聚乙烯管材在混凝土后冷中的应用

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简介： 在我国，聚乙烯冷却水管的应用是从二滩工程开始的。聚乙烯冷却管的应用不仅能节省钢材、降低材料成本，更重要的是施工工序简单、且能与大坝混凝土浇筑平行作业，二滩拱坝混凝土施工中由于采用聚乙烯冷却水管，挽回了已损失的工期，从而在确保工程按期发电方面起到了十分重要的作用。
关键字：混凝土冷却 聚乙烯管材 导热性能 尼龙内接头 管道铺设 二滩水电站

　　聚乙烯管材是一种由聚乙烯树脂掺入(或不掺入)添加剂经挤压成型的管形产品。目前常用品种有：高密度聚乙烯(HDPE)管材；低密度聚乙烯(LDPE)管材；以及混凝土冷却用聚乙烯管材(简称“PE冷却管”)。PE冷却管是近年来国内外为适应大体积混凝土预埋水管冷却而选中的替代产品，下面作专门介绍。

　　1PE冷却管的主要性能

　　1.1　物理机械性能

　　PE冷却管是用高密度聚乙烯树脂和低密度聚乙烯树脂(HDPE、LDPE、LLDPE)及一些改性材料按一定比例混合后经挤压成型的塑料管材。它不仅有较高的抵抗内外荷载的能力，而且柔性很好。标准的PE冷却管为洁白半透明，能看见管内水流中的汽泡。

　　目前，国内PE冷却管的规格主要有φ32(外径×壁厚=32 mm×2.3 mm)和φ40(外径×壁厚=40 mm×4 mm) 两种。其中? 40的管子主要用作冷却回路中的主管和混凝土外部进出水管。因此，我们通常所说的PE冷却管，主要是指φ 32的管子，其主要物理机械性能列于表1。

　　表1 32 PE冷却管的主要物理机械性能

项　　目试验实测备　　注密度／(kg／m3)868 邵氏硬度95 A 拉伸屈服应力／MPa25.48 断裂伸长率／%205 内压试验不破测试水温20℃，压力1.47 MPa外力冲击试验不破管温10℃，锤重2 kg,落高2.0 m，降落10次碾压试验不破管温10℃，压扁至50%弯曲半径／cm25管温10℃

　　注：由于PE冷却管在国内属新产品，因此国家尚无统一的技术指标，表中试验实测值均为二滩工程中PE管质量较稳定时的试验成果

　　1.2　热传导性能及其对混凝土通水冷却的影响

　　作为混凝土通水冷却用的PE管材，仅具有良好的物理机械性能是不够的，人们更关注它的热传导性能及其对混凝土通水冷却的影响。

　　单纯地从PE材料本身来说，其热传导性能很差，导热系数仅为0.26～0.79 W/(m.K)，但由于PE冷却管管壁薄，仅为2.0～2.3 mm，因此其冷却效果并不比金属管差很多。笔者曾就几种不同的混凝土配合比及冷却水管布置间距做了一些理论计算，计算结果说明，混凝土冷却时间，用PE管仅比用钢管长9%～17%左右。

　　2　二滩拱坝采用PE冷却管的条件和意义

　　按原设计，二滩拱坝将采用传统的钢冷却管。实际工程中，由于坝基开挖拖延工期达半年之久，若不采取有效措施加快大坝混凝土的施工进度以挽回损失的工期，则二滩水电站的合同发电时间将推迟1 a，经济损失巨大。关于这个问题，1994年下半年，业主、监理工程师、设计院和承包商进行了大量的方案比较和论证，最后一致认为，用PE冷却管解决温控问题，将基础强约束区混凝土浇筑层厚从1.5 m改为3.0 m这一方案效益最好。但需进一步论证PE管的可用性，因为国内当时还没有采用PE冷却管的经验，对PE管的强度和热传导性能没有足够的信心。因此，承包商、监理工程师和PE管制造商曾做过大量关于PE管抵抗外力冲击、摩擦、挤压以及内水压力和导热性能方面的试验，为PE冷却管在工程中的应用提供了充分的依据和宝贵的经验。

　　实践证明，二滩拱坝采用PE冷却管不仅缩短了大坝混凝土浇筑工期近5个月，保证了电站1998年7月1日投产发电，而且节省了大量资金。据统计，二滩拱坝仅冷却管材一项，即节省成本1 000多万元，加上施工缝处理、混凝土养护、施工人员与设备以及辅助材料等方面的节省，其经济效益十分可观。经坝体抽样检查，合格率达100%，优良率达90%以上。基础强约束区混凝土浇筑层厚从1.5 m改为3.0 m后，混凝土最高温度均在28℃以下(平均27.2℃)，完全能满足施工期对混凝土的温控防裂要求。

　　3PE冷却管的现场施工

　　3.1　准备工作

　　(1) 施工人员配备。现场施工人员的配备需根据混凝土的浇筑强度来决定。一般而言，若只有1套混凝土浇筑设备，混凝土从单一方向铺筑，则配备由4个工人和1个施工员组成的1个施工小组就够了；若仓面较大，混凝土用2套设备从两个方向同时铺筑，则相应地需配备2个组。另外还需安排1个具有技术及组织管理能力的人做各工种和小组间的协调工作。

　　(2) 施工工具。铺埋PE冷却管需要重约1.5 kg的铁锤2个，长300 mm或350 mm的锯子1把，250 mm的胡桃钳1把，圆头铁锹1把和几个火把等简单工具。

　　(3) 辅助材料。辅助材料主要有φ 2.8 mm的铁丝、生料带(即聚四氟乙烯止水带)、各种管接头和“U”形钢筋卡。这些材料中除“U”形卡用量较大、需要吊运入仓外，其他材料均可由施工人员随身携带到位。

　　(4) 冷却水管入仓。由于PE冷却管是成卷包装的，1卷长达200 m的φ 32管子重不到35 kg，因此可采用人工搬运入仓，也可用起吊设备吊运，一次可吊10卷。

　　3.2　管路布置与定位

　　根据冷却管铺埋位置的不同，管路铺设与定位方法也有区别，主要有三种情况。

　　(1) 冷却水管布置在岩基面上。在岩基面上铺埋PE冷却管时，必须做好加固工作。在二滩大坝的岩基面上铺埋PE冷却管时，把PE管捆绑在φ 25 mm的螺纹钢筋上跨越低凹处，用φ 8 mm的圆钢筋横向编织并布置部分插筋等措施来定位和加固，这种做法效果不错。

　　(2) 冷却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仓时就按设计位置预插好的细铁丝捆绑。这种布置有两大缺点，一个是在老混凝面上铺砂浆垫层时，砂浆卸料很容易冲坏冷却管，且砂浆入仓后，不能用机械赶料；另一个是振捣器不敢直插老混凝土顶面振捣混凝土，因而会影响混凝土的振捣质量和上、下层混凝土的结合强度。二滩工程后期，除特殊情况外，已不再采用这种布置方法了。

　　(3) 冷却水管布置在各浇筑层最后一个铺层底部。这种布置方法是从二滩工程实践中摸索出来的一种较好的PE冷却管铺埋方法，它的铺设过程是：当混凝土平仓振捣密实后，将冷却管按设计位置拉直摆放在混凝土上，然后用榔头将“U”形卡打入混凝土固定管子。“U”形卡的间距约1.5～2.0 m。只要有5 m宽的位置混凝土振实了，即可开始铺管。这种铺管方式的优点有：①冷却水管施工与混凝土浇筑平行作业，冷却管铺埋不占用大坝的施工时间；②上、下铺层混凝土在振捣器工作时有一定的流动性，冷却水管能在混凝土中轻微移动，因而能从振捣器的尖端滑脱而免遭破坏；③万一冷却管被尖石挤压或因其他原因破坏了，可由人工挖除混凝土，修复破管，这既不影响混凝土浇筑，而且劳动强度也不大。

　　3.3　管路连接

　　大体积混凝土结构仓面都较大，如二滩拱坝有近100个仓面(指3 m高的混凝土浇筑仓)面积在1 000 m2以上；单层冷却水管长度在1 000 m以上者有200层(指冷却水管埋设层)。如此长的管路，若采用单根冷却水管，势必影响混凝土的冷却速度和冷却效果。因此，我们把一层冷却水管分了3、4甚至5条子回路用三通并联于同一对进回水主管上(见图1)，主管流量为各子回路流量之和(子回路最小流量为20 L/min)。

　　除大仓面中子回路并联于主管时需要用三通连接外，所有层次的冷却水管都需用弯管接头(弯头)与装在供水盒子里的进出水管连接；φ 40 mm主管末端与φ 32 mm冷却管相接时，需用变径接头(变接)连接；另外，虽然PE冷却管1卷长200 m，但有时1条子回路会长达300 m，这样就需用直管接头(直通)加长。一般情况下，一层含4条子回路的冷却管，共需三通6个、弯头2个、变接2个和直通约4个。由于这些接头大多位于仓面的边缘，因此，所有接头都可在管路铺设完毕后再连接，有些接头(如弯头)可以在混凝土浇筑之前或之后连接。

　　二滩工程中，用的PE冷却管接头主要是尼龙内接头。在用内接头连接PE管时，需先把冷却管用火把或其他热源烘烤至柔软，再将接头插入，待管子恢复一定硬度后，用两股φ2.8 mm的铁丝捆紧，为保险起见，在接头外周缠有3～4层生料带。在二滩工程中，凡缠了生料带的内接头，至今没有发现漏水现象。

图1　冷却水管子回路用三通并联于主管上示意

　　3.4　冷却水管破坏与修复

　　PE冷却管发生破坏的原因主要有以下几种。

　　(1) 混凝土下料不当。若混凝土料较稀而下料高度及速度又控制不当的话，则冷却水管在混凝土急速冲泄而移位的过程中，很容易被钢筋或其他硬物阻拦而弯折甚至割断。当混凝土中大而尖利的石头较多时，下料过高，冷却水管还会被大石冲扁或冲烂。

　　(2) 混凝土施工设备挤压或振破。大型的混凝土平仓振捣设备都很重，如二滩大坝上采用的平仓机和振捣车分别为11 t和21 t，如此重的施工设备在上面行走，若冷却管上部混凝土垫层过薄的话，则冷却水管很容易被大而尖的石头或设备履带板挤压破坏。当混凝土骨料离散严重，大石集中时，由于混凝土在振捣作用下无流动性，冷却管无法从振捣棒尖端滑离而易为振捣棒振破。

　　(3) 管路铺设不当或接头连接不好。当PE管铺在尖石上时，第二种破坏情形极易发生；而当接头没接好时，不仅接头漏水难以避免，而且接头很容易被扯脱。

　　(4) 管材质量不好。管材方面的问题主要表现在管子质量不好，如管子硬而脆、柔而不韧、管壁厚薄不匀、管子在包装运输过程中受过损伤等，这时各种破坏情况都有可能发生。

　　管子一旦破了，需立即挖除混凝土进行修复。

　　3.5　冷却水管通水

　　冷却水管铺好后应立即通入0.34 MPa以上的压力水，以便监测冷却水管在混凝土浇筑过程中是否因意外而破坏。在施工过程中，冷却水管的通水方式有两种：一种是直接用弯头把冷却主管与装在供水盒子中的竖向管连接，从供水盒子供水；另外一种供水方式，是在冷却水管铺好后，用在浇筑仓附近的清基或养护水临时通水，混凝土浇完后再从仓外用弯头与竖向管连接从供水盒子通冷却水，在施工过程中这种供水方式很方便，不仅弯头可留在混凝土浇完后再连接，还能观察水流的变化(回水自由排放不回收)，一旦管子破了，能立急停水，修复破管，但这种供水方式需要在浇筑仓附近有足够压力的水源，且水温不宜太高(因混凝土浇筑温度为10℃或13℃)。因此在二滩工程中，高温季节我们采用前一种通水方式。

　　4　存在的问题与改进措施

　　二滩水电站在国内首次把PE塑料管用作大坝混凝土冷却水管。在长达3年多的实践中，发现过一些缺陷，相应作了一些改进。

　　4.1　管材的质量问题

　　管材质量是决定PE冷却管在工程实践中能否成功应用的关键。二滩工程早期，采用的PE冷却管都是从贵阳市塑料厂购买的，抛开价格不议，仅是运输、贮存就有很多不便。攀枝花市塑料一厂也生产有PE管，但初期质量不佳，内水压力和外围冲击强度都达不到使用要求，后来我们与二滩工程公司的有关人员及攀枝花市塑料一厂共同努力，从原材料的选取、配方，到生产工艺等都进行了了改良，生产出工程后期质量较好的PE冷却管。另外，在管壁厚度方面也作了一些调整，即由原来的2 mm加厚到2.3 mm(指规格为φ 32的管子)，使之能承受更大的内外荷载。

　　4.2　管接头的改进

　　在二滩工程初期，连接PE冷却管用的管接头全是从意大利进口的塑料快速接头，我们称之为外接头。这种接头不仅造价昂贵(约为同类尼龙内接头的10倍)，而且使用起来有诸多缺陷。外接头是套在冷却管外周使用的，它靠带齿的卡环和丝冒盖箍在管子周围固定和锁紧冷却管，而起止水作用的是一个夹在冷却管与卡环之间的橡皮环。这种接头结构复杂、体积大，在穿套管子的时候也费力，丝盖须借助管钳才能拧紧。更严重的是，当冷却管的外径因各种原因而偏小时，则不仅止水环止不了水，而且管子也会因锁不紧而被拉出。在二滩拱坝施工中，冷却管从外接头脱出的现象曾发生过好几次。

　　为了解决这一问题，我们设计了尼龙内接头(简称“内接头”)，它是一种以尼龙为主要原料生产的通过插入管子内部连接管子的管接头。以φ 40、φ 32、φ 40 mm的三通为例，内接头的基本构造和尺寸如图2所示。从图中我们可以看出，内接头的结构是非常简单的，使用也很方便。内接头靠接头前端的倒台阶和管子外的铁丝捆绑固定，在倒台阶和捆绑铁丝的共同作用下其牢固性相当好。由于内接头的外径一般都做得比管子内径稍大，接头是在管子被烤热变柔软时强行插入的，加上管外有柔性较好的铁丝箍紧，因此，其自身的止水效果已很不错，可以不需辅助以其他止水材料，为保险起见，在二滩工程中，我们在接头外周缠了4～5层生料带。

　　图2　冷却水管内接头结构示意(单位：mm)

　　4.3　管道铺设方法

　　影响PE冷却管铺设速度和质量的关键环节是“放管”。在二滩工程初期大家都没有这方面的经验，管道铺设既费力又费时，后经广大施工与技术管理人员的努力，摸索出了一种新的PE冷却管放管方法，这种新的放管方法只需2个人，1人牵拉已放出的管子铺设定位，另1人抱着尚未释放的部分，根据管子的盘卷方向左右翻转。这样释放出来的管子，能消除盘卷时形成的如簧似的圆圈，铺在仓面上很顺直，而且释放速度极快。

　　4.4PE冷却管在应用中的局限性

　　PE冷却管毕竟是一种塑料制品，其强度、尤其是在抵抗外力冲击和利器割划方面远不如金属管。因此，PE冷却管的应用有一定的局限性。这主要表现在不宜用于低级配高流态的混凝土仓面和钢筋过于密集的地方。当混凝土料很稀时，一方面是管子容易被冲乱、破坏；另一方面是管子破了，很难排除混凝土予以修复。当然，若万一遇到这种情况可以焊钢筋架子，把管子捆在钢筋架子上或用其他办法来解决。但这样就体现不出PE冷却管的优点了。最困难的是，在密集的钢筋网格中铺设和修补PE冷却管，在二滩拱坝的钢筋密集区，是采用钢塑结合的方法来解决的。即在钢筋密集区用? 25(1英寸)的钢冷却管，在钢筋区以外的部位仍使用PE冷却管。钢管和PE管用一头对焊另一头为竹节的铁制内接头连接。

　　4.5　对混凝土质量的影响

　　PE冷却管是一种塑料制品，尽管冷却结束后都要用水泥灌浆回填，但对坝体强度多少有一点影响，这在坝体设计时应予以考虑。另外，在施工过程中，若冷却水管破了而没有被及时发现修补好，则冷却水会带走破管附近的部分水泥浆，从而影响混凝土质量。

　　5　结　语

　　PE冷却管在二滩拱坝工程中的成功应用，为我国的大体积混凝土后期水管冷却技术开辟了新的途径，并积累了经验和教训。由于PE冷却管具有材料成本低、施工工序简单、铺管灵活快速、能与混凝土浇筑平行作业等众多优点，因此今后必能得到广泛的应用。