防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管
技术领域
本实用新型涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管。
背景技术
预应力钢筒混凝土管(PrestressedConcreteCylinderPipe)，简称PCCP，是一种耐高压、较耐腐蚀、防渗性能较好的大口径复合管材，在国际上常作为大型水利项目中的输水管道使用。PCCP的结构组成主要包括五部分：钢筒、混凝土管芯、预应力钢丝、水泥砂浆保护层以及承插口接头。其中，混凝土管芯为PCCP的主体部分，成型后其内表面比较光滑，便于水通过，同时也承受来自内部水体和外部环境(土壤、液体和蒸汽等)的压力。管芯一般采用高强混凝土(强度等级≥C60)进行浇筑；埋置于或外包于混凝土的钢筒主要起抗渗作用，其厚度较薄，约为1-3mm，可为结构提供一定的侧向刚度和纵向抗拉强度；预应力钢丝通过差速缠丝技术以一定的拉应力螺旋缠绕在混凝土管芯上，张拉过的预应力钢丝会对混凝土管芯形成挤压，从而形成预压应力，以此补偿管道内压力和外荷载所引起的拉应力。如遇压力差增大部位，在不改变混凝土管芯尺寸结构的前提下，可通过调整预应力钢丝直径、缠绕时拉应力水平以及缠绕密度达到不同承载能力要求，以满足不同地质情况；在缠绕预应力钢丝的同时喷射水泥净浆对其进行包裹，之后再辊射水泥砂浆保护层，以此保护混凝土管芯和预应力钢丝免受外界物理破坏和化学腐蚀。
相关研究表明，与其他暴露在大气中的混凝土结构不同，PCCP主要的服役环境为土壤环境，与大气中的二氧化碳接触有限，因此混凝土管芯发生碳化的程度和危害都较普通混凝土小。但PCCP作为流体运输管道，其结构稳定性和耐久性受液体环境影响较大，尤其流体中含有腐蚀性介质时对PCCP的性能危害更大。因此PCCP爆管的主要原因是预应力钢丝腐蚀甚至断裂。传统PCCP采用的高强混凝土虽然强度较高，但由于使用的原材料中含有粗骨料，导致其内部结构致密程度不足，并且存在较多连通孔隙，因此对腐蚀性介质(包括氯盐、硫酸盐和酸等)的抵抗能力不足，流体中含有的氯盐、硫酸盐和酸等腐蚀性介质等对预应力钢丝造成一定腐蚀甚至导致其断裂。另外，PCCP虽然有预应力钢丝缠绕，但由于高强混凝土具有高脆性的特点，导致其在管道内压力变化时会产生微裂纹，流体中含有的腐蚀性介质会通过微裂纹渗透到混凝土内部，随着管道内或外部环境荷载的变化，微裂纹会进一步扩展至钢筒和预应力钢丝的表面，导致二者发生锈蚀甚至断裂。正是上述两种主要原因导致管道承载能力不足，在压力波动较大时发生炸裂。PCCP存在的上述问题不仅对使用PCCP的工程进度造成了严重的影响，威胁着工程的安全性和耐久性，而且后续的修补和加固工程耗费了大量的人力物力和财力。同时也对PCCP在土木工程领域的使用范围造成了一定阻碍。因此，为了使建设的水利工程进度更快，质量更高，同时挖掘其使用价值，对其使用范围进行拓展，对传统PCCP改进重要性和紧急性日渐凸显。
实用新型内容
为解决以上技术问题，本实用新型提供一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管，具有优异的力学性能和耐久性能，拓展了在土木工程领域的应用。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型提供一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管，包括内层UHPC管芯、钢筒、外层UHPC管芯、预应力钢丝和UHPC砂浆保护层，所述内层UHPC管芯、所述钢筒、所述外层UHPC管芯和所述UHPC砂浆保护层由内至外依次设置，所述预应力钢丝缠绕于所述外层UHPC管芯外表面。
优选地，所述内层UHPC管芯、所述钢筒、所述外层UHPC管芯和所述UHPC砂浆保护层均为圆管状。
优选地，所述内层UHPC管芯、所述钢筒、所述外层UHPC管芯和所述UHPC砂浆保护层的高度相同。
优选地，所述UHPC砂浆保护层的外径为300-500mm，所述内层UHPC管芯的内径为240-400mm。
优选地，所述钢筒的厚度为5-20mm，所述内层UHPC管芯的厚度为20-40mm，所述外层UHPC管芯的厚度为20-40mm，所述UHPC砂浆保护层的厚度为10-20mm，所述内层UHPC管芯、所述钢筒、所述外层UHPC管芯和所述UHPC砂浆保护层的高度均为600-1000mm。
优选地，所述预应力钢丝的直径为5-9mm，相邻的两圈所述预应力钢丝的净距不小于所述预应力钢丝的直径，相邻的两圈所述预应力钢丝的间距不超过38mm。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
本实用新型提供的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管，包括内层UHPC管芯、钢筒、外层UHPC管芯、预应力钢丝和UHPC砂浆保护层，内层UHPC管芯、钢筒、外层UHPC管芯和UHPC砂浆保护层由内至外依次设置，预应力钢丝缠绕于外层UHPC管芯外表面。使用UHPC替代高强混凝土生产出的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管具有比PCCP更加优异的力学性能和耐久性能，打破了PCCP在土木工程领域只用作输水管道的限制，其优异性能极大拓展了此种管道在土木工程领域的应用，不仅可用作腐蚀环境下建筑物或构筑物柱体防护材料，而且在作为含有腐蚀性介质流体输送管道、基础设施工程中的土层隧道、岩石隧道和水下隧道管片等使用均具有可观的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管剖面结构示意图；
图2为本实用新型提供的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管横截面结构示意图。
附图标记说明：1、内层UHPC管芯；2、钢筒；3、外层UHPC管芯；4、预应力钢丝；5、UHPC砂浆保护层；6、普通混凝土。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管，具有优异的力学性能和耐久性能，拓展了在土木工程领域的应用。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1-图2所示，一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管，包括内层UHPC管芯1、钢筒2、外层UHPC管芯3、预应力钢丝4和UHPC砂浆保护层5，内层UHPC管芯1、钢筒2、外层UHPC管芯3和UHPC砂浆保护层5由内至外依次设置，预应力钢丝4缠绕于外层UHPC管芯3外表面。
与传统的PCCP相比，本实施例中的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管采用超高性能混凝土(Ultra-highPerformanceConcrete，简称UHPC，强度等级≥150Mpa)，其中，UHPC一般需掺入钢纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-HighPerformanceFibreReinforcedConcrete，简称UHPFRC)。UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征，成为实现水泥基材料性能大跨越的新体系。UHPC的突出特点是从混凝土和钢的两方面提高钢纤维在混凝土中利用的效率，可显著改善传统钢筋混凝土的不足，不同于传统意义的高强混凝土和钢筋混凝土，也不同于传统钢纤维增强混凝土，也不是原来“高性能混凝土(HPC)”的高强化改性，在本质上是钢纤维和混凝土耦合作用的新工作模式。相关研究表明，在高强混凝土中，最容易受到腐蚀的水泥水化产物氢氧化钙，在UHPC内几乎全部与硅灰反应转化为硅酸钙凝胶填充UHPC的堆积骨架，因此UHPC的骨架堆积非常紧密。与高强混凝土相比较，UHPC孔隙率非常低，对气体和液体的抗渗透性能优异，在寒冷的服役环境下，不需要掺加引气剂即能绝对抗冻。同时UHPC抗腐蚀性能(包括氯盐、硫酸盐和酸腐蚀)性能优良。可见，本实施例中的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管具有比PCCP更加优异的力学性能和耐久性能，基于上述优点，UHPC的使用解除了传统PCCP管道仅用于输水管道的限制，极大拓展了其在土木工程领域的应用，可作为腐蚀环境下建筑物或构筑物柱体防护材料、含有腐蚀性介质流体输送管道、基础设施工程中的土层隧道、岩石隧道和水下隧道管片等使用。
具体地，由于UHPC致密的结构以及基本不存在不良水化产物氢氧化钙，内部流体或者外部环境含有的腐蚀性介质无法与其发生反应，防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管材料内部的碱性环境依然稳定存在，因此钢筒2和预应力钢丝4表面的钝化膜不会遭到破坏从而导致锈蚀或断裂。与传统PCCP目前基本只能用于输水管道相比，防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管可作为输送饮用水、含有腐蚀性介质的酸性液体、海水、工业废水甚至石油和天然气的管道使用。对于管道在某些部位的出现的多管连接或需满足某段设计曲率半径的要求，可根据工程实际情况选择各种管道配件、异型管、短管和斜口管等。
在沿海地区和内河航道地区建有数量众多的港口和跨海跨江桥梁，其中很多港口和桥梁的水下支撑柱体都因为碳化、腐蚀性离子侵蚀以及电化学反应等造成柱体表面开裂、混凝土剥落以及钢筋锈蚀等一系列问题，这不仅无法保证结构的安全性和耐久性，而且时刻威胁着使用人员的生命安全。再者，每年都需要投入大量的资金对问题部位进行修补加固，严重浪费了人力物力和财力资源。与高强混凝土相比，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，与传统高强和高性能混凝土相比，均有数量级或倍数的提高。同时，一般的港口和桥梁在设计之初必须考虑结构的抗震性，而UHPC中短钢纤维的加入，使得防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管的韧性大大提高，因此防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管不仅可以作为支撑柱体的防护材料，还满足了抗震性要求。再者，一方面，由于防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管优异的耐冲击和耐久性能，可用作近海码头、桥梁的水下支撑柱体防护材料使用。此外，在本实施例中的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管内部浇筑普通混凝土6做成的防冲磨耐蚀组合柱还可在易发生泥石流等自然灾害的山区使用。另一方面，在新建的港口和桥梁过程中，本实施例中的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管可兼做防护材料和模板使用，此举不仅实现了柱体防护，而且大大节省了模板的费用，在降低了工程造价和施工管理成本的同时，还拓展了防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管在土木工程领域的应用范围。
除了拓展了其用途，与PCCP相比，因为UHPC中含有大量的钢纤维，防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管弥补了PCCP使用高强混凝土导致的混凝土管芯具有高脆性的缺点，大大提高了UHPC管芯在压力变动情况下的吸能能力，降低了UHPC管芯出现微裂缝的几率。再者，在无裂缝状态，UHPC的气体、液体渗透性非常低。即使在高应变和微裂缝状态下，UHPC的渗透性也能够保持在较低水平。除此之外，防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管还具有较强的自修复功能。用于生产内层UHPC管芯1、外层UHPC管芯3和UHPC砂浆保护层5的UHPC采用的水胶比(一般＜0.25)非常低，因此其体系内部存在大量未水化的水泥颗粒，一旦因为管道内部或外部环境荷载波动过大产生微裂缝，管道内流体或者外部环境中含有的水分可通过微裂缝渗入UHPC内部，从而促进未水化的水泥颗粒二次水化形成硅酸钙凝胶填补微裂缝，防止其进一步扩展从而对钢筒2和预应力钢丝4造成腐蚀。
具体地，内层UHPC管芯1、钢筒2、外层UHPC管芯3和UHPC砂浆保护层5均为圆管状。内层UHPC管芯1、钢筒2、外层UHPC管芯3和UHPC砂浆保护层5的高度相同。
于本具体实施例中，UHPC砂浆保护层5的外径D为300-500mm，内层UHPC管芯1的内径d为240-400mm。钢筒2的厚度ts为5-20mm，内层UHPC管芯1的厚度t1为20-40mm，外层UHPC管芯3的厚度t2为20-40mm，UHPC砂浆保护层5的厚度为10-20mm，内层UHPC管芯1、钢筒2、外层UHPC管芯3和UHPC砂浆保护层5的高度H均为600-1000mm。具体地，以上参数可根据防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管的用途及使用场景的荷载做出相应的调整。
于本具体实施例中，预应力钢丝4的直径为5-9mm，相邻的两圈预应力钢丝4的净距不小于预应力钢丝4的直径，相邻的两圈预应力钢丝4的间距不超过38mm。
具体地，可通过调整防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管的设计参数满足不同工程的实际需求。对于不同水文地质情况和承载力，可对防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管的管径、预应力钢丝4的直径、缠绕时拉应力水平以及缠绕密度等作出调整从而达到工程实际需要。因此防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管可作为基础设施工程中的土层隧道、岩石隧道和水下隧道的管片使用。
本实施例还提供一种防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制作钢筒2，根据工程实际需要和设计要求将钢板卷成筒状并一次焊接成型，经打压试验无渗漏点后方可进行下一步生产；
步骤二、在钢筒2制作完成并将钢筒2放入模具后，使用高速离心技术将内层UHPC砂浆浇筑成型形成内层UHPC管芯1；
步骤三、将含有钢筒2的内层UHPC管芯1放置在模具中开始浇筑外层UHPC管芯3，经强力振捣后形成内层UHPC管芯1和外层UHPC管芯3中间包裹钢筒2的组合UHPC管芯；
步骤四、先将组合UHPC管芯放置在缠丝机工作台上，再将预应力钢丝4螺旋缠绕于外层UHPC管芯3上；
具体地，采用差速缠丝使钢丝产生预应力，按照GB/T19685中要求，缠绕时使得相邻的两圈预应力钢丝4的净距不小于预应力钢丝4的直径，相邻的两圈预应力钢丝4的间距不超过38mm。缠绕预应力钢丝4的拉应力水平按照GB/T19685-2005中的要求，要求如下：第一、当UHPC强度达到设计强度的70％时开始环向缠绕预应力钢丝4，缠丝时在管芯混凝土中建立的初始压应力不应超过缠丝时混凝土抗压强度的55％，缠丝时外层UHPC管芯3表面温度不得低于2℃；第二、在缠丝操作之前，外层UHPC管芯3外表面直径或深度超过10mm的孔洞以及高于3mm的混凝土棱角都必须进行修补和清理；第三、缠丝时预应力钢丝4在设计要求的张拉控制应力下按设计要求的螺距呈螺旋形缠绕在外层UHPC管芯3上，钢丝的起始端应牢固固定，外层UHPC管芯3两端的锚固装置所能承受的抗拉力至少应为钢丝极限抗拉强度的75％，外层UHPC管芯3任意0.6m管长的环向预应力钢丝4的圈数不应低于设计要求，所用的预应力钢丝4表面不得出现鳞锈和点蚀；第四、缠丝过程中如需进行钢丝搭接，则钢丝接头所能承受的拉力至少应达到钢丝的最小极限强度且不得进行密缠，缠丝机应具备可以连续记录钢丝张拉应力的应力显示装置或应力记录装置，缠丝过程中张拉应力偏离平均值的波动范围不应超过±10％。
步骤五、在步骤四缠绕预应力钢丝4过程中需同时使用高速辊射技术喷射UHPC砂浆保护层5，当UHPC砂浆保护层5厚度达到设计要求后结束喷浆，进行养护。
当本实施例中的防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管用作腐蚀环境下建筑物或构筑物柱体防护材料时，将防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管运到施工现场安装好之后，按照传统混凝土浇筑施工方法在防冲磨耐腐蚀预应力钢筒UHPC组合管内部浇筑普通混凝土6。
本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
