塑管−混凝土界面密闭性能改善措施

王俊颜，周 田，吕梁胜，杨全兵

同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804

处在含盐环境下的潮汐/浪溅区和土壤−空气过渡区这类环境的混凝土结构，例如桥梁的桥墩和桩基础，其结构物腐蚀和钢筋锈蚀破坏往往比完全处在水中、土壤中以及大气区中的混凝土严重得多[1−2].对于上述的盐腐蚀环境，除了提高混凝土自身耐久性之外，实际工程仍需要附加的防护措施，才能保证混凝土结构的耐久性.目前腐蚀环境下混凝土防护措施主要有涂层保护法[3−5]、钢筋防腐蚀处理[6−8]，以及电化学防护[9−11]等.此外，通过给混凝土结构“穿”上柔性防护层来隔绝外界腐蚀性介质侵蚀的防腐套技术[12−14]也是解决这个难题的有效方案之一.防腐套在美国等发达国家的近海混凝土结构的防腐蚀措施中应用相当广泛，然而防腐套技术的缺点在于：（1）防腐套的凸缘缝存在潜在渗水通道；（2）厚度不能太厚，否则不利于人工施工，但厚度太薄又容易破损；（3）施工费用昂贵，均需要潜水员进行水下部分的操作以及独立工期. 采用塑管混凝土结构则可以解决上述问题，将具有一定结构尺寸的大口径塑管预置于钢模内，然后浇注混凝土一体化成型，从结构设计上把桥墩、桩基等结构在水位变化区和土壤−大气交界区中与侵蚀环境隔绝起来.塑管混凝土体系没有结构缝，完全隔绝海水的渗透；在浇筑混凝土柱时一体化成型，不需要后期的人工施工，节约人工费；可以使用厚度大的塑管，能承受更严酷的物理撞击和磨损；且管材为无缝管，可以对核心混凝土提供径向约束力，提高混凝土结构的延性和韧性，同时也为核心混凝土的硬化阶段提供了良好的养护环境.

1 塑管混凝土结构

塑管混凝土结构一体化成型如图1所示. 在此复合结构中，塑管混凝土结构中，塑管与混凝土不同材料间线膨胀系数的差异以及核心混凝土的收缩会使得塑管与混凝土之间的黏结层发生破坏.采用黏结剂可有效提升塑管与后浇注混凝土间的黏结可靠度，进而大幅提高塑管−混凝土界面的抗渗能力，但关键难题是寻找可以与液态混凝土黏结的黏结剂. 传统的防腐套是在已经硬化的混凝土表面，用自带的黏结剂进行黏结，类似于粘贴防水卷材的过程，但传统的黏结剂并不能实现与新拌混凝土的黏结.美国GCP AT公司(Grace Construction & Packing Applied Technologies Inc.)生产的Preprufe双面压敏胶带广泛应用于各大地下防水工程[15−17]，该胶带由 3部分组成[18]，如图 2（a）所示，分别是黏性层、基层和Preprufe胶层，胶带总厚度为0.5 mm. 其中黏性层是由普通的强黏性固体胶组成，可以直接紧贴塑管的内壁；Preprufe胶层为压敏性粘合剂层以及丙烯酸基弹性体保护涂层的结合层，面向未浇注的混凝土，其表面具有微观的钩状物和孔隙，微观构造如图2（b）所示.当混凝土浇注于塑管之内时，硬化产生的水泥水化产物在压力下会和Preprufe胶的微观结构形成机械咬合作用[19]，从而达到混凝土与胶带的紧密黏结.

图1 塑管−混凝土结构一体化成型Fig.1 Integrated molding of plastic pipe‒concrete structure

图2 Preprufe 胶带的宏观与微观构造图. （a）宏观构造图；（b, c）微观构造图Fig.2 Macrostructure and microstructure of the Preprufe tape:(a) macrostructure; (b, c) microstructure

考虑到Preprufe双面压敏胶带昂贵的价格，在实际应用时要将所有塑管内壁全都贴满是不现实的.因此本文将通过界面黏结强度、界面渗水高度和界面透气性3组试验研究胶带宽度对塑管−混凝土界面密闭性能的影响，根据试验结果建立胶带宽度与界面渗透指数的关系模型，为Preprufe双面压敏胶带在实际工程中的应用提供理论依据.

2 实验方案与测试方法

2.1 实验试件的制备

塑管的选择要综合考虑最大可造公称外径、延展性、耐腐蚀耐老化性等几个重要因素，目前已广泛应用于市政工程地下排水管道的大口径塑管[20−21]如高密度聚乙烯（HDPE）管、聚氯乙烯（PVC）管和玻璃钢夹砂管（FRP）管均可用于塑管混凝土结构. 本文中实验均采用HDPE管，公称压力为1.0 MPa，公称外径为110 mm，厚度为6.6 mm. 混凝土原材料如下：水泥选用上海宝山水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥；所用砂为河砂，细度模数为2.8；粗骨料选用普通碎石，粒径为5～20 mm；拌和水使用自来水；减水剂采用花王迈地100萘系减水剂粉剂，混凝土坍落度控制在18±2 cm. 混凝土配合比如表1所示.

表1 C40混凝土配合比及基本性能Table 1 C40 concrete mix ratio and basic performance

塑管混凝土试件尺寸为φ110 mm×220 mm，3个试件为一组. 研究采用3种宽度的Preprufe双面胶带，分别为220、110和55 mm（塑管混凝土试件高度的1倍、1/2倍和1/4倍），对应的塑管混凝土试件的编号分别为PRE-220、PRE-110和PRE-55；基准塑管混凝土编号定为PRE-0，即无粘贴胶带（胶带宽度为0），如图3所示.

图3 粘贴Preprufe双面胶带的塑管−混凝土试件Fig.3 Plastic pipe‒concrete specimens with the Preprufe double-sided tape

每种编号的塑管混凝土试件分别成型3组试件，然后分别进行塑管−混凝土的界面黏结强度、界面渗水高度和界面透气性的测试.由于界面渗水高度试验所用的试件与其他两种测试方法不同，在粘贴胶带时塑管内外侧均有粘贴，并且粘贴的位置在塑管的下半段，与压力水直接接触.由于塑管外侧的混凝土高度（150 mm）低于塑管内混凝土高度（220 mm），PRE-220试件的塑管外侧与混凝土的黏结部分只有150 mm.

2.2 界面黏结强度测试方法

本文采用塑管−混凝土界面黏结强度的试验方法[22]示意图如图4.塑管混凝土的下端放置于一个特制钢环之上，钢环的内径比塑管混凝土内径大2 mm；上端放置一块比塑管内径略小的垫板. 试验前确保所有物件的轴心重合，以避免偏心加载，然后使用压力机进行加载，加载速度定为0.05 kN·s−1，记录核心混凝土从塑管推出的最大荷载值.

图4 塑管混凝土黏结强度的测试Fig.4 Bond strength test of plastic-pipe/concrete

界面黏结强度τ的计算公式如式（1）

式中：P为荷载，kN；S为塑管内壁表面积，m2.

2.3 界面渗水高度测试方法

界面渗水高度试验的示意图如图5，试验方法参考了水工DL/T 5150—2001标准[23]. 试件成型时塑管预置于成型抗渗试件的钢模中，然后浇筑混凝土一体化成型，试件形状如图5右上方所示，相当于在普通混凝土抗渗试件内部形成塑管−混凝土界面.由于塑管−混凝土界面的渗透性要远大于混凝土的渗透性（初步试验证明），可以认为压力水在混凝土中的渗透不会影响其在界面中的渗透.

图5 界面渗水高度试验示意图Fig.5 Interfacial water penetration height

试件24 h后拆模进行水养护.试件达到28 d龄期后套入普通混凝土抗渗试件用的钢模，然后安装到混凝土抗渗仪上，水压调整到0.8 MPa恒压，计时24 h后停止实验. 将试件塑管内外侧的混凝土分开，然后将核心混凝土的外表面十等分，测量其界面平均渗水高度；再将核心混凝土沿竖向对半切开，测量混凝土自身渗水高度，与界面渗水高度相比较.

混凝土的渗水高度Dm与其所受压力水头H及施压时间t的乘积的平方根成正比[24]，如公式（2）所示

式中：Kw混凝土液体渗透系数（透水系数，cm·s−1）；m为混凝土空隙率，通常取m=0.03. 混凝土液体渗透系数Kw通过换算得到式（3）

2.4 界面透气性测试方法

塑管混凝土的界面透气性测试的测试原理与Martin[25]提出的混凝土透气性测试原理相同，都是时间变量−压力差测试方法，即具有相同初始压力的密闭容器中的压缩气体通过管道对测试舱中的测试体进行渗透，然后测试密闭容器的压力衰减曲线来表征测试体的渗透性，压力衰减越慢，说明测试体的渗透性越差，密实性越高. 界面透气性测试系统如图6所示，测试前先检查装置气密性，然后关闭阀门2、打开阀门1和阀门3，开启电子压力表，开启空气压缩机，在储气罐压力达到200 kPa时关闭压缩机，误差控制在±0.3%；打开阀门2，储气罐内的压缩空气通过塑管混凝土进行渗透，其压力从200 kPa开始衰减，电脑实时记录储气罐的压力−时间衰减曲线，数据采集频率为1 Hz；当压力衰减至30 kPa时停止测试.

图6 界面透气性测试系统. （a）示意图；（b）实物图Fig.6 Interface airtightness test system: (a) diagram; (b) objects

在得到储气罐的压力−时间衰减曲线后，如何从曲线中获得有效的参数来评估界面气密性的大小是关键.最为简单有效的参数是储气罐中压力从200 kPa衰减到一定压力值（本文为30 kPa）时消耗的时间，定义为衰减时间td.衰减时间td越长，说明界面气密性越好.然而衰减压力值的决定取决于主观因素，不同的衰减压力值对应不同的衰减时间. 假如仅用于横向对比等简单分析的话，衰减时间td已经足够，然而若要将界面渗透性能与混凝土的渗透性能进行对比或者评估塑管混凝土不同界面改善措施改善效果时，仅使用衰减时间td来表征气密性是不够的.

在所有混凝土气密性试验研究中，渗透系数得到了最广泛的应用. 式（4）是采用恒压气流在混凝土试件中渗透得到的渗透系数Kg

式中：Kg为混凝土气体渗透系数，cm2；Q为流量，cm3·s−1；p1为进口压力，Pa；p2为出口压力即大气压，Pa；L为试件在气流方向的长度，cm；η为气体的黏度系数，Pa·s；A为试件垂直于气流方向的面积，cm2.塑管−混凝土界面的气密性试验实际上记录的是图6中储气罐的压力衰减情况，导致储气罐的压力衰减的影响因素包括塑管−混凝土界面纵向孔隙的分布情况、试件长度，以及塑管−混凝土界面的横截面形状. 在计算塑管−混凝土的界面渗透系数时，为了与混凝土的渗透系数进行比较，作者将塑管−混凝土界面等效为一个和核心混凝土相同尺寸的实心圆柱体，然后用气体在混凝土的渗透理论进行分析，推导出压力−时间衰减曲线的模型，以及可以作为抗渗指标的渗透系数（界面透气性测试系统测试到的储气罐压力衰减，实际是由压力气体透过塑管−混凝土界面和核心混凝土自身这两部分导致的；但鉴于实验显示塑管−混凝土界面透气性远大于混凝土自身的透气性，本文在计算推导时将储气罐压力衰减全归于塑管−混凝土界面的贡献）.

储气罐内气体在环境温度T不变的情况下，根据克拉伯龙方程式（5）

式中：P 为气体压强，Pa；V 为气体体积，m3；n为气体的量，mol；R为气体常数，R= 8.314 J·mol−1·K−1；T为环境温度，K.对式（5）进行微分，并且定义储气罐内气体的初始压力和初始体积分别为Pk、Vk，测试舱的流体速率（dV/dt）和压力变化（dP/dt）的关系可以用式（6）表示

在塑管−混凝土界面的等效圆柱体的长度为L，横截面积为 A，令 Δp=p1−p2，并且在 dt很短的情况下（气压差值Δp的变化可以忽略），根据式（4），测试舱的气体流量Q可以用式（7）表示

p2为大气压，则Δp实为进口气体相对气压，即 Δp=P，联立式（6）和式（7）可得式（8）

由于式（8）等号右边除了dt以外均为定值，作者定义 Ω（s−1）的表达式如式（9）

把式（9）代入式（8）并对等号两边进行积分可得式（10）

式中，a为常数.定义边界条件为：当t=0时，储气罐的初始相对压力为Pi，则常数a=lnPi，代入式（10）后可得式（11）和式（12）：

由式（12）可知，储气罐的压力−时间衰减曲线符合指数函数 y=a·ebx，其中 a 为 Pi，本文中的 Pi定为200 kPa，b为（−Ω）. Ω是控制该函数衰减的唯一参数，可以作为表征储气罐压力衰减速度的参数，Ω越大，压力衰减越快，说明塑管−混凝土界面的气密性越差，因此本文定义Ω为界面气密性试验中的塑管−混凝土的界面渗透指数，量纲为s−1. 通过测试表征塑管−混凝土界面透气性的压力−时间衰减曲线，然后用指数函数y=a·ebx进行曲线拟合，即可获得Ω的具体数值.以基准的塑管混凝土为例，其界面透气性的压力−时间衰减曲线及其拟合曲线见图7，由拟合曲线的表达式可得其界面渗透指数Ω的具体数值为0.00943，拟合曲线的标准方差为0.99454，相关性较好.另外，由式（9）可知，Ω与Kg为线性相关关系，因此Ω还可以转换为Kg，从而与混凝土气体渗透系数进行衔接.

图7 PRE-0压力−时间衰减曲线及其拟合曲线Fig.7 Pressure‒time decay curve and its fitting curve of PRE-0

3 实验结果和分析

采用不同宽度Preprufe胶带的塑管−混凝土界面性能试验结果汇集于表2中，包括界面黏结强度、界面渗水高度试验以及界面透气性试验.

表2 粘贴不同宽度Preprufe双面胶带的塑管−混凝土界面密闭性能试验结果Table 2 Test results of impermeability of plastic pipe−concrete interface with Preprefe tape of different widths

3.1 界面黏结强度

采用不同宽度Preprufe双面胶带的塑管−混凝土界面黏结强度见表2和图8.由表2可知，PRE-55、PRE-110和PRE-220的界面黏结强度的比例接近于1∶2∶4，这说明虽然PRE-55、PRE-110只是部分使用Preprufe双面胶带，但界面黏结强度主要由胶带的黏结力提供；PRE-220的界面黏结强度则高达基准试件的24倍.由图8可见，界面黏结强度与Preprufe双面胶带宽度的关系可初步认为符合幂函数分布. 在实验中，核心混凝土被推出后可以看到被破坏的是黏性层与塑管内侧形成的黏结层，而Preprufe胶层与混凝土形成的黏结层却完好无损.这说明Preprufe胶层不仅能实现与新拌混凝土的黏结，并且其形成的黏结强度远大于普通黏性层与塑管之间的黏结强度.

图8 Preprufe胶带宽度与界面黏结强度的关系Fig.8 Width of the Preprufe double-sided tape vs interface bonding strength

3.2 界面渗水高度

采用不同宽度Preprufe双面胶带的塑管−混凝土界面渗水高度如表2及图9所示，PRE-0的界面渗水高度（138.5 mm）远大于混凝土自身的渗水高度（13.7 mm），在顶出PRE-55的核心混凝土并剥离胶带后，可以观察到核心混凝土外表面没有水渍，PRE-110和PRE-220也是如此.表明在24 h内，0.8 MPa压力水并不能透过Preprufe双面胶带，使用胶带的三组试件的核心混凝土与塑管间界面渗水高度基本为0.因此粘贴Preprufe胶带可使塑管−混凝土界面抗渗能力达到优于核心混凝土抗渗能力的程度.界面渗水高度试验并不能反映出胶带宽度对界面渗透性能的影响，液体作为一种介质在测试渗透性能的时候存在一定的瓶颈.

图9 核心混凝土渗水高度. （a）外表面；（b）内部Fig.9 Seepage height of central concrete: (a) surface; (b) inner region

3.3 界面透气性

界面透气性试验测得的压力‒时间衰减曲线如图10所示，衰减时间Td和界面渗透指数Ω如表2所示. PRE-0、PRE-55、PRE-110和PRE-220的界面渗透指数呈明显的递减趋势，PRE-220的界面渗透指数已经比前3组小一个数量级，仅为基准试件的2.86%，衰减时间长达基准试件的17倍.Preprufe胶带对衰减时间Td和界面渗透指数Ω的影响分别见图 11和图 12.由图 11（a）和图 12（a）可见，衰减时间Td随胶带宽度呈指数函数增长趋势，而界面渗透指数Ω随胶带宽度呈指数函数下降趋势，数据趋势线跟经验公式都在图中给出. 在图11（b）和图12（b）中，纵坐标均采用了对数刻度，更加直观地呈现了实验数据之间数量级的差别；在获得有限数据的情况下，通过数据推导为实际工程提供数据指标.

图10 压力−时间衰减曲线Fig.10 Pressure‒time decay curve

图11 Preprufe胶带宽度与衰减时间Td的关系. （a）常规数值刻度；（b）对数刻度Fig.11 Width of the Preprufe double-sided tape vs decay time Td: (a) conventional numerical scale; (b) logarithmic scale

图12 Preprufe胶带宽度与界面渗透指数Ω的关系. （a）常规数值刻度；（b）对数刻度Fig.12 Width of the Preprufe double-sided tape vs interface permeability index Ω: (a) conventional numerical scale; (b) logarithmic scale

4 结论

（1）塑管−混凝土界面黏结强度与胶带宽度的关系可初步认为符合幂函数分布，界面黏结强度主要由胶带的黏结力提供.双面胶带的压敏性粘合剂胶层可与核心混凝土形成一个整体，其与核心混凝土表面形成的黏结层在测试黏结强度时完好无损.

（2）粘贴该胶带可显著提高塑管−混凝土界面抗渗能力.界面渗水高度试验并不能反映出胶带宽度对界面渗透性能的影响，液体作为一种介质在测试渗透性能的时候存在一定的瓶颈.相对而言，界面透气性测试系统则可以十分有效地对塑管−混凝土界面的抗渗性进行评估.

（3）界面透气性试验结果表明：塑管−混凝土界面透气性随着粘贴胶带宽度的增大而降低. 粘贴220 mm宽胶带的试件压力衰减时间长达未粘贴胶带试件的17倍，提高了一个数量级；界面渗透指数仅为未粘贴胶带试件的2.86%，降低了一个数量级.

（4）Preprufe双面压敏胶带在改善塑管−混凝土界面密闭性能上有良好的表现.实际工程中可综合考虑所需效果和价格成本来选取粘贴胶带的宽度.