混凝土管材性能缺陷簡析及應(yīng)用UHPC技術(shù)解決的思考

粟麗萍 趙瓊芳 闕小平

四川國統(tǒng)混凝土制品有限公司 成都610509

引言

混凝土管是我國給、排水管網(wǎng)中使用最廣泛的管材之一。市政排水管網(wǎng)中，大量采用鋼筋混凝土管（RCP、DRCP），在壓力輸水管網(wǎng)中，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是使用最多的主管管材之一。相比鋼管、球墨鑄鐵管、塑料管等其他材質(zhì)的管材，混凝土管管體環(huán)向剛度好，能充分利用混凝土和鋼材的性能優(yōu)點(diǎn)，且在中等以下腐蝕環(huán)境中有較好的耐久性能。但是，近年來混凝土管材在工程應(yīng)用中受到了不少質(zhì)疑，主要體現(xiàn)在耐腐蝕能力不足、管材滲漏嚴(yán)重及管重過大。

超高性能混凝土（UHPC）材料及相關(guān)技術(shù)的工程應(yīng)用是混凝土技術(shù)發(fā)展中一項(xiàng)革命性的進(jìn)步，其采用最緊密堆積理論進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采用了消除混凝土界面過渡區(qū)技術(shù)，應(yīng)用高性能外加劑、超細(xì)粉摻合料、超低水膠比等措施，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超普通混凝土的超高強(qiáng)、超高耐腐蝕、超高韌性、超低滲透性等優(yōu)異特點(diǎn)，具有巨大的工程應(yīng)用潛力。近幾年UHPC技術(shù)已在我國的鐵路工程、交通橋梁、建筑、市政等行業(yè)實(shí)現(xiàn)了較廣泛的應(yīng)用，在混凝土管生產(chǎn)中也有應(yīng)用的案例，但并未形成市場規(guī)模。

本文旨在針對混凝土管的前述問題，分析UHPC技術(shù)在混凝土管材生產(chǎn)中應(yīng)用的性能優(yōu)勢及經(jīng)濟(jì)性對比，以期為實(shí)現(xiàn)混凝土管材的性能提升、消除短板提供一種可行的思路。

1 混凝土管常見的主要性能短板

1.1 耐腐蝕性能問題

基于當(dāng)下的混凝土管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝水平，大多數(shù)管用混凝土強(qiáng)度處于C40～C60 之間，且在耐久性方面并未進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。大量工程實(shí)例證明，在污水管網(wǎng)、露天鋪設(shè)管道、腐蝕性水土環(huán)境中服役的混凝土管材存在較為明顯的腐蝕現(xiàn)象（圖1 所示），對壓力管來說，是以PCCP 為主的產(chǎn)品砂漿保護(hù)層的耐腐蝕性能問題；對無壓管來說，是以市政排水管為主的混凝土管材在污水環(huán)境中的耐腐蝕性能問題。

圖1 受腐蝕的混凝土管Fig.1 Corroded concrete pipe

混凝土管的腐蝕原因和類型不同，但從管材自身角度來看，混凝土材料的多孔、硬脆、能與腐蝕因子發(fā)生作用的組份過多等特點(diǎn)為腐蝕因子提供了進(jìn)入材料內(nèi)部并發(fā)生作用的條件。因此，有必要對管用混凝土作如下改性：提高密實(shí)度、改善抗拉和韌性、減少易與腐蝕因子作用的組份或加入抑制腐蝕的組份。

1.2 管網(wǎng)滲漏問題

混凝土壓力管所用管材大多為PCCP 管，其水密性和承壓能力均較強(qiáng)，一般不存在滲漏問題?；炷凉艿臐B漏問題主要發(fā)生在無壓管中，包括管體滲漏和接頭滲漏，究其原因，除了施工質(zhì)量差導(dǎo)致的管體局部破損、不均勻沉降、接頭密封不合格外，還有以下兩點(diǎn)需要正視：

1.現(xiàn)行鋼筋混凝土管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11836—2009［1］的部分技術(shù)指標(biāo)已不能滿足工程實(shí)際需要。如：標(biāo)準(zhǔn)中對產(chǎn)品及接口的抗?jié)B和密封壓力規(guī)定為0.1MPa，實(shí)際上近年來國內(nèi)城市頻繁發(fā)生的內(nèi)澇問題顯示，城市排水管網(wǎng)在雨季大概率會承受大于0.1MPa 的內(nèi)水壓力，高于管材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)；標(biāo)準(zhǔn)中列出的絕大部分管材接口不具備接頭密封檢驗(yàn)功能，施工時(shí)無法及時(shí)進(jìn)行接頭密封性檢驗(yàn)，帶來管子接頭密封質(zhì)量陷患。

2.鋼筋混凝土管生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展重效率而輕質(zhì)量。多年來鋼筋混凝土管成型工藝設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用更看重生產(chǎn)效率指標(biāo)，對產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注只限于外觀和混凝土強(qiáng)度，忽略了管體抗?jié)B性能和接口精度等要求。特別是采用干硬性混凝土的工藝（如芯模振動工藝）更容易存在管體抗?jié)B性能不足、接口尺寸粗糙的問題，有此類質(zhì)量隱患的管材在使用中普遍存在管體和接口滲漏問題。

1.3 管體自重問題

根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)，鋼筋混凝土管（RCP、DRCP）的管壁厚度多為公稱內(nèi)徑的1／10；PCCP雖為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，但根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況，其管壁總厚度大多在公稱內(nèi)徑的1／12～1／10 之間［2］；基于以上參數(shù)，大口徑混凝土管自重過大的確是工程應(yīng)用中不能忽視的一個(gè)因素。常用的大口徑混凝土管材自重、汽車運(yùn)力及安裝用吊車噸位等相關(guān)參數(shù)見表1。大口徑混凝土管自重過大，除了提高生產(chǎn)設(shè)備配置成本外，還面臨運(yùn)輸車輛的裝載能力、超重限制問題，以及大型吊裝設(shè)備的配置和成本問題。在山地丘陵區(qū)域的工程，混凝土管應(yīng)用受限的主要原因之一就是自重過大帶來的運(yùn)輸和安裝施工不便。

表1 大口徑混凝土管相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of large diameter concrete pipes

2 UHPC技術(shù)在混凝土給、排水管中應(yīng)用的思考

超高性能混凝土（UHPC）在力學(xué)性能和耐久性能方面與普通混凝土相比具有巨大優(yōu)勢，使其在工程建設(shè)各行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，并且已在建筑、交通、市政等工程應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的角色。本節(jié)針對混凝土給、排水管材的性能短板，提出應(yīng)用UHPC技術(shù)解決的可能性。

2.1 UHPC的主要性能特點(diǎn)簡介

UHPC是基于最緊密堆積理論的配合比設(shè)計(jì)，采用超細(xì)粉體和消除“界面過渡區(qū)”等技術(shù)配置而成的，具有超高強(qiáng)度和超高耐久性能的新型水泥基復(fù)合材料。其主要性能特點(diǎn)包括：（1）超高強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度在100MPa 以上，工程應(yīng)用的強(qiáng)度一般在C100～C180 之間［3］，是混凝土管用普通混凝土的2～5 倍；（2）超強(qiáng)耐腐蝕性能，氯離子滲透系數(shù)小于0.2 ×10-12m2／s［4］，比普通混凝土低2 個(gè)數(shù)量級；其吸水率小于2%，是普通混凝土或砂漿的1／3～1／5；抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)遠(yuǎn)大于KS150 級；（3）超強(qiáng)耐沖磨性，耐沖磨性能是普通混凝土的數(shù)十倍；（4）超強(qiáng)抗?jié)B性，抗?jié)B等級均大于P12，已超出普通混凝土滲透系數(shù)最高等級值；（5）超強(qiáng)抗拉性能，抗拉強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)普通混凝土的幾倍至幾十倍，且開裂后仍能保持類似韌性材料的繼續(xù)承載（應(yīng)變硬化特性）［5］。

2.2 UHPC在混凝土管中應(yīng)用的性能和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢

1.大幅提高耐腐蝕能力

混凝土管道的腐蝕類型主要有：污水管道中以硫酸鹽為主的腐蝕，埋地管道管周水土以氯離子、硫酸根離子為主的腐蝕，露天管道的碳化、風(fēng)化類腐蝕，具體分析如下。

（1）根據(jù)筆者試驗(yàn)，不同混凝土材料的氯離子滲透系數(shù)DRCM值及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不同腐蝕環(huán)境等級下DRCM指標(biāo)限值見表2 所示。由表2 可知，即使是C100“入門”級UHPC 材料，其抗氯離子滲透指標(biāo)DRCM也為C50 級普通混凝土的50余倍，是PCCP保護(hù)層砂漿的87 倍，擁有極強(qiáng)的抗離子滲透性能。實(shí)際上，UHPC 經(jīng)耐腐蝕強(qiáng)化設(shè)計(jì)后DRCM指標(biāo)可以小于0.02 ×10-12m2／s，比滿足E級腐蝕下耐久年限100 年的普通耐腐蝕混凝土（DRCM≤4 ×10-12m2／s）性能提高了2 個(gè)數(shù)量級。也就是說，采用UHPC作為混凝土管管體材料，即便在非常嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，其使用壽命也遠(yuǎn)大于100 年，無需其他附加防腐蝕措施。

表2 混凝土氯離子滲透系數(shù)DRCM指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of DRCM indicators for chloride ion permeability coefficient of concrete

（2）UHPC 的抗硫酸鹽腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。根據(jù)黃有強(qiáng)［6］等人的研究，UHPC 在5%濃度硫酸鈉溶液（相當(dāng)于V-E級環(huán)境的硫酸鹽濃度）中的耐腐蝕表現(xiàn)為：分別經(jīng)過1000 次凍融循環(huán)、150 次干濕循環(huán)、400 次凍融循環(huán)+120 次干濕循環(huán)后進(jìn)行耐硫酸鹽試驗(yàn)，試驗(yàn)后的試塊表面均完好，試塊質(zhì)量損失率均小于1%。在抗碳化、耐其他化學(xué)腐蝕等方面的性能與普通混凝土相比，有數(shù)量級或倍數(shù)的提高，幾乎不存在凍融破壞［7］、堿-骨料反應(yīng)破壞問題。由于UHPC 具備的超強(qiáng)耐久性能表現(xiàn)，在日本的相關(guān)應(yīng)用指南中，將UHPC的碳化、鋼筋（鋼纖維）銹蝕、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕和堿-骨料反應(yīng)等指標(biāo)定為免檢項(xiàng)目。

綜上，UHPC對以上各類腐蝕均有優(yōu)良的耐久性表現(xiàn)，采用UHPC 作為管體材料（包括預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層材料，如PCCP），可以確保管道具有遠(yuǎn)超普通混凝土管的耐腐蝕性能。

2.大幅提高抗?jié)B性能

C100 UHPC 的抗?jié)B等級可輕松超過P12，在一些極端試驗(yàn)中，UHPC的抗?jié)B壓力可達(dá)3MPa～6MPa。除了材料本身的超強(qiáng)抗?jié)B性能外，由于UHPC往往無粗骨料且拌合物流動度較大，可以在密集配筋的構(gòu)件中實(shí)現(xiàn)密實(shí)澆筑，避免了普通混凝土中常見的蜂窩、孔洞、露石等缺陷，能夠達(dá)到“材料致密+結(jié)構(gòu)致密”的效果，從而實(shí)現(xiàn)混凝土管體極強(qiáng)的抗?jié)B性能。

UHPC 100MPa 以上的抗壓強(qiáng)度已接近鑄鐵類金屬材料的強(qiáng)度，加上較強(qiáng)的韌性和耐磨性能，在生產(chǎn)和使用過程中不易受損。該性能可使采用UHPC制成的混凝土管接頭具有更高的精度和更強(qiáng)的抗損性。在筆者進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)中，UHPC排水管管道接頭采用雙膠圈密封方式，接頭密封壓力可達(dá)0.4MPa，見圖2。

圖2 UHPC 排水管的接頭形式及接頭密封試驗(yàn)示例Fig.2 Joint form and joint sealing test example of UHPC drainage pipe

因此，采用UHPC進(jìn)行混凝土管生產(chǎn)，可以較好地解決管體和接口滲漏問題，并且有足夠的性能滿足排水管網(wǎng)在雨季帶壓運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需求。

3.顯著降低管道自重

UHPC由于具備超高的抗壓和抗拉強(qiáng)度，更適用于與高強(qiáng)鋼筋配合的混凝土結(jié)構(gòu)，包括預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使實(shí)現(xiàn)輕薄高強(qiáng)的混凝土結(jié)構(gòu)件有了較好的技術(shù)途徑。據(jù)筆者計(jì)算，采用C100 的UHPC材料進(jìn)行PCCP 和鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮后管材壁厚可以控制到管徑的1／15～1／20 以內(nèi)，單位重量約為現(xiàn)有同類管材的50%～70%。產(chǎn)品自重的顯著降低，能夠明顯節(jié)約運(yùn)輸、安裝成本，從而實(shí)現(xiàn)更好的市場優(yōu)勢。UHPC混凝土管與現(xiàn)有其他材質(zhì)管材的管重對比示例見表3。

表3 不同類型的管材自重對比示例Tab.3 Example of comparing the self weights of different types of pipes

4.經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢

采用UHPC技術(shù)混凝土管材的經(jīng)濟(jì)性主要取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、UHPC 材料價(jià)格以及生產(chǎn)工藝等。較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以在獲得較優(yōu)性能的條件下更省材料，從而顯著降低產(chǎn)品成本；UHPC材料價(jià)格主要取決于材料配合比以及生產(chǎn)地原材料價(jià)格，用于管道生產(chǎn)的UHPC 材料采用廠內(nèi)自拌生產(chǎn)的方式具有較好的經(jīng)濟(jì)性（相對于采用UHPC 預(yù)混料而言）；在混凝土管生產(chǎn)中，采用UHPC結(jié)構(gòu)的管材目前主要采用澆筑成型工藝，由于UHPC需要更長的蒸養(yǎng)時(shí)間，其生產(chǎn)效率略低于同類工藝的普通混凝土管?；谝陨嫌绊懸蛩?，結(jié)合筆者分析，采用UHPC 技術(shù)的混凝土管與其他管材的價(jià)格對比見表4?？梢?，采用UHPC結(jié)構(gòu)的混凝土管價(jià)格水平雖然相較同類型普通混凝土管略高，但相對復(fù)合管、塑料管、金屬管仍具有較明顯的價(jià)格優(yōu)勢，考慮到其在耐腐蝕性、耐久性、管體剛度和強(qiáng)度以及自重等方面的綜合優(yōu)勢和特點(diǎn)，可以認(rèn)為UHPC 結(jié)構(gòu)的混凝土管具有較高的性價(jià)比。

表4 UHPC結(jié)構(gòu)混凝土管與其他管材的經(jīng)濟(jì)性對比Tab.4 Economic comparison between UHPC structural concrete pipes and other pipes

3 結(jié)語

目前，混凝土管行業(yè)發(fā)展中存在“重效率、輕質(zhì)量”以及“低質(zhì)化內(nèi)卷”等現(xiàn)象，使混凝土管

在工程應(yīng)用中存在管體腐蝕、滲漏等問題和風(fēng)險(xiǎn)，不但影響工程質(zhì)量，更是影響了行業(yè)的健康發(fā)展；另外，混凝土管自重過大也是影響其應(yīng)用范圍的原因之一。UHPC 技術(shù)是混凝土技術(shù)的革命性進(jìn)步，其帶來的混凝土材料各方面性能的巨大提高，使混凝土結(jié)構(gòu)具備深遠(yuǎn)的創(chuàng)新空間。基于對UHPC技術(shù)的分析和筆者的試驗(yàn)探索，本文討論了在混凝土管產(chǎn)品中應(yīng)用UHPC 技術(shù)的性能和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，認(rèn)為應(yīng)用UHPC技術(shù)可以解決混凝土管的各項(xiàng)性能短板，能得到耐腐蝕、抗?jié)B透、輕量化的高品質(zhì)混凝土管材產(chǎn)品。