摘 要：對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，操作簡單，應(yīng)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(shí)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(dòng)強(qiáng)度，這種接口在操作中只需搗實(shí)、抹平，無需反復(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)作對這種接口做了一系列試驗(yàn)，這里簡述如下。
1.1 沖擊試驗(yàn)
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(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1 MPa，檢查接口的嚴(yán)密性；而后覆土回填（覆土深度為管頂以上0.2 m）。經(jīng)過16 d，90次列車行駛的考驗(yàn)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(xiàn)象。
將另一組DN150長10 m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1 MPa，無滲漏現(xiàn)象后，管頂以上回填虛土0.5 m厚，然后用H7-120 型內(nèi)燃夯（夯重120 kg，夯起高度30～40 cm，夯足直徑250 mm），反復(fù)夯打6 遍，虛土夯實(shí)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(xiàn)象。
1.2 對比試驗(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0.5 m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(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0.5 m），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) 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(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，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(dòng)強(qiáng)度，但是接口硬化以后，也有可能將管口脹裂。
國內(nèi)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(shè)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(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1～2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(dǎo)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(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（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?dāng)嚢韬?，變?yōu)槎啵–aSO4·2H2O）繼而與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸三鈣（3CaO·Al3O3·6H2O）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(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（3CaO·Al3O3）作用，生成水化氯鋁酸鈣（3CaO·Al3O3·3CaCl3·32H2O，3Ca·Al3O3·CaCl3·10H2O）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（3CaO·SiO3）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。
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，操作簡單，應(yīng)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(shí)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(dòng)強(qiáng)度，這種接口在操作中只需搗實(shí)、抹平，無需反復(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)作對這種接口做了一系列試驗(yàn)，這里簡述如下。
1.1 沖擊試驗(yàn)
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(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1 MPa，檢查接口的嚴(yán)密性；而后覆土回填（覆土深度為管頂以上0.2 m）。經(jīng)過16 d，90次列車行駛的考驗(yàn)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(xiàn)象。
將另一組DN150長10 m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1 MPa，無滲漏現(xiàn)象后，管頂以上回填虛土0.5 m厚，然后用H7-120 型內(nèi)燃夯（夯重120 kg，夯起高度30～40 cm，夯足直徑250 mm），反復(fù)夯打6 遍，虛土夯實(shí)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(xiàn)象。
1.2 對比試驗(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0.5 m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(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0.5 m），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) 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(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，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(dòng)強(qiáng)度，但是接口硬化以后，也有可能將管口脹裂。
國內(nèi)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(shè)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(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1～2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(dǎo)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(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（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?dāng)嚢韬?，變?yōu)槎啵–aSO4·2H2O）繼而與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸三鈣（3CaO·Al3O3·6H2O）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(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（3CaO·Al3O3）作用，生成水化氯鋁酸鈣（3CaO·Al3O3·3CaCl3·32H2O，3Ca·Al3O3·CaCl3·10H2O）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（3CaO·SiO3）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。