长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管制造技术

本实用新型专利技术公开一种长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管，采用高变形能力的超高性能混凝土粘结覆盖和保护钢筒、预应力钢丝、承口钢环和插口钢环不锈蚀，并用于混凝土内衬防护。本实用新型专利技术所使用的超高性能混凝土具备优异的物理力学性能，包括高变形与高抗裂能力、高抗拉强度、高粘结强度、高韧性，以及高抗渗性能、高抗化学腐蚀性能和高抗冻融性能——超高耐久性，可为内衬式预应力钢筒混凝土管提供可靠、长效的防腐蚀保护，大幅度提高这类管道的耐久性和运行可靠性，保障和实现对该类管材铺设管道所期望的长工作寿命（75～100年）。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管，尤其是采用高变形能力的超高性能混凝土，在腐蚀性环境中保护管道中钢材长期不锈蚀以及保护混凝土内衬免受污水腐蚀。
技术介绍
预应力钢筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe，简称PCCP）是一种输水管材，起源于法国，上世纪40年代欧美开始发展、80年代在中国开始发展和应用。PCCP是由带钢筒的高强混凝土管芯缠绕预应力钢丝，再喷以水泥砂浆保护层而构成；用钢制承插口和钢筒焊在一起，由承插口上的凹槽与胶圈形成滑动式柔性接头。PCCP按结构（钢筒在管芯中的位置）分为内衬式预应力钢筒混凝土管（简称PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土管（简称PCCPE）。PCCPL以薄钢筒内衬混凝土作为管芯，然后在薄钢筒外缠绕环向预应力钢丝并制作砂浆保护层，适合于口径DN400～1200mm的管道。PCCPE以薄钢筒埋置于混凝土管芯内，然后在混凝土管芯外缠绕环向预应力钢丝并制作砂浆保护层，适合于口径DN1400～4000mm的管道。本技术针对内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）。PCCP是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组合而成的复合型管材，具有钢材和混凝土各自的特性，包括可以承受高内外压、刚度大、抗渗强、密封严、安装方便、抗震性能好、运行和维护费用低等特点，因而在国内外的长距离输水干管、城市供水和工业有压排水（包括一般电厂、核电站）、压力倒虹吸、污水压力干管、水下管道（清洁水或盐水）、溢流管等工程中被广泛采用。用于大型输水管道，PCCP与钢管、球墨铸铁管相比，优势在于制造成本低，以及抗腐蚀和维护费用低。美国曾经评估，PCCP的使用寿命在75～100年。然而，应用至今，PCCP的耐久性和可靠性越来越受到质疑。上世纪80年代建设的著名“非洲大人工河”工程，到2005年时已经发生5次PCCP爆裂；部分管线经过检测，己经发现钢丝断裂3500根，急需开展积极的修复计划。现在这个工程，数千节PCCP管段需要维修或更换，余下的管道需要进行状态评估。上世纪90年代以来，美国有多条PCCP管道发生爆管事件，降低了人们对PCCP耐久性和使用寿命的信心。“PCCP管很高的失效可能性和失效的灾难性，已导致美国现在已经不再生产PCCP管”。中国近年来也发生了多起PCCP管道爆管事件，最短发生爆管的PCCP管线，投入运营的时间只有3～5年。此外，对运行管线进行的探测发现，预应力钢丝“断丝”是PCCP常见病害和隐患。对所有爆管事件的调查均显示，预应力钢丝锈蚀拉断，使PCCP承受内压的能力大幅度降低，是发生爆管的直接原因。钢丝质量差和（或）砂浆保护层失效继而预应力钢丝锈蚀，则是钢丝拉断（断丝）的主要原因。问题的根源在于，埋置式预应力钢筒混凝土管标准规范的砂浆保护层抗裂设计、校核方法的“变形量”假设，与现实情况有较大差异。“变形量”假设观点认为，保护层受高于砂浆抗拉强度的拉伸就会产生肉眼不能见的微裂缝；而可见裂缝变形量为微裂缝的8倍，此时保护层虚拟抗拉应力为砂浆抗拉强度8倍。标准规定保护层裂缝校核方法，采用相当6.4～8倍水泥砂浆抗拉强度的变形量或虚拟抗拉应力，只要内外负载产生的变形量或抗拉应力小于这个假设变形量或虚拟抗拉应力，保护层裂缝校核就可以通过。这样的保护层裂缝校核形同虚设，“PCCP标准规定，砂浆保护层不允许有任何可见裂缝，实际情况砂浆保护层种种裂缝不可避免”。也就是说，PCCP管的砂浆保护层开裂和无法有效保护预应力钢丝，是因为砂浆本身变形和抗裂能力不足，而管的设计又将就了砂浆性能，以至于造成PCCP（PCCPE和PCCPL管）具有先天耐久性不足的缺陷。在温差大、干燥和腐蚀性环境，这个缺陷是致命的，预应力钢丝会较快锈蚀、拉断和发生爆管。这也是美国淘汰PCCP的根本原因。本专利技术正是针对PCCPL管这个缺陷的根源，提供可靠解决方案，广泛应用意义重大。中国目前在大量生产和使用PCCPL，这种大口径管材往往用于大型输水或压力排水工程。这些工程是百年大计，不允许发生爆管或存在潜在的隐患；一旦发生问题，带来的损失将是巨大的。人们也已经认识到，现在使用的砂浆保护层无法保障PCCPL的耐久性和安全性，需要更加可靠的技术方案。本专利技术技术方案，使用具有高变形与高抗裂能力、高抗拉强度的超高性能混凝土（UHPC），替代普通砂浆作为PCCPL的钢筒、钢丝和承插口钢环保护层，可从根本上消除传统砂浆保护层变形与抗裂性能不足的缺陷；同时，利用UHPC高粘结强度、高韧性、高抗冲击性能、高抗渗性能和高抗腐蚀能力，可避免砂浆保护层空鼓、易损伤以及耐腐蚀能力不足等问题。UHPC保护层能够为预应力钢丝和承插口钢环提供长期可靠的保护，大幅度提升PCCPL的耐久性和使用寿命。此外，PCCPL也用于有压力污水或腐蚀液体输送管道，混凝土内衬会受到化学腐蚀而降低使用寿命。针对这样问题，本专利技术在管内壁制作UHPC保护层防护PCCPL混凝土内衬。超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-HighPerformanceFibreReinforcedConcrete，简称UHPFRC）。UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基材料的全面性能发生了跨越式进步——具备了超高强、高韧性和超高耐久性。UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短钢纤维来实现。抗拉强度可高达30MPa，断裂能达到1,500~40,000N/m（钢纤维体积含量2%~12%），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料）。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的钢纤维含量水平实现拉伸的表观“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。钢纤维强度得到有效利用，UHPC从而获得很高的抗裂和抗冲击能力。UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。从理论上和根据至今的试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱－骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥孰料体积，多出来的体积能够填堵裂缝。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管，其特征在于：内衬式预应力钢筒混凝土管管体外侧以及管道安装后接头沟槽钢材的外露部分，包括钢筒（1）、预应力钢丝（2）、承口钢环（3）和插口钢环（4）上分别覆盖有工厂制作超高性能混凝土外保护层（5）和现场制作超高性能混凝土内、外保护层（6‑1、6‑2）；管的混凝土内衬（7）内壁上覆盖有工厂制作的超高性能混凝土内保护层（9）。

【技术特征摘要】
1.一种长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管，其特征在于：内衬式预应力钢筒混凝土管管体外侧以及管道安装后接头沟槽钢材的外露部分，包括钢筒（1）、预应力钢丝（2）、承口钢环（3）和插口钢环（4）上分别覆盖有工厂制作超高性能混凝土外保护层（5）和现场制作超高性能混凝土内、外保护层（6-1、6-2）；管的混凝土内衬（7）内壁上覆盖有工厂制作的超高性能混凝土内保护层（9）。2.根据权利要求1所述的长效防腐蚀内衬式预应力钢筒混凝土管，其特征在于：在钢筒（1）和预应力钢丝（2）外侧的工厂制作超高性能混凝土外保护层（5）厚度为20～50mm。3.根据权利要求1所述的长效防腐蚀内衬式预...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵筠，
申请(专利权)人：江西贝融循环材料股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江西;36