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)計研究總院（集團）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，對社會環(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（以下簡稱“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，見圖1。但以往研究缺乏對內(nèi)襯HDPE 鋼筋混凝土管應(yīng)用于實際工程的研究且暫無相關(guān)工程標準參考。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，本文進行HDPE 內(nèi)襯材料的檢測、復(fù)合管性能試驗的相關(guān)研究。

圖1 HDPE 板材斷面示意圖

1 HDP E 內(nèi)襯材料檢測

HDPE 內(nèi)襯材料檢測選取了3 個廠家的HDPE材料進行檢測，分別為A 材料、B 材料、C 材料。HDPE內(nèi)襯采用錨固鍵機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)過和混凝土共同蒸養(yǎng)的步驟，所以本次試驗也檢測了每種材料未蒸養(yǎng)和經(jīng)蒸養(yǎng)（100℃；12 h）后的性能。

檢測項目包括耐化學(xué)試劑性能試驗、密度測定試驗、斷裂拉伸強度及拉斷伸長率測定試驗、彎曲彈性模量測定試驗、硬度（邵氏硬度）測定試驗、吸水率測定試驗、氧化誘導(dǎo)時間測定試驗、熱空氣老化試驗、耐堿性測定試驗、燃燒性能等級測定試驗、氣體通過性試驗和滾動磨損試驗。

分析檢測結(jié)果顯示，蒸養(yǎng)過程對材料化學(xué)性能和物理性能指標影響不明顯。根據(jù)本次檢測結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有HDPE 相關(guān)材料標準，提出HDPE 內(nèi)襯材料的耐化學(xué)試劑性能和物理性能指標要求，分別見表1、表2。

表1 HDPE 板材耐化學(xué)試劑性能指標

表2 HDPE 板材物理性能指標

2 內(nèi)襯HDP E 鋼筋混凝土管試驗

2.1 表面抗拔試驗

2.1.1試驗方法

通過表面抗拔試驗，獲得HDPE 內(nèi)襯與鋼筋混凝土管之間的黏結(jié)強度。試驗在管節(jié)的HDPE 內(nèi)襯包含5 個固定鍵的面積做表面抗拔試驗，示意圖見圖2。試驗拉拔環(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 表面抗拔試驗示意圖

試驗采用分級加荷，前兩級按最大試驗荷載值的30% 級差加荷至60%，每次靜停1 min。之后按最大試驗荷載值的20% 級差加載至80%，每次靜停1 min。最后按最大試驗荷載值的10% 級差加載至100%，每次靜停1 min。若仍未破壞，繼續(xù)按最大試驗荷載值的10% 級差加載至試驗塊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試驗結(jié)果與分析

試驗共進行了2 節(jié)管節(jié)6 處試點，試驗見圖3，試驗結(jié)果見表3。

圖3 錨固鍵從混凝土中拔出

表3 表面抗拔試驗結(jié)果

根據(jù)拉拔試驗過程和結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）表面抗拔試驗的破壞模式都是錨固鍵從混凝土中拔出。

（2）單個錨固鍵的錨固強度標準值可以達到1.13 kN。

2.2 三邊支承法外壓荷載試驗

2.2.1試驗方法

通過三邊支承法外壓荷載試驗，測定內(nèi)襯管節(jié)的裂縫荷載與破壞荷載，并觀測管節(jié)損壞形態(tài)，驗證內(nèi)襯管節(jié)的荷載能否滿足規(guī)范要求。試驗參考標準《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》（GB/T 16752—2017）。

試驗按每分鐘不大于5kN/m 的加載速度均勻加載，每級加載量為裂縫荷載的20%，恒壓1m in，逐級加載至裂縫荷載的80% 時，觀察管節(jié)外側(cè)或端部頂、底內(nèi)側(cè)有無裂縫。若裂縫寬度較小或無裂縫，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試驗結(jié)果與分析

本次試驗一共進行了4 次三邊支承法外壓荷載試驗。試驗見圖4。試驗結(jié)果見表4。

表4 三邊支承法外壓荷載試驗結(jié)果 單位：kN/m

圖4 三邊支承法外壓荷載試驗

根據(jù)計算，試驗管節(jié)A 的裂縫荷載為298 kN/m，破壞荷載為447 kN/m；試驗管節(jié)C 的裂縫荷載為248 kN/m，破壞荷載為372 kN/m。由試驗結(jié)果可以看出，試驗得到的裂縫荷載和破壞荷載均大于理論計算。HDPE 材料的抗拉彈性模量遠小于混凝土且管節(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)的外壓荷載試驗的結(jié)果。從試驗結(jié)果也可以看出，HDPE 內(nèi)襯錨固鍵的錨入也沒有對混凝土管節(jié)的外壓荷載產(chǎn)生較大影響。因此，HDPE 內(nèi)襯厚度可以計入混凝土保護層厚度。

2.3 內(nèi)襯抗外水壓試驗

2.3.1試驗方法

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

試驗通過管節(jié)鋼筋混凝土外壁預(yù)埋DN 10 鋼管試壓管，模擬管節(jié)開裂漏水，定位和試壓管埋設(shè)見圖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

抗外水壓試驗過程中對通水處附近的200 mm×200 mm 范圍內(nèi)襯材料進行位移測量，每處試驗共測9 個點位移。位移計布置詳見圖7。

圖7 位移計布置圖（單位：mm）

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

2.3.2試驗結(jié)果與分析

本次試驗一共對4 節(jié)管節(jié)24 個測點進行了抗外水壓試驗，見圖8。

圖8 內(nèi)襯抗外水壓試驗

試驗最大水壓只能達到0.1～0.42 MPa，測點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，水在較低的壓力時沿內(nèi)襯與混凝土之間的間隙流出管節(jié)，之后水壓無法繼續(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，可見到HDPE 內(nèi)襯與混凝土基本沒有黏結(jié)力，外水壓可輕易滲透進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，不會導(dǎo)致內(nèi)襯材料損壞。

3 結(jié)論

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

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

（2）表面抗拔試驗的破壞模式都是錨固鍵從混凝土中拔出，并且單個錨固鍵的錨固強度標準值可以達到1.13 kN。

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

（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，外水壓力不會導(dǎo)致內(nèi)襯材料損壞。