摘要：對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)這種接口做了一系列試驗(yàn)，這里簡(jiǎn)述如下。

　　1.1　沖擊試驗(yàn)

　　將一組�獶N 150膨脹水泥接口的管道試件（長(zhǎng)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�獶N��150長(zhǎng)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H��7-120 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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(guó)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(jiǎn)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�水石膏（CaSO₄·2H2O）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(duì)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。

　　3.2　膨脹水泥接口產(chǎn)生膨脹破壞的原因分析

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

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

　�。�3）配方中的石膏非國(guó)家嚴(yán)格控制的產(chǎn)品，細(xì)度成份也不標(biāo)準(zhǔn)，如果所選石膏顆粒偏粗，化學(xué)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。

　�。�4）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(xué)反應(yīng)，生成石膏、硫鋁酸鈣等物質(zhì)，產(chǎn)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(yīng)式如下：

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

　　從Ca（OH）₃轉(zhuǎn)變?yōu)镃aSO₄·2H₂O體積為原來的2倍，這些變化是個(gè)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(diǎn)

　　許多管道接口膨脹破壞的事故說明：施工中配比不準(zhǔn)和操作不當(dāng)是造成事故的主要原因，因此，嚴(yán)格操作程序是保證膨脹水泥接口施工質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

　　3.3.1　配合比

　　填料配比必須經(jīng)過試驗(yàn)或者長(zhǎng)期實(shí)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(qiáng)度等級(jí)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(xì)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(lǐng)取混合干料及氯化鈣溶液，在現(xiàn)場(chǎng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度可適當(dāng)調(diào)整，一般可掌握在溶液相對(duì)密度1.10左右。

　�。�2）現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每次石膏水泥的拌合量計(jì)算出氯化鈣溶液的加入量，然后加水拌合成面團(tuán)狀，可搓成條形填入管口。填料拌好后使用時(shí)間不得超過30 min.

　�。�3）抹口前將管道承口（填料間隙）清理干凈。并在承口內(nèi)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(jìn)，并用灰鑿分層填實(shí)，最后抹平壓光，表面應(yīng)凹入承口邊緣2 mm.隨即潤(rùn)濕養(yǎng)護(hù)。可用泥糊口，填土澆水養(yǎng)護(hù)。如冬季施工，抹口后用鹽水和泥糊口，覆干土蓄熱養(yǎng)護(hù)。管段亦覆干土保溫。

　�。�5）在地下水有腐蝕性的地區(qū)，接口表面應(yīng)涂隔離劑。

　　4　結(jié)論和改進(jìn)設(shè)想

　　根據(jù)以上分析可以看出，在嚴(yán)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(shí)踐所證明。

　　這種接口使用已歷經(jīng)30多年，它大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，節(jié)約了資金，功不可沒。從20世紀(jì)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(duì)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(fù)的；其二，配比中氯化鈣有可能浸蝕管口鋼筋，使其產(chǎn)生銹蝕，產(chǎn)生Fe₃O₃，也可能導(dǎo)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(dǎo)致和石膏發(fā)生不良反應(yīng)。

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

　　（1）采用微膨脹無收縮配方。

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