本實用新型涉及長效防腐蝕內襯式預應力鋼筒混凝土管，尤其是采用高變形能力的超高性能混凝土，在腐蝕性環境中保護管道中鋼材長期不銹蝕以及保護混凝土內襯免受污水腐蝕。
背景技術：
預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP）是一種輸水管材，起源于法國，上世紀40年代歐美開始發展、80年代在中國開始發展和應用。
PCCP是由帶鋼筒的高強混凝土管芯纏繞預應力鋼絲，再噴以水泥砂漿保護層而構成；用鋼制承插口和鋼筒焊在一起，由承插口上的凹槽與膠圈形成滑動式柔性接頭。PCCP按結構（鋼筒在管芯中的位置）分為內襯式預應力鋼筒混凝土管（簡稱PCCPL）和埋置式預應力鋼筒混凝土管（簡稱PCCPE）。PCCPL以薄鋼筒內襯混凝土作為管芯，然后在薄鋼筒外纏繞環向預應力鋼絲并制作砂漿保護層，適合于口徑DN400～1200mm的管道。PCCPE以薄鋼筒埋置于混凝土管芯內，然后在混凝土管芯外纏繞環向預應力鋼絲并制作砂漿保護層，適合于口徑DN1400～4000mm的管道。本實用新型針對內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）。
PCCP是鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組合而成的復合型管材，具有鋼材和混凝土各自的特性，包括可以承受高內外壓、剛度大、抗滲強、密封嚴、安裝方便、抗震性能好、運行和維護費用低等特點，因而在國內外的長距離輸水干管、城市供水和工業有壓排水（包括一般電廠、核電站）、壓力倒虹吸、污水壓力干管、水下管道（清潔水或鹽水）、溢流管等工程中被廣泛采用。用于大型輸水管道，PCCP與鋼管、球墨鑄鐵管相比，優勢在于制造成本低，以及抗腐蝕和維護費用低。
美國曾經評估，PCCP的使用壽命在75～100年。然而，應用至今，PCCP的耐久性和可靠性越來越受到質疑。上世紀80年代建設的著名“非洲大人工河”工程，到2005年時已經發生5次PCCP爆裂；部分管線經過檢測，己經發現鋼絲斷裂3500根，急需開展積極的修復計劃。現在這個工程，數千節PCCP管段需要維修或更換，余下的管道需要進行狀態評估。上世紀90年代以來，美國有多條PCCP管道發生爆管事件，降低了人們對PCCP耐久性和使用壽命的信心。“PCCP管很高的失效可能性和失效的災難性，已導致美國現在已經不再生產PCCP管”。中國近年來也發生了多起PCCP管道爆管事件，最短發生爆管的PCCP管線，投入運營的時間只有3～5年。此外，對運行管線進行的探測發現，預應力鋼絲“斷絲”是PCCP常見病害和隱患。
對所有爆管事件的調查均顯示，預應力鋼絲銹蝕拉斷， 使PCCP承受內壓的能力大幅度降低，是發生爆管的直接原因。鋼絲質量差和（或）砂漿保護層失效繼而預應力鋼絲銹蝕，則是鋼絲拉斷（斷絲）的主要原因。問題的根源在于，埋置式預應力鋼筒混凝土管標準規范的砂漿保護層抗裂設計、校核方法的“變形量”假設，與現實情況有較大差異。“變形量”假設觀點認為，保護層受高于砂漿抗拉強度的拉伸就會產生肉眼不能見的微裂縫；而可見裂縫變形量為微裂縫的8 倍，此時保護層虛擬抗拉應力為砂漿抗拉強度8 倍。標準規定保護層裂縫校核方法，采用相當6.4～8倍水泥砂漿抗拉強度的變形量或虛擬抗拉應力，只要內外負載產生的變形量或抗拉應力小于這個假設變形量或虛擬抗拉應力，保護層裂縫校核就可以通過。這樣的保護層裂縫校核形同虛設，“PCCP 標準規定，砂漿保護層不允許有任何可見裂縫，實際情況砂漿保護層種種裂縫不可避免”。也就是說，PCCP管的砂漿保護層開裂和無法有效保護預應力鋼絲，是因為砂漿本身變形和抗裂能力不足，而管的設計又將就了砂漿性能，以至于造成PCCP（PCCPE和PCCPL管）具有先天耐久性不足的缺陷。在溫差大、干燥和腐蝕性環境，這個缺陷是致命的，預應力鋼絲會較快銹蝕、拉斷和發生爆管。這也是美國淘汰PCCP的根本原因。
本發明正是針對PCCPL管這個缺陷的根源，提供可靠解決方案，廣泛應用意義重大。中國目前在大量生產和使用PCCPL，這種大口徑管材往往用于大型輸水或壓力排水工程。這些工程是百年大計，不允許發生爆管或存在潛在的隱患；一旦發生問題，帶來的損失將是巨大的。人們也已經認識到，現在使用的砂漿保護層無法保障PCCPL的耐久性和安全性，需要更加可靠的技術方案。
本發明技術方案，使用具有高變形與高抗裂能力、高抗拉強度的超高性能混凝土（UHPC），替代普通砂漿作為PCCPL的鋼筒、鋼絲和承插口鋼環保護層，可從根本上消除傳統砂漿保護層變形與抗裂性能不足的缺陷；同時，利用UHPC高粘結強度、高韌性、高抗沖擊性能、高抗滲性能和高抗腐蝕能力，可避免砂漿保護層空鼓、易損傷以及耐腐蝕能力不足等問題。UHPC保護層能夠為預應力鋼絲和承插口鋼環提供長期可靠的保護，大幅度提升PCCPL的耐久性和使用壽命。此外，PCCPL也用于有壓力污水或腐蝕液體輸送管道，混凝土內襯會受到化學腐蝕而降低使用壽命。針對這樣問題，本發明在管內壁制作UHPC保護層防護PCCPL混凝土內襯。
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC），因為一般需摻入鋼纖維或高強聚合物纖維，也被稱作超高性能纖維增強混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，簡稱UHPFRC）。UHPC屬于現代先進材料，創新了水泥基材料（混凝土或砂漿）與纖維、鋼材（鋼筋或高強預應力鋼筋）的復合模式，大幅度提高了纖維和鋼筋在混凝土中的強度利用效率，使水泥基材料的全面性能發生了跨越式進步——具備了超高強、高韌性和超高耐久性。
UHPC的“超高力學性能”主要體現在超高抗拉強度（單軸抗拉和彎曲抗拉強度）和高韌性，這依靠加入短鋼纖維來實現。抗拉強度可高達30MPa，斷裂能達到1,500~40,000 N/m（鋼纖維體積含量2%~12%），使UHPC跨入韌性、高韌性材料的行列（斷裂能超過1,000J/m2劃分為韌性材料）。在變形能力方面，UHPC可以在相對低的鋼纖維含量水平實現拉伸的表觀“應變硬化”行為，即單軸受拉經歷彈性階段，出現多微裂縫，纖維抗拉作用啟動；隨后拉應力上升，進入非彈性的應變硬化階段（類似鋼材的“屈服”）；達到開裂后最大拉應力（抗拉強度），出現個別裂縫在局部擴展，之后拉應力下降，進入軟化階段。鋼纖維強度得到有效利用，UHPC從而獲得很高的抗裂和抗沖擊能力。
UHPC最具吸引力的另一個性能是潛在的超高耐久性。從理論上和根據至今的試驗研究結果，基本上可以確定：UHPC沒有凍融循環、堿－骨料反應（AAR）和延遲鈣礬石生成（DEF）破壞的問題；在無裂縫狀態，UHPC的抗碳化、抗氯離子侵入、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學腐蝕、耐磨等耐久性能指標，與傳統高強高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有數量級或倍數的提高。UHPC具有非常好的微裂縫自愈能力。由于水膠比非常低，UHPC拌和水量僅能供部分水泥水化，絕大多數水泥顆粒的內部處于沒有水化狀態。因此，水或水汽進入UHPC的裂縫，暴露在裂縫表面的水泥顆粒未水化部分就會“繼續”水化；結合了外界水分的水化產物體積大于水泥孰料體積，多出來的體積能夠填堵裂縫。試驗和工程驗證表明，UHPC的裂縫自愈不僅能夠封閉微裂縫降低滲透性和保持良好耐久性，同時還起“膠結”裂縫作用，在一定程度上恢復混凝土因裂縫降低的力學性能。
本發明所使用的超高性能混凝土（UHPC），具備高變形與高抗裂能力、高抗拉強度、高韌性、高抗沖擊性能、高抗滲性、高耐久性和裂縫自愈性能；與混凝土、與鋼材的界面粘結強度也非常高，是理想的PCCPL管的防腐蝕保護材料；用其制作的保護層，工作壽命可達百年以上，是長效防腐蝕方法。
從骨料粒徑分類，UHPC也是砂漿或特種砂漿。可制備UHPC拌和物流變性與普通高強砂漿類似，直接使用現有裝備輥射、噴涂或抹漿制作保護層；利用UHPC優良的硬化性能保護PCCPL內部的預應力鋼絲、鋼筒、承插口鋼環等鋼材，以及混凝土內襯，是一種易實施、可靠、長效的防腐蝕方法，可大幅度提升PCCPL的耐久性和工作壽命。
現有技術的實現方案
預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）發生過早失效或耐久性不良，主要原因是PCCPL的預應力鋼絲和鋼筒銹蝕；也有少部分PCCPL早期失效是因為生產質量缺陷，使用不合格、不當等級或品種的鋼材，過度使用陰極保護（過度的附加電流，可能因析氫導致金屬韌性或延性降低，即“氫脆”）。現在，標準規范，如GB/T 19685-2005《預應力鋼筒混凝土管》，對PCCP生產質量、使用鋼材和砂漿保護層有明確的要求（抗裂性能要求將就了砂漿所能達到的性能）； GB 28725-2012《埋地預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》則規范、指導和提高PCCPL防腐蝕的陰極保護水平。但是，PCCPL的砂漿保護層仍然是其耐久性的薄弱環節。砂漿保護層自身開裂不可避免，且在運輸吊裝過程易損傷，抗氯離子侵入和抗化學腐蝕能力不足。在溫差大、干燥、干濕循環和腐蝕性環境（土壤或地下水較普遍存在硫酸鹽、氯鹽或酸性腐蝕），以及內外壓力作用下，砂漿有可能嚴重開裂和較快劣化，失去對預應力鋼絲、鋼筒等的保護作用。砂漿保護層失效，陰極保護的負荷將大幅度增大，乃至無法控制預應力鋼絲、鋼筒銹蝕的蔓延。
針對PCCPL砂漿保護層抗裂、抗腐蝕性能不能滿足要求，以及混凝土內襯抗化學腐蝕能力不足，也有一些專利提出改善措施，其中有：
·CN201220309638.X（表面有纖維抗裂砂漿保護層的內襯式預應力鋼筒混凝土管）：該實用新型方法依靠在砂漿中摻入聚丙烯纖維提高砂漿抗裂性能。
·CN201210162978.9（熱浸鋅與環氧煤瀝青防腐結合內襯式預應力鋼筒混凝土管）、CN201210220592.9（長壽命多層防腐處理的內襯式預應力鋼筒混凝土管）、CN201310190348.7（一種內壁具有環氧保護層的內襯式預應力鋼筒混凝土管）、CN201510603804.5（全防腐直飲水的內襯式預應力鋼筒混凝土管）、CN201510604002.6（長壽命全防腐的內襯式預應力鋼筒混凝土管）：這幾個發明方法，防腐蝕措施包括鋼筒和鋼絲鍍鋅、內襯不銹鋼鋼筒或PVC、內壁涂覆環氧涂層、管外壁涂覆環氧瀝青涂層、承口鋼環和插口鋼環涂覆防腐涂層或鋅鋁稀土涂層、砂漿保護層摻加聚丙烯纖維提高抗裂性能，等等，以及復合使用這些措施。
·CN201310187286.4（帶防腐層的PCCP電廠冷卻水鋼筒混凝土管及生產方法）：該發明方法在傳統的PCCP管道生產的最后一道噴漿工序的同時，采用刮平裝置將噴漿后的水泥砂漿表面刮平，同時后跟進的涂水泥濃漿的裝置將水泥漿涂與刮平后毛糙的管道表面，再后跟進的加壓抹平裝置將管道表面涂的水泥漿同時抹平，之后待管道完全干透后，在管道表面采用機械的方法涂覆環氧樹脂和纏繞玻璃纖維，同時采用機械方法刮抹平整，待涂覆的環氧樹脂玻璃纖維保護層固化后即為成品管。
·CN201310187303.4（帶環氧膠泥保護層的預應力鋼筒混凝土管及生產方法）：該發明方法在傳統的PCCP管道生產的最后一道噴漿工序的同時，采用刮平裝置將噴漿后的水泥砂漿表面刮平，同時后跟進的涂覆環氧樹脂的裝置將環氧樹脂涂與刮平后毛糙的管道表面，再后跟進環氧膠泥涂覆裝置將環氧膠泥涂覆與環氧樹脂表面并同時加壓抹平。
·CN201310187328.4（新型防滲PCCP預應力鋼筒混凝土管及生產方法）：該發明方法在傳統的PCCP管道生產的最后一道噴漿工序的同時，采用刮平裝置將噴漿后的水泥砂漿表面刮平，同時后跟進的涂水泥濃漿的裝置將水泥漿涂與刮平后毛糙的管道表面，再后跟進的加壓抹平裝置將管道表面涂的水泥漿同時抹平。
上述方法中，聚丙烯纖維只能提高砂漿硬化階段抗裂能力，即防止或減少砂漿塑性收縮裂縫；聚丙烯纖維并不能提高硬化砂漿的抗裂性能，因為其彈性模量太低，無法約束硬化砂漿的裂縫；此外，該方法沒有改善砂漿的抗滲性和抗腐蝕能力。砂漿保護層表面涂覆環氧樹脂玻璃纖維防腐層、環氧瀝青涂層等，能將砂漿與腐蝕環境隔絕；鋼筒與鋼絲鍍鋅、承插口鋼環涂覆防腐涂料等，能延緩銹蝕的發生。這些防腐蝕方法能否廣泛應用，取決于成本和防腐效果或性價比。
技術實現要素：
本實用新型的目的在于為內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）提供一種可靠、長效的防腐蝕方法。
本實用新型的技術方案為：一種長效防腐蝕內襯式預應力鋼筒混凝土管，內襯式預應力鋼筒混凝土管管體外側以及管道安裝后接頭溝槽鋼材的外露部分，包括鋼筒、預應力鋼絲、承口鋼環和插口鋼環上分別覆蓋有工廠制作超高性能混凝土外保護層和現場制作超高性能混凝土內、外保護層；管的混凝土內襯內壁上覆蓋有工廠制作的超高性能混凝土內保護層。
在鋼筒和預應力鋼絲外側的工廠制作超高性能混凝土外保護層厚度為20～50mm。
在管的混凝土內襯內壁的工廠制作超高性能混凝土內保護層厚度為15～30mm。
在管道接頭內溝槽填充現場制作超高性能混凝土內保護層，承口鋼環和插口鋼環外露部分上粘結覆蓋有現場制作超高性能混凝土內保護層。
在管道接頭外溝槽灌注和填充現場制作超高性能混凝土外保護層，插口鋼環和承口鋼環外露部分上粘結覆蓋有現場制作超高性能混凝土外保護層。
實施方法如下：
1、制備超高性能混凝土：粘聚型拌和物適合輥射、噴涂或抹漿設備制作保護層；管道安裝使用的超高性能混凝土拌和物，分為粘聚型和自密實型，其中自密實型用于接頭外溝槽底部的灌注。超高性能混凝土的硬化性能（標準養護28天）要達到：抗壓強度大于或等于120MPa，彈性抗拉強度（初裂拉應力）大于或等于6MPa，抗拉強度（極限拉應力）大于或等于7MPa，極限拉應變大于或等于1.0 ‰。
2、管的生產過程中，在鋼筒和預應力鋼絲外側制作20～50mm厚度的工廠制作超高性能混凝土外保護層粘結覆蓋；在混凝土內襯內壁制作15～30mm厚度的工廠制作超高性能混凝土內保護層；蒸汽養護或常溫保濕養護。
3、管道安裝就位后，在管道接頭內溝槽填充粘聚型超高性能混凝土，形成現場制作超高性能混凝土內保護層，完成粘結覆蓋承口鋼環和插口鋼環外露部分，常溫保濕養護。
4、在管道接頭外溝槽底部灌注超高性能混凝土拌和物，接頭外溝槽側面和頂部填充粘聚型超高性能混凝土拌和物，形成現場制作超高性能混凝土外保護層，完成粘結覆蓋插口鋼環和承口鋼環外露部分，常溫保濕養護。
本實用新型的優點在于：所制備UHPC拌和物流變性與普通砂漿類似，可直接使用現有裝備輥射、噴涂或抹漿制作保護層；所使用超高性能混凝土（UHPC）具備優異的物理力學性能，包括高變形與高抗裂能力、高抗拉強度、高粘結強度、高韌性、高抗沖擊能力，以及高抗滲性能、高抗化學腐蝕性能和高抗凍融性能——超高耐久性，為內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）提供可靠、長效的防腐蝕保護，大幅度提高這類管道的耐久性和可靠性，保障使用該管材鋪設的管道實現所期望的長工作壽命（75～100年）。
本實用新型則提供了一種全新的技術方案，用UHPC替代傳統砂漿，所使用的UHPC具備優良力學性能和耐久性，能長期可靠地保護PCCPL內部的預應力鋼絲、鋼筒、承口鋼環和插口鋼環不銹蝕，以及防護混凝土內襯免受化學腐蝕。
該技術方案的易實施性和可靠性優勢體現在：1、可制備UHPC拌和物流變性與普通砂漿類似，便于在工廠直接使用現有裝備輥射、噴涂或抹漿制作內外保護層，無需改變現有生產工藝；同時，可以在管道安裝現場制備自密實和粘聚型UHPC拌和物，便于灌注和填充管道接頭溝槽，粘結覆蓋和保護承口鋼環和插口鋼環外露部分。2、UHPC拌和物具有高粘聚性，易粘結在混凝土、鋼絲、鋼筒和鋼環表面，可提高工廠保護層制作效率，以及提高管道安裝現場接頭溝槽填充制作保護層的效率。3、硬化UHPC與混凝土、鋼筒、鋼絲和鋼環之間的界面粘結強度，遠遠高于普通混凝土、砂漿所能達到的與混凝土、鋼材之間的界面粘結強度，易于避免出現空鼓等缺陷。4、本發明所使用的含微細鋼纖維UHPC，具備高變形與高抗裂能力、高抗拉強度和高抗沖擊能力，能夠保證PCCPL保護層在各種力學荷載（管道運輸吊裝碰撞、內外壓力作用）和環境荷載（干濕循環、溫度變化）作用下的整體性。5、UHPC具有高密實度、高抗滲性、高抗腐蝕能力和高抗凍融性能，UHPC本身是目前所有工程材料中耐久性最好的材料（自然環境中工作壽命百年以上，日本規范認為UHPC結構工作壽命100年），因此可為預應力鋼絲、鋼筒和承插口鋼環以及混凝土內襯提供長期可靠的保護。6、采用UHPC保護層技術方案，面對鹽堿地或地下水化學腐蝕，不再需要在管身做防腐涂層，成本相對較低。UHPC保護層與陰極保護技術相容，陰極保護可作為備用措施。7、UHPC保護層綜合性能好、可靠性高，可為PCCPL預應力鋼絲、鋼筒和承插口鋼環以及混凝土內襯提供長效防腐蝕保護，顯著降低管線運行維護維修費用，成就百年工程。8、本發明解決了PCCPL保護層抗裂設計、校核方法的假設與砂漿材料性能不一致的難題，從根源上消除了PCCPL設計的耐久性缺陷。
附圖說明
圖 1 為本實用新型長效防腐蝕內襯式預應力鋼筒混凝土管結構示意圖。
1-鋼筒；2-預應力鋼絲；3-承口鋼環；4-插口鋼環；5-工廠制作超高性能混凝土外保護層；6-1-現場制作超高性能混凝土內保護層；6-2-現場制作超高性能混凝土外保護層；7-混凝土內襯；8-橡膠圈；9-工廠制作超高性能混凝土內保護層。
具體實施方式
內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）鋼筒、預應力鋼絲、部分承口鋼環和部分插口鋼環的工廠制作超高性能混凝土外保護層5和工廠制作超高性能混凝土內保護層9，在工廠制作完成。管道安裝就位后，接頭處承口鋼環和插口鋼環外露部分的現場制作超高性能混凝土內保護層6-1與現場制作超高性能混凝土外保護層6-2，在管道安裝現場制作完成。具體步驟如下：
1、在工廠制備粘聚型超高性能混凝土：新拌拌和物坍落度為30~100mm，適合機械輥射、噴涂或抹漿制作保護層。超高性能混凝土的硬化性能（標準養護28天）要達到：抗壓強度大于或等于120MPa（100mm立方試件），彈性抗拉強度大于或等于6MPa（30mm厚度板試件），抗拉強度大于或等于7MPa，極限拉應變大于或等于1.0 ‰。
2、PCCPL的生產過程中，在鋼筒1和預應力鋼絲2外側制作20～50mm厚度的工廠制作超高性能混凝土外保護層5；在混凝土內襯7內壁制作15～30mm厚度的工廠制作超高性能混凝土內保護層9；蒸汽養護（90℃恒溫48小時，升、降溫速率不超過15℃/h）或常溫保濕養護至少7天。
3、在管道安裝現場，制備自密實型和粘聚型超高性能混凝土，其中自密實型用于管道接頭外溝槽底部的灌注。超高性能混凝土的硬化性能要求同上。
4、管道安裝就位后，在管道接頭內溝槽填充粘聚型超高性能混凝土，形成現場制作超高性能混凝土內保護層6-1，完成粘結覆蓋承口鋼環3和插口鋼環4外露部分，常溫保濕養護至少7天。
5、在管道接頭外溝槽底部灌注自密實超高性能混凝土，接頭外溝槽側面和頂部填充粘聚型超高性能混凝土拌和物，形成現場制作超高性能混凝土外保護層6-2，完成粘結覆蓋插口鋼環4和承口鋼環3外露部分，常溫保濕養護至少7天。