的严密性；而后覆土回填（覆土深度为管顶以上0.2 m）。经过16 d，90次列车行驶的考验后，再次试压1 MPa，保持10 min，压力未见降低，接口无洇水及渗漏现象。
　　将另一组?DN?150长10 m膨胀水泥接口的管道试件铺设在沟槽中，试压检验接口泵压1 MPa，无渗漏现象后，管顶以上回填虚土0.5 m厚，然后用H?7-120 型内燃夯（夯重120 kg，夯起高度30～40 cm，夯足直径250 mm），反复夯打6 遍，虚土夯实后土层厚度减为0.34 m.之后，管段再次加压至1 MPa，保持10 min，压力未见降低，接口无洇水及渗漏现象。
　　1.2　对比试验
　　用铅、石棉水泥及膨胀水泥3种接口材料作接口，分别制作3组试验管段，强度达到规定值后，将三组试件放置在距地面0.5 m高的砖支墩上，试压检查各接口完好后，同时抽去中间各支墩，利用管身自重（包括管内水重）下沉，测其下沉量。下沉完毕后，继续加压，观察各试验管道接口渗漏情况及减压情况。此时，铅接口已完全破坏，而石棉水泥接口及膨胀水泥接口均无明显变形。紧接着，在石棉水泥接口试件中部加载385 kg，在膨胀水泥接口试件中部加载 372 kg，继续观察下沉量，3 min后卸载，再进行观察。做完以上试验后，将已破坏的铅接口试件恢复，又分别将3组试件推落至地面（距地高度0.5 m），并进行试压及接口检查。此时铅接口又一次破坏，其它两组试件基本正常。紧接着又由10人以脚为动力将石棉水泥接口和膨胀水泥接口以及铅接口试件向前滚动 10 m又折回5 m后试压，膨胀水泥接口和石棉水泥接口情况均良好，而铅接口没有经得住考验，首先出现了裂缝。
　　以上试验数据充分说明，膨胀水泥接口完全可以替代石棉水泥接口。膨胀水泥接口甚至可以替代价格昂贵且对环境有污染的铅接口
　　中铁一局集团给排水工程总公司从20世纪70年代以来，在铸铁管自应力水泥管给水及排水管道刚性接头中大量使用膨胀水泥接头，其中青藏铁路（克哈段）、梅七铁路、西候铁路、京秦铁路及兰新铁路复线给排水工程的管道铺设中采用膨胀水泥接口累计距离近百公里，安全使用至今。
　　2　问题的提出
　　一些施工单位反映，膨胀水泥接口相对于石棉水泥接口而言，的确减轻了操作者的劳动强度，但是接口硬化以后，也有可能将管口胀裂。
　　国内一些施工单位的确也发生过这种事故。例如某铁路车站铺设10余km，DN，600铸铁管道，采用膨胀水泥接口。施工后接口普遍胀裂漏水，由于修复比较难，建设单位采用其他接口，重新铺设了一条管道。还有一些单位反映，膨胀水泥接口产生的膨胀破坏有时还可能在管道交付使用后1～2年产生。
　　上述情况的发生，给推广使用膨胀水泥接口的工作造成了一定的负面影响。一些施工单位甚至规定严禁使用膨胀水泥接口。
　　发生上述问题的原因是什么？是这种接口形式本身就存在问题，还是施工操作中发生了问题，导致管道事故的发生？以下作些简要的分析。
　　3　膨胀水泥接口的作用机理及膨胀破坏的原因
　　3.1　膨胀水泥接口的作用机理
　　膨胀水泥接口配方中，氯化钙（CaCl3）为早强剂，石膏（CaSO4·2H2O）为膨胀剂，水泥为固化剂；水泥、半水石膏拌合均匀并掺水搅拌后，变为二水石膏（CaSO4·2H2O）继而与硅酸盐水泥水化产物中的水化铝酸三钙（3CaO·Al3O3·6H2O）发生化学反应生成水化硫铝酸三钙（3CaO·Al3O3·3CaSO4·31H2O），体积比原有水化铝酸三钙增大1.5倍，其反应式如下：?3CaO·Al3O3·6H2O+3（CaSO4·2H2O）+19H2O→3CaO·Al3O3·3CaSO4·31H2O
　　配方中氯化钙（CaCl3）与水化产物中的氢氧化钙[Ca（OH）3]反应生成水化氯铝酸钙、氧氯化钙都是难溶于水的复盐，是产生膨胀的成份。
　　氯化钙（CaCl3）掺入后能与水泥水化物作用，从而增加水泥矿物的溶解度，加速水泥矿物水化。氯化钙还能与水泥中铝酸三钙（3CaO·Al3O3）作用，生成水化氯铝酸钙（3CaO·Al3O3·3CaCl3·32H2O，3Ca·Al3O3·CaCl3·10H2O）这种复盐均不溶于水溶液及CaCl3溶液，因而能从水泥、水系统中析出，提高了接口的早期强度。由于氯化钙（CaCl3）与氢氧化钙[Ca（OH）3]的反应，降低了水泥-水系统的碱度，使水泥成份中的硅酸三钙（3CaO·SiO3）的水化反应易于进行，相应地亦提高了接口的早期强度。
　　配比中石膏用量对膨胀性能的影响十分敏感，膨胀随石膏用量增加而增大；当石膏用量超出一定范围后，管道承口因不能承受接口由于体积膨胀产生的应力而破坏。同时，膨胀水泥配比中由于石膏掺量增大，其强度也随之降低。
　　3.2　膨胀水泥接口产生膨胀破坏的原因分析
　　（1）如前所述，配比中石膏的存在使接口填料产生一定的膨胀量，而使其接口密实，从而达到阻止渗漏的目的。但是，由于石膏对膨胀性能的高度敏感性，掺量稍多即可能产生膨胀危害。由于这种材料固化作用明显、迅速，实际施工中，为方便操作，一些操作者在现场配制，缺乏严格的计量，甚至不进行计量，必然产生问题。
　　（2）水泥中铝酸三钙的含量各个水泥厂家相差比较大，从4%～5%到10%左右不等，而正是铝酸三钙和配比中的石膏发生反应才使膨胀水泥接口材料发生膨胀。这造成了问题的复杂性。
　　（3）配方中的石膏非国家严格控制的产品，细度成份也不标准，如果所选石膏颗粒偏粗，化学活性低，水化过程可能很慢，很可能造成接口填料后期过量膨胀。
　　（4）一些地区地下水中常含有硫酸盐如硫酸钠、硫酸钙、硫酸镁等，硫酸盐溶液和水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏、硫铝酸钙等物质，产生体积膨胀，使接口破坏。水中硫酸钠和水泥石中的氢氧化钙反应式如下：
　　Ca（OH）3+Na3SO4·10H2O→CaSO4·2H3O+2NaOH+8H2O
　　从Ca（OH）3转变为CaSO4·2H2O体积为原来的2倍，这些变化是个缓慢的过程，可能造成接口填料后期过量膨胀。
　　3.3　膨胀水泥接口施工要点
　　许多管道接口膨胀破坏的事故说明：施工中配比不准和操作不当是造成事故的主要原因，因此，严格操作程序是保证膨胀水泥接口施工质量的关键，应注意以下几点。
　　3.3.1　配合比
　　填料配比必须经过试验或者长期实践后确定，配比中石膏粉含量：铸铁管接口宜控制在8%（重量比）以下；混凝土管接口宜控制在5%（重量比）以下；氯化钙掺量宜控制在5%左右（溶化后使用）。
　　3.3.2　材料
　　水泥宜选用强度等级42.5R的硅酸盐水泥（不掺加混合材料的PI型水泥）；石膏宜选用粉状半水石膏（颗粒越细越好）；氯化钙为工业氯化钙（溶化后使用）。
　　3.3.3　填料操作
　　（1）石膏水泥混合物和氯化钙溶液必须由专人统一精确称量拌制，集中保管，施工人员只要按用量领取混合干料及氯化钙溶液，在现场随抹口随加水及氯化钙溶液拌合即可。氯化钙溶液的浓度根据现场温度可适当调整，一般可掌握在溶液相对密度1.10左右。
　　（2）现场根据每次石膏水泥的拌合量计算出氯化钙溶液的加入量，然后加水拌合成面团状，可搓成条形填入管口。填料拌好后使用时间不得超过30 min.
　　（3）抹口前将管道承口（填料间隙）清理干净。并在承口内填麻辫，其深度为承口深度的1/3左右。
　　（4）将填料搓成条状，向承口分层用力填进，并用灰凿分层填实，最后抹平压光，表面应凹入承口边缘2 mm.随即润湿养护。可用泥糊口，填土浇水养护。如冬季施工，抹口后用盐水和泥糊口，覆干土蓄热养护。管段亦覆干土保温。
　　（5）在地下水有腐蚀性的地区，接口表面应涂隔离剂。
　　4　结论和改进设想
　　根据以上分析可以看出，在严格的配合比和操作规程规范下，膨胀水泥接口是可以安全使用的，这已为大量的施工实践所证明。
　　这种接口使用已历经30多年，它大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，节约了资金，功不可没。从20世纪80代以来，随着橡胶圈接口及管材的普及，膨胀水泥接口的使用逐渐减少，但在管道管件接头处仍在使用。
　　膨胀水泥接口也存在一些问题，其一，膨胀水泥接口配比中石膏的掺量对膨胀作用过于敏感，施工中稍有不慎，就可能发生接口胀裂，而这种胀裂又是不可修复的；其二，配比中氯化钙有可能浸蚀管口钢筋，使其产生锈蚀，产生Fe3O3，也可能导致接口破坏；其三，由于采用水泥中的熟料成份有变化，也可能导致和石膏发生不良反应。
　　以上种种因素都造成了对这种接口材料难以预料的变数。为此，研究新的接头材料成为必要。有以下两种设想：
　　（1）采用微膨胀无收缩配方。
　　（2）选择其他微膨胀剂（如UEA等）替代石膏，使接口产生膨胀，而不致膨胀力过大造成危害。