内衬高密度聚乙烯钢筋混凝土管的应用研究

黄金明，周质炎，李修富，张 威，高 武

[1.上海市城市排水有限公司，上海市 200233；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

污水是一种成分复杂且多变的腐蚀介质，在此环境条件下，钢筋混凝土管道内壁极易被腐蚀[1-3]。根据已建管道工程的检测结果，管道结构都有不同程度的腐蚀，并且大口径污水管道维修耗资巨大，对社会环境影响极为不利。因此，管道内壁有必要采取有效的防腐措施，减少污水和腐蚀气体对管道的腐蚀，确保管道安全服役。

排水管道工程中采用内衬的形式已逐渐成为管道防腐的一种新型解决方案[4-6]。内衬防腐板材具有耐酸、耐碱、经久耐用的优良特性，而且本身是微软材质，富有弹性、韧性，与钢筋混凝土材料相协调。

内衬高密度聚乙烯（以下简称“HDPE”）钢筋混凝土管作为一种新型管材，是以钢筋混凝土管为基体，成型过程中在管内壁嵌入HDPE 板材衬里的管子。其中，HDPE 板材是以聚乙烯为原料挤出成型，一面是光滑平面，另一面是梅花型布置的“V”字形锚固键的HDPE 板材，见图1。但以往研究缺乏对内衬HDPE 钢筋混凝土管应用于实际工程的研究且暂无相关工程标准参考。为给内衬HDPE 钢筋混凝土复合管的应用提供技术支持，本文进行HDPE 内衬材料的检测、复合管性能试验的相关研究。

图1 HDPE 板材断面示意图

1 HDP E 内衬材料检测

HDPE 内衬材料检测选取了3 个厂家的HDPE材料进行检测，分别为A 材料、B 材料、C 材料。HDPE内衬采用锚固键机械式嵌入混凝土管内壁的工艺，与浇筑的混凝土共同成型后，经过和混凝土共同蒸养的步骤，所以本次试验也检测了每种材料未蒸养和经蒸养（100℃；12 h）后的性能。

检测项目包括耐化学试剂性能试验、密度测定试验、断裂拉伸强度及拉断伸长率测定试验、弯曲弹性模量测定试验、硬度（邵氏硬度）测定试验、吸水率测定试验、氧化诱导时间测定试验、热空气老化试验、耐碱性测定试验、燃烧性能等级测定试验、气体通过性试验和滚动磨损试验。

分析检测结果显示，蒸养过程对材料化学性能和物理性能指标影响不明显。根据本次检测结果并结合现有HDPE 相关材料标准，提出HDPE 内衬材料的耐化学试剂性能和物理性能指标要求，分别见表1、表2。

表1 HDPE 板材耐化学试剂性能指标

表2 HDPE 板材物理性能指标

2 内衬HDP E 钢筋混凝土管试验

2.1 表面抗拔试验

2.1.1试验方法

通过表面抗拔试验，获得HDPE 内衬与钢筋混凝土管之间的黏结强度。试验在管节的HDPE 内衬包含5 个固定键的面积做表面抗拔试验，示意图见图2。试验拉拔环采用14 mm 厚90 mm×132 mm 的碳钢板中间位置上垂直焊接尺寸为100 mm×132 mm碳钢板（14 mm 厚），并在钢板中心留孔φ50 圆孔。拉拔环碳钢板与内衬之间的连接采用热熔，并沿碳钢板外侧切割HDPE 内衬。

图2 表面抗拔试验示意图

试验采用分级加荷，前两级按最大试验荷载值的30% 级差加荷至60%，每次静停1 min。之后按最大试验荷载值的20% 级差加载至80%，每次静停1 min。最后按最大试验荷载值的10% 级差加载至100%，每次静停1 min。若仍未破坏，继续按最大试验荷载值的10% 级差加载至试验块HDPE 内衬与钢筋混凝土管剥离，记录下最终的加载值。

2.1.2试验结果与分析

试验共进行了2 节管节6 处试点，试验见图3，试验结果见表3。

图3 锚固键从混凝土中拔出

表3 表面抗拔试验结果

根据拉拔试验过程和结果，得出以下结论：

（1）表面抗拔试验的破坏模式都是锚固键从混凝土中拔出。

（2）单个锚固键的锚固强度标准值可以达到1.13 kN。

2.2 三边支承法外压荷载试验

2.2.1试验方法

通过三边支承法外压荷载试验，测定内衬管节的裂缝荷载与破坏荷载，并观测管节损坏形态，验证内衬管节的荷载能否满足规范要求。试验参考标准《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法》（GB/T 16752—2017）。

试验按每分钟不大于5kN/m 的加载速度均匀加载，每级加载量为裂缝荷载的20%，恒压1m in，逐级加载至裂缝荷载的80% 时，观察管节外侧或端部顶、底内侧有无裂缝。若裂缝宽度较小或无裂缝，可继续按裂缝荷载的10% 加载至裂缝荷载。若裂缝仍小于0.2 mm，继续按裂缝荷载的5% 加载至裂缝宽度达到0.2 mm。继续按破坏荷载的10% 加载至破坏荷载，恒压3 min，检查管节是否破坏。若仍未破坏，可继续按破坏荷载的5% 加载直至破坏。

2.2.2试验结果与分析

本次试验一共进行了4 次三边支承法外压荷载试验。试验见图4。试验结果见表4。

表4 三边支承法外压荷载试验结果 单位：kN/m

图4 三边支承法外压荷载试验

根据计算，试验管节A 的裂缝荷载为298 kN/m，破坏荷载为447 kN/m；试验管节C 的裂缝荷载为248 kN/m，破坏荷载为372 kN/m。由试验结果可以看出，试验得到的裂缝荷载和破坏荷载均大于理论计算。HDPE 材料的抗拉弹性模量远小于混凝土且管节的变形很小，因此不足以使HDPE 材料产生足够大的拉力以影响混凝土管节的外压荷载试验的结果。从试验结果也可以看出，HDPE 内衬锚固键的锚入也没有对混凝土管节的外压荷载产生较大影响。因此，HDPE 内衬厚度可以计入混凝土保护层厚度。

2.3 内衬抗外水压试验

2.3.1试验方法

通过内衬抗外水压试验，测试模拟管节开裂漏水后，内衬承受外水压的能力与界面排水条件。试验参考标准《超大型钢筋混凝土顶管管节制作、施工及验收规程》（DG/TJ 08—2221）。

试验通过管节钢筋混凝土外壁预埋DN 10 钢管试压管，模拟管节开裂漏水，定位和试压管埋设见图5 和图6。试压管位于内壁端须采取措施防止混凝土浇筑时堵塞钢管。

图5 试压管埋设位置示意图（单位：mm）DN10外方管堵

图6 试压管埋设详图

抗外水压试验过程中对通水处附近的200 mm×200 mm 范围内衬材料进行位移测量，每处试验共测9 个点位移。位移计布置详见图7。

图7 位移计布置图（单位：mm）

试验先按每级0.05 MPa 的增量分级加载，加载至0.15 MPa 后，按每级0.03 MPa 的增量分级加载，每级保持5 min，记录水压变化情况和位移计度数，并观察试压处HDPE 内衬是否出现鼓胀现象，直至水压无法继续增加位置。

2.3.2试验结果与分析

本次试验一共对4 节管节24 个测点进行了抗外水压试验，见图8。

图8 内衬抗外水压试验

试验最大水压只能达到0.1～0.42 MPa，测点S1～S9 的最大位移0～0.44 mm，都可以观察到水流从管节边缘渗出，内衬未见破坏。在外水压作用下，HDPE 内衬的位移较小，肉眼不易分辨，并且大部分情况下，水在较低的压力时沿内衬与混凝土之间的间隙流出管节，之后水压无法继续上升。观察内衬管节的HDPE 内衬与混凝土管壁的黏结界面，可见到HDPE 内衬与混凝土基本没有黏结力，外水压可轻易渗透进HDPE 内衬与混凝土管壁的缝隙。

所以，内衬管节中HDPE 内衬受到外水压力后可以形成畅通的排水通道，不会导致内衬材料损坏。

3 结论

通过对内衬HDPE 钢筋混凝土管HDPE 内衬材料检测、复合管试验的相关研究，得出以下结论：

（1）根据本次检测结果并结合现有HDPE 相关材料标准，提出HDPE 内衬材料的耐化学试剂性能和物理性能指标要求。

（2）表面抗拔试验的破坏模式都是锚固键从混凝土中拔出，并且单个锚固键的锚固强度标准值可以达到1.13 kN。

（3）HDPE 材料对内衬钢筋混凝土管节受力没有影响，故HDPE 内衬厚度可以计入混凝土保护层厚度。

（4）内衬管节中HDPE 内衬受到外水压力后可以形成畅通的排水通道，外水压力不会导致内衬材料损坏。