內(nèi)襯高密度聚乙烯鋼筋混凝土管的應(yīng)用研究

黃金明，周質(zhì)炎，李修富，張 威，高 武

[1.上海市城市排水有限公司，上海市 200233；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

污水是一種成分復(fù)雜且多變的腐蝕介質(zhì)，在此環(huán)境條件下，鋼筋混凝土管道內(nèi)壁極易被腐蝕[1-3]。根據(jù)已建管道工程的檢測(cè)結(jié)果，管道結(jié)構(gòu)都有不同程度的腐蝕，并且大口徑污水管道維修耗資巨大，對(duì)社會(huì)環(huán)境影響極為不利。因此，管道內(nèi)壁有必要采取有效的防腐措施，減少污水和腐蝕氣體對(duì)管道的腐蝕，確保管道安全服役。

排水管道工程中采用內(nèi)襯的形式已逐漸成為管道防腐的一種新型解決方案[4-6]。內(nèi)襯防腐板材具有耐酸、耐堿、經(jīng)久耐用的優(yōu)良特性，而且本身是微軟材質(zhì)，富有彈性、韌性，與鋼筋混凝土材料相協(xié)調(diào)。

內(nèi)襯高密度聚乙烯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“HDPE”）鋼筋混凝土管作為一種新型管材，是以鋼筋混凝土管為基體，成型過(guò)程中在管內(nèi)壁嵌入HDPE 板材襯里的管子。其中，HDPE 板材是以聚乙烯為原料擠出成型，一面是光滑平面，另一面是梅花型布置的“V”字形錨固鍵的HDPE 板材，見(jiàn)圖1。但以往研究缺乏對(duì)內(nèi)襯HDPE 鋼筋混凝土管應(yīng)用于實(shí)際工程的研究且暫無(wú)相關(guān)工程標(biāo)準(zhǔn)參考。為給內(nèi)襯HDPE 鋼筋混凝土復(fù)合管的應(yīng)用提供技術(shù)支持，本文進(jìn)行HDPE 內(nèi)襯材料的檢測(cè)、復(fù)合管性能試驗(yàn)的相關(guān)研究。

圖1 HDPE 板材斷面示意圖

1 HDP E 內(nèi)襯材料檢測(cè)

HDPE 內(nèi)襯材料檢測(cè)選取了3 個(gè)廠家的HDPE材料進(jìn)行檢測(cè)，分別為A 材料、B 材料、C 材料。HDPE內(nèi)襯采用錨固鍵機(jī)械式嵌入混凝土管內(nèi)壁的工藝，與澆筑的混凝土共同成型后，經(jīng)過(guò)和混凝土共同蒸養(yǎng)的步驟，所以本次試驗(yàn)也檢測(cè)了每種材料未蒸養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)（100℃；12 h）后的性能。

檢測(cè)項(xiàng)目包括耐化學(xué)試劑性能試驗(yàn)、密度測(cè)定試驗(yàn)、斷裂拉伸強(qiáng)度及拉斷伸長(zhǎng)率測(cè)定試驗(yàn)、彎曲彈性模量測(cè)定試驗(yàn)、硬度（邵氏硬度）測(cè)定試驗(yàn)、吸水率測(cè)定試驗(yàn)、氧化誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)、熱空氣老化試驗(yàn)、耐堿性測(cè)定試驗(yàn)、燃燒性能等級(jí)測(cè)定試驗(yàn)、氣體通過(guò)性試驗(yàn)和滾動(dòng)磨損試驗(yàn)。

分析檢測(cè)結(jié)果顯示，蒸養(yǎng)過(guò)程對(duì)材料化學(xué)性能和物理性能指標(biāo)影響不明顯。根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有HDPE 相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，提出HDPE 內(nèi)襯材料的耐化學(xué)試劑性能和物理性能指標(biāo)要求，分別見(jiàn)表1、表2。

表1 HDPE 板材耐化學(xué)試劑性能指標(biāo)

表2 HDPE 板材物理性能指標(biāo)

2 內(nèi)襯HDP E 鋼筋混凝土管試驗(yàn)

2.1 表面抗拔試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)方法

通過(guò)表面抗拔試驗(yàn)，獲得HDPE 內(nèi)襯與鋼筋混凝土管之間的黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)在管節(jié)的HDPE 內(nèi)襯包含5 個(gè)固定鍵的面積做表面抗拔試驗(yàn)，示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)拉拔環(huán)采用14 mm 厚90 mm×132 mm 的碳鋼板中間位置上垂直焊接尺寸為100 mm×132 mm碳鋼板（14 mm 厚），并在鋼板中心留孔φ50 圓孔。拉拔環(huán)碳鋼板與內(nèi)襯之間的連接采用熱熔，并沿碳鋼板外側(cè)切割HDPE 內(nèi)襯。

圖2 表面抗拔試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)采用分級(jí)加荷，前兩級(jí)按最大試驗(yàn)荷載值的30% 級(jí)差加荷至60%，每次靜停1 min。之后按最大試驗(yàn)荷載值的20% 級(jí)差加載至80%，每次靜停1 min。最后按最大試驗(yàn)荷載值的10% 級(jí)差加載至100%，每次靜停1 min。若仍未破壞，繼續(xù)按最大試驗(yàn)荷載值的10% 級(jí)差加載至試驗(yàn)塊HDPE 內(nèi)襯與鋼筋混凝土管剝離，記錄下最終的加載值。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)共進(jìn)行了2 節(jié)管節(jié)6 處試點(diǎn)，試驗(yàn)見(jiàn)圖3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 錨固鍵從混凝土中拔出

表3 表面抗拔試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)拉拔試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）表面抗拔試驗(yàn)的破壞模式都是錨固鍵從混凝土中拔出。

（2）單個(gè)錨固鍵的錨固強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可以達(dá)到1.13 kN。

2.2 三邊支承法外壓荷載試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)方法

通過(guò)三邊支承法外壓荷載試驗(yàn)，測(cè)定內(nèi)襯管節(jié)的裂縫荷載與破壞荷載，并觀測(cè)管節(jié)損壞形態(tài)，驗(yàn)證內(nèi)襯管節(jié)的荷載能否滿(mǎn)足規(guī)范要求。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》（GB/T 16752—2017）。

試驗(yàn)按每分鐘不大于5kN/m 的加載速度均勻加載，每級(jí)加載量為裂縫荷載的20%，恒壓1m in，逐級(jí)加載至裂縫荷載的80% 時(shí)，觀察管節(jié)外側(cè)或端部頂、底內(nèi)側(cè)有無(wú)裂縫。若裂縫寬度較小或無(wú)裂縫，可繼續(xù)按裂縫荷載的10% 加載至裂縫荷載。若裂縫仍小于0.2 mm，繼續(xù)按裂縫荷載的5% 加載至裂縫寬度達(dá)到0.2 mm。繼續(xù)按破壞荷載的10% 加載至破壞荷載，恒壓3 min，檢查管節(jié)是否破壞。若仍未破壞，可繼續(xù)按破壞荷載的5% 加載直至破壞。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)一共進(jìn)行了4 次三邊支承法外壓荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 三邊支承法外壓荷載試驗(yàn)結(jié)果 單位：kN/m

圖4 三邊支承法外壓荷載試驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)管節(jié)A 的裂縫荷載為298 kN/m，破壞荷載為447 kN/m；試驗(yàn)管節(jié)C 的裂縫荷載為248 kN/m，破壞荷載為372 kN/m。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)得到的裂縫荷載和破壞荷載均大于理論計(jì)算。HDPE 材料的抗拉彈性模量遠(yuǎn)小于混凝土且管節(jié)的變形很小，因此不足以使HDPE 材料產(chǎn)生足夠大的拉力以影響混凝土管節(jié)的外壓荷載試驗(yàn)的結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，HDPE 內(nèi)襯錨固鍵的錨入也沒(méi)有對(duì)混凝土管節(jié)的外壓荷載產(chǎn)生較大影響。因此，HDPE 內(nèi)襯厚度可以計(jì)入混凝土保護(hù)層厚度。

2.3 內(nèi)襯抗外水壓試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)方法

通過(guò)內(nèi)襯抗外水壓試驗(yàn)，測(cè)試模擬管節(jié)開(kāi)裂漏水后，內(nèi)襯承受外水壓的能力與界面排水條件。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)《超大型鋼筋混凝土頂管管節(jié)制作、施工及驗(yàn)收規(guī)程》（DG/TJ 08—2221）。

試驗(yàn)通過(guò)管節(jié)鋼筋混凝土外壁預(yù)埋DN 10 鋼管試壓管，模擬管節(jié)開(kāi)裂漏水，定位和試壓管埋設(shè)見(jiàn)圖5 和圖6。試壓管位于內(nèi)壁端須采取措施防止混凝土澆筑時(shí)堵塞鋼管。

圖5 試壓管埋設(shè)位置示意圖（單位：mm）DN10外方管堵

圖6 試壓管埋設(shè)詳圖

抗外水壓試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)通水處附近的200 mm×200 mm 范圍內(nèi)襯材料進(jìn)行位移測(cè)量，每處試驗(yàn)共測(cè)9 個(gè)點(diǎn)位移。位移計(jì)布置詳見(jiàn)圖7。

圖7 位移計(jì)布置圖（單位：mm）

試驗(yàn)先按每級(jí)0.05 MPa 的增量分級(jí)加載，加載至0.15 MPa 后，按每級(jí)0.03 MPa 的增量分級(jí)加載，每級(jí)保持5 min，記錄水壓變化情況和位移計(jì)度數(shù)，并觀察試壓處HDPE 內(nèi)襯是否出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，直至水壓無(wú)法繼續(xù)增加位置。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)一共對(duì)4 節(jié)管節(jié)24 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了抗外水壓試驗(yàn)，見(jiàn)圖8。

圖8 內(nèi)襯抗外水壓試驗(yàn)

試驗(yàn)最大水壓只能達(dá)到0.1～0.42 MPa，測(cè)點(diǎn)S1～S9 的最大位移0～0.44 mm，都可以觀察到水流從管節(jié)邊緣滲出，內(nèi)襯未見(jiàn)破壞。在外水壓作用下，HDPE 內(nèi)襯的位移較小，肉眼不易分辨，并且大部分情況下，水在較低的壓力時(shí)沿內(nèi)襯與混凝土之間的間隙流出管節(jié)，之后水壓無(wú)法繼續(xù)上升。觀察內(nèi)襯管節(jié)的HDPE 內(nèi)襯與混凝土管壁的黏結(jié)界面，可見(jiàn)到HDPE 內(nèi)襯與混凝土基本沒(méi)有黏結(jié)力，外水壓可輕易滲透進(jìn)HDPE 內(nèi)襯與混凝土管壁的縫隙。

所以，內(nèi)襯管節(jié)中HDPE 內(nèi)襯受到外水壓力后可以形成暢通的排水通道，不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯材料損壞。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)內(nèi)襯HDPE 鋼筋混凝土管HDPE 內(nèi)襯材料檢測(cè)、復(fù)合管試驗(yàn)的相關(guān)研究，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有HDPE 相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，提出HDPE 內(nèi)襯材料的耐化學(xué)試劑性能和物理性能指標(biāo)要求。

（2）表面抗拔試驗(yàn)的破壞模式都是錨固鍵從混凝土中拔出，并且單個(gè)錨固鍵的錨固強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可以達(dá)到1.13 kN。

（3）HDPE 材料對(duì)內(nèi)襯鋼筋混凝土管節(jié)受力沒(méi)有影響，故HDPE 內(nèi)襯厚度可以計(jì)入混凝土保護(hù)層厚度。

（4）內(nèi)襯管節(jié)中HDPE 內(nèi)襯受到外水壓力后可以形成暢通的排水通道，外水壓力不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯材料損壞。