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混凝土管材性能缺陷简析及应用UHPC技术解决的思考

2023-11-18粟丽萍赵琼芳阙小平

特种结构 2023年5期
关键词:管体抗渗排水管

粟丽萍 赵琼芳 阙小平

四川国统混凝土制品有限公司 成都610509

引言

混凝土管是我国给、排水管网中使用最广泛的管材之一。市政排水管网中,大量采用钢筋混凝土管(RCP、DRCP),在压力输水管网中,预应力钢筒混凝土管(PCCP)是使用最多的主管管材之一。相比钢管、球墨铸铁管、塑料管等其他材质的管材,混凝土管管体环向刚度好,能充分利用混凝土和钢材的性能优点,且在中等以下腐蚀环境中有较好的耐久性能。但是,近年来混凝土管材在工程应用中受到了不少质疑,主要体现在耐腐蚀能力不足、管材渗漏严重及管重过大。

超高性能混凝土(UHPC)材料及相关技术的工程应用是混凝土技术发展中一项革命性的进步,其采用最紧密堆积理论进行配合比设计,采用了消除混凝土界面过渡区技术,应用高性能外加剂、超细粉掺合料、超低水胶比等措施,实现了远超普通混凝土的超高强、超高耐腐蚀、超高韧性、超低渗透性等优异特点,具有巨大的工程应用潜力。近几年UHPC技术已在我国的铁路工程、交通桥梁、建筑、市政等行业实现了较广泛的应用,在混凝土管生产中也有应用的案例,但并未形成市场规模。

本文旨在针对混凝土管的前述问题,分析UHPC技术在混凝土管材生产中应用的性能优势及经济性对比,以期为实现混凝土管材的性能提升、消除短板提供一种可行的思路。

1 混凝土管常见的主要性能短板

1.1 耐腐蚀性能问题

基于当下的混凝土管产品标准和生产工艺水平,大多数管用混凝土强度处于C40~C60 之间,且在耐久性方面并未进行专项设计。大量工程实例证明,在污水管网、露天铺设管道、腐蚀性水土环境中服役的混凝土管材存在较为明显的腐蚀现象(图1 所示),对压力管来说,是以PCCP 为主的产品砂浆保护层的耐腐蚀性能问题;对无压管来说,是以市政排水管为主的混凝土管材在污水环境中的耐腐蚀性能问题。

图1 受腐蚀的混凝土管Fig.1 Corroded concrete pipe

混凝土管的腐蚀原因和类型不同,但从管材自身角度来看,混凝土材料的多孔、硬脆、能与腐蚀因子发生作用的组份过多等特点为腐蚀因子提供了进入材料内部并发生作用的条件。因此,有必要对管用混凝土作如下改性:提高密实度、改善抗拉和韧性、减少易与腐蚀因子作用的组份或加入抑制腐蚀的组份。

1.2 管网渗漏问题

混凝土压力管所用管材大多为PCCP 管,其水密性和承压能力均较强,一般不存在渗漏问题。混凝土管的渗漏问题主要发生在无压管中,包括管体渗漏和接头渗漏,究其原因,除了施工质量差导致的管体局部破损、不均匀沉降、接头密封不合格外,还有以下两点需要正视:

1.现行钢筋混凝土管产品标准GB/T 11836—2009[1]的部分技术指标已不能满足工程实际需要。如:标准中对产品及接口的抗渗和密封压力规定为0.1MPa,实际上近年来国内城市频繁发生的内涝问题显示,城市排水管网在雨季大概率会承受大于0.1MPa 的内水压力,高于管材产品标准的指标;标准中列出的绝大部分管材接口不具备接头密封检验功能,施工时无法及时进行接头密封性检验,带来管子接头密封质量陷患。

2.钢筋混凝土管生产工艺技术的发展重效率而轻质量。多年来钢筋混凝土管成型工艺设备的发展和应用更看重生产效率指标,对产品质量的关注只限于外观和混凝土强度,忽略了管体抗渗性能和接口精度等要求。特别是采用干硬性混凝土的工艺(如芯模振动工艺)更容易存在管体抗渗性能不足、接口尺寸粗糙的问题,有此类质量隐患的管材在使用中普遍存在管体和接口渗漏问题。

1.3 管体自重问题

根据现有标准的相关参数,钢筋混凝土管(RCP、DRCP)的管壁厚度多为公称内径的1/10;PCCP虽为预应力混凝土结构,但根据实际工程应用情况,其管壁总厚度大多在公称内径的1/12~1/10 之间[2];基于以上参数,大口径混凝土管自重过大的确是工程应用中不能忽视的一个因素。常用的大口径混凝土管材自重、汽车运力及安装用吊车吨位等相关参数见表1。大口径混凝土管自重过大,除了提高生产设备配置成本外,还面临运输车辆的装载能力、超重限制问题,以及大型吊装设备的配置和成本问题。在山地丘陵区域的工程,混凝土管应用受限的主要原因之一就是自重过大带来的运输和安装施工不便。

表1 大口径混凝土管相关参数Tab.1 Related parameters of large diameter concrete pipes

2 UHPC技术在混凝土给、排水管中应用的思考

超高性能混凝土(UHPC)在力学性能和耐久性能方面与普通混凝土相比具有巨大优势,使其在工程建设各行业具有广阔的应用前景,并且已在建筑、交通、市政等工程应用中发挥越来越重要的角色。本节针对混凝土给、排水管材的性能短板,提出应用UHPC技术解决的可能性。

2.1 UHPC的主要性能特点简介

UHPC是基于最紧密堆积理论的配合比设计,采用超细粉体和消除“界面过渡区”等技术配置而成的,具有超高强度和超高耐久性能的新型水泥基复合材料。其主要性能特点包括:(1)超高强度,抗压强度在100MPa 以上,工程应用的强度一般在C100~C180 之间[3],是混凝土管用普通混凝土的2~5 倍;(2)超强耐腐蚀性能,氯离子渗透系数小于0.2 ×10-12m2/s[4],比普通混凝土低2 个数量级;其吸水率小于2%,是普通混凝土或砂浆的1/3~1/5;抗硫酸盐侵蚀系数远大于KS150 级;(3)超强耐冲磨性,耐冲磨性能是普通混凝土的数十倍;(4)超强抗渗性,抗渗等级均大于P12,已超出普通混凝土渗透系数最高等级值;(5)超强抗拉性能,抗拉强度、抗弯拉强度可达普通混凝土的几倍至几十倍,且开裂后仍能保持类似韧性材料的继续承载(应变硬化特性)[5]。

2.2 UHPC在混凝土管中应用的性能和经济性优势

1.大幅提高耐腐蚀能力

混凝土管道的腐蚀类型主要有:污水管道中以硫酸盐为主的腐蚀,埋地管道管周水土以氯离子、硫酸根离子为主的腐蚀,露天管道的碳化、风化类腐蚀,具体分析如下。

(1)根据笔者试验,不同混凝土材料的氯离子渗透系数DRCM值及相关标准规定的不同腐蚀环境等级下DRCM指标限值见表2 所示。由表2 可知,即使是C100“入门”级UHPC 材料,其抗氯离子渗透指标DRCM也为C50 级普通混凝土的50余倍,是PCCP保护层砂浆的87 倍,拥有极强的抗离子渗透性能。实际上,UHPC 经耐腐蚀强化设计后DRCM指标可以小于0.02 ×10-12m2/s,比满足E级腐蚀下耐久年限100 年的普通耐腐蚀混凝土(DRCM≤4 ×10-12m2/s)性能提高了2 个数量级。也就是说,采用UHPC作为混凝土管管体材料,即便在非常严重的腐蚀环境中,其使用寿命也远大于100 年,无需其他附加防腐蚀措施。

表2 混凝土氯离子渗透系数DRCM指标对比Tab.2 Comparison of DRCM indicators for chloride ion permeability coefficient of concrete

(2)UHPC 的抗硫酸盐腐蚀性能远优于普通混凝土。根据黄有强[6]等人的研究,UHPC 在5%浓度硫酸钠溶液(相当于V-E级环境的硫酸盐浓度)中的耐腐蚀表现为:分别经过1000 次冻融循环、150 次干湿循环、400 次冻融循环+120 次干湿循环后进行耐硫酸盐试验,试验后的试块表面均完好,试块质量损失率均小于1%。在抗碳化、耐其他化学腐蚀等方面的性能与普通混凝土相比,有数量级或倍数的提高,几乎不存在冻融破坏[7]、碱-骨料反应破坏问题。由于UHPC 具备的超强耐久性能表现,在日本的相关应用指南中,将UHPC的碳化、钢筋(钢纤维)锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应等指标定为免检项目。

综上,UHPC对以上各类腐蚀均有优良的耐久性表现,采用UHPC 作为管体材料(包括预应力钢筋保护层材料,如PCCP),可以确保管道具有远超普通混凝土管的耐腐蚀性能。

2.大幅提高抗渗性能

C100 UHPC 的抗渗等级可轻松超过P12,在一些极端试验中,UHPC的抗渗压力可达3MPa~6MPa。除了材料本身的超强抗渗性能外,由于UHPC往往无粗骨料且拌合物流动度较大,可以在密集配筋的构件中实现密实浇筑,避免了普通混凝土中常见的蜂窝、孔洞、露石等缺陷,能够达到“材料致密+结构致密”的效果,从而实现混凝土管体极强的抗渗性能。

UHPC 100MPa 以上的抗压强度已接近铸铁类金属材料的强度,加上较强的韧性和耐磨性能,在生产和使用过程中不易受损。该性能可使采用UHPC制成的混凝土管接头具有更高的精度和更强的抗损性。在笔者进行的验证试验中,UHPC排水管管道接头采用双胶圈密封方式,接头密封压力可达0.4MPa,见图2。

图2 UHPC 排水管的接头形式及接头密封试验示例Fig.2 Joint form and joint sealing test example of UHPC drainage pipe

因此,采用UHPC进行混凝土管生产,可以较好地解决管体和接口渗漏问题,并且有足够的性能满足排水管网在雨季带压运行的现实需求。

3.显著降低管道自重

UHPC由于具备超高的抗压和抗拉强度,更适用于与高强钢筋配合的混凝土结构,包括预应力结构,使实现轻薄高强的混凝土结构件有了较好的技术途径。据笔者计算,采用C100 的UHPC材料进行PCCP 和钢筋混凝土管结构设计时,结合经济性考虑后管材壁厚可以控制到管径的1/15~1/20 以内,单位重量约为现有同类管材的50%~70%。产品自重的显著降低,能够明显节约运输、安装成本,从而实现更好的市场优势。UHPC混凝土管与现有其他材质管材的管重对比示例见表3。

表3 不同类型的管材自重对比示例Tab.3 Example of comparing the self weights of different types of pipes

4.经济性优势

采用UHPC技术混凝土管材的经济性主要取决于产品的结构设计方案、UHPC 材料价格以及生产工艺等。较好的结构设计方案可以在获得较优性能的条件下更省材料,从而显著降低产品成本;UHPC材料价格主要取决于材料配合比以及生产地原材料价格,用于管道生产的UHPC 材料采用厂内自拌生产的方式具有较好的经济性(相对于采用UHPC 预混料而言);在混凝土管生产中,采用UHPC结构的管材目前主要采用浇筑成型工艺,由于UHPC需要更长的蒸养时间,其生产效率略低于同类工艺的普通混凝土管。基于以上影响因素,结合笔者分析,采用UHPC 技术的混凝土管与其他管材的价格对比见表4。可见,采用UHPC结构的混凝土管价格水平虽然相较同类型普通混凝土管略高,但相对复合管、塑料管、金属管仍具有较明显的价格优势,考虑到其在耐腐蚀性、耐久性、管体刚度和强度以及自重等方面的综合优势和特点,可以认为UHPC 结构的混凝土管具有较高的性价比。

表4 UHPC结构混凝土管与其他管材的经济性对比Tab.4 Economic comparison between UHPC structural concrete pipes and other pipes

3 结语

目前,混凝土管行业发展中存在“重效率、轻质量”以及“低质化内卷”等现象,使混凝土管

在工程应用中存在管体腐蚀、渗漏等问题和风险,不但影响工程质量,更是影响了行业的健康发展;另外,混凝土管自重过大也是影响其应用范围的原因之一。UHPC 技术是混凝土技术的革命性进步,其带来的混凝土材料各方面性能的巨大提高,使混凝土结构具备深远的创新空间。基于对UHPC技术的分析和笔者的试验探索,本文讨论了在混凝土管产品中应用UHPC 技术的性能和经济性优势,认为应用UHPC技术可以解决混凝土管的各项性能短板,能得到耐腐蚀、抗渗透、轻量化的高品质混凝土管材产品。

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