浅谈PCCP的耐久性设计
发布于 2022-06-02 15:04
注：本文原文笔者已发表于《混凝土及水泥制品》2022.02期。
摘要：
本文通过对预应力钢筒混凝土管（PCCP）工程结构属性、服役环境、结构特点的分析，提出PCCP进行耐久性设计具有必要性的观点。文中归纳了PCCP耐久性设计的基本内容和步骤，并结合PCCP产品标准和混凝土结构耐久性设计相关标准和文献，分析了PCCP耐久性设计中应注意的包括管体结构、环境作用条件、管体混凝土材料、工艺构造要求以及附加防腐措施等方面与耐久性能相关的要求，对不同环境条件下PCCP的耐久性技术要求提出了自己的见解。最后，笔者认为在PCCP设计中贯彻耐久性设计思想和执行耐久性技术措施是PCCP提升性能和保持市场信心的必要手段。
关键词：
PCCP 设计 耐久性 防腐蚀
0 引言
预应力钢筒混凝土管（简称：PCCP）是在预应力钢筋混凝土管体中部嵌有防渗钢筒的复合结构压力输水管道，在我国的水利、市政等行业得到了广泛应用。PCCP的综合性能优越，但近年来业内围绕PCCP使用寿命、耐腐蚀能力之类问题的讨论一直困绕着建设单位、设计院、工程监理以及管道生产企业。之所以形成此类局面，与PCCP作为一种最早由国外引进技术的压力管道产品，在其应用的各个阶段，对其耐久性要求的认识不够深刻、措施不够合理、监管不够到位均有关系。本文将从结构、材料、构造等方面对PCCP的耐久性设计进行分析，希望能形成一个相对完整的耐久性设计思路，有助于PCCP性能的进一步提升和市场信心的保持。
1 PCCP耐久性设计的必要性
（1）、PCCP的工程结构属性决定其应该进行耐久性设计
GB/T50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》中如此定义结构的耐久性：“在环境作用和正常维护、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力”。各种使结构达到耐久性性能的设计技术和措施，都可以称作耐久性设计。PCCP作为输水管线工程的主体结构，工程的建设运行和安全使用均关系到巨大投资和民生大事，输水工程的设计应符合相关耐久性要求，PCCP身为工厂化预制、标准化生产的预制结构件产品，不能因其“出身于工厂”便忽略了其工程结构属性。PCCP的设计同样应该符合工程结构对耐久性设计的相关要求。
（2）、PCCP的服役环境决定应重视其耐久性设计
PCCP在我国大量被用于原水管线，也有不少用于污水管线的工程案例。从铺设方式上，我国的PCCP管线绝大多数为埋地管线，也有部份露天铺设管线，还有大量穿越河床、湖沼的管段；从应用地域上，东北严寒地区、西北沙漠地带、西南高山谷地、东南滨海沿岸、中部黄土高原，全国绝大多数省份都有PCCP的应用。在如此广袤的应用区域中，PCCP管线所涉及的管外环境作用类别和作用等级各不相同，具有腐蚀性的地下环境作用类别主要有氯盐、硫酸盐、镁盐、碳酸盐等腐蚀类型；地上环境作用类型包括碳化、冻融、生物作用等类型；可能面临的环境作用等级根据腐蚀性强弱，按GB/T50476-2019的分级方式主要有A级（轻微）、B级（轻度）、C级（中度）、D级（严重）、E级（非常严重）。在排污管线中，PCCP还需要考虑管内污水的腐蚀作用，其作用类型是以硫酸盐为主的化学侵蚀，作用等级往往在C～E级之间。
由此可见，PCCP的服役环境使其面临着各种类型和等级的腐蚀作用，有必要在其设计中考虑相应的耐久性设计内容。
（3）、PCCP的结构特点决定应重视其耐久性设计
PCCP结构的承压能力主要由直径5～7mm的沿管体环向布置的预应力钢丝提供；管体混凝土不配普通钢筋，主要为预应力钢丝提供承压骨架并与预应力钢丝共同组成管体主要承力结构；管体混凝土中的钢筒厚度一般为1.5mm，主要作为结构的防渗体系；砂浆保护层是预应力钢丝的保护系统，厚度不低于25mm。根据结构特点PCCP可以分为L型和E型，见图1。由此可知，高强度环向预应力钢丝是PCCP结构安全的核心，其应力水平高、直径小，保护层为25mm厚的密实水泥砂浆层，结合其较为严峻的服役环境和结构安全等级，应该将结构耐久性设计作为PCCP设计的基础和关键内容。
（a）、L型
（b）、E型
图1 PCCP结构示意图
2 PCCP耐久性设计的基本内容
混凝土结构的耐久性设计宜围绕GB/T50476-2019的原则和相关规定进行，一般包含以下基本设计内容：
1）、明确结构的安全等级、设计使用年限、环境类别及作用等级；
2）、提出对结构材料的耐久性质量要求；
3）、选择有利于减轻环境作用的结构形式、布置方式及构造措施；
4）、确定满足耐久性要求的钢筋保护层厚度和混凝土裂缝控制要求；
5）、基于前述的耐久性设计要求进行结构设计；
6）、在严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；
7）、明确结构使用阶段的维护、修理与检测要求。
PCCP作为管道工程的主要结构件，服役环境包括不同地域的地下和露天环境，管体为预应力混凝土结构，上述耐久性设计的基本内容同样适用于PCCP。
3 PCCP耐久性设计应注意的问题
3.1 结构安全等级、设计使用年限和结构重要性系数的选择
PCCP结构的安全等级、设计使用年限和结构重要性系数在设计中受到的重视往往不够，根本原因也是对其工程结构属性的忽略，但以上参数对保证PCCP的结构安全、耐久性能均有重大影响。因为以上参数是对工程结构性能和安全可靠度“定调”的基本参数，是工程结构“以概率理论为基础”的设计体系的基本体现。具体到PCCP结构，所影响的并不是简单的“结构配筋量变化”问题，还涉及到结构构造措施、耐久性设计指标、材料性能指标等不同要求，因此在PCCP设计时同样应重视以上基本参数的确定。
PCCP是输水管线的主体结构物，其安全等级和设计使用年限应与整个工程设计指标一致。原则上，重要输水管线的安全等级应按一级考虑；设计使用年限除特别重要的管线需按100年考虑之外，可按50年考虑（PCCP设计时应与工程设计文件取值一致）。
结构重要性系数（γ0）的取值会直接影响结构计算结果，是从保证不同重要性等级的结构达到标准规定可靠度的角度，实现耐久性所需的结构安全性能的保障手段。对PCCP而言，CECS140：2011第5.2.2条规定：“管道结构重要性系数取1.1，当设计为双线或有调蓄设施时可取1.0，当用作排水管时可取1.0”。除此之外，PCCP设计时的γ0取值还应根据工程设计文件的要求确定。
3.2 环境类别和环境作用等级的确定
环境类别是指能够对结构耐久性能产生影响的环境因素种类。环境作用等级是指环境因素对结构或材料产生影响的强弱程度。环境类别和环境作用等级是工程结构耐久性设计的两个基本参数，是确定耐久性设计措施的基础。GB/T 50476-2019、CCES 01-2004对结构面临的环境类别和环境作用等级分类有明确的规定，在PCCP设计时，应从工程勘察设计文件中查找相关的腐蚀性评价数据（例如：土壤的PH值、电阻率、氯离子浓度、硫酸根离子浓度、气候特点等），并按上述标准的规定进行分类。在大多数应用环境中，PCCP面临的主要环境类别和环境作用等级见表1。
表1 PCCP面临的主要环境类别和环境作用等级
注：表中分类主要依据为GB/T50476-2019、CCES01-2004标准。
值得一提的是，在无腐蚀性土壤环境（Ⅰ-B）中的PCCP耐久性能往往好于同类地域中的地上结构。这是由于地下结构可以不受大气风化作用影响，管线埋设在湿润且近乎恒温的地下环境中，有利于混凝土材料强度的充分发展和密实度的提高；混凝土在地下的碳化速度远小于地上，这有利于保持其高碱性和密实度，以保持自身的抗腐蚀性能。有工程实例显示，埋设在普通土壤中数十年的混凝土管材，其混凝土强度和钢筋的受保护效果等指标仍有良好表现。
在腐蚀性土壤中的PCCP，应详细查明其环境类别和环境作用等级，并在此基础上进行系统的耐久性设计。
3.3 PCCP管体材料的耐久性能要求分析
3.3.1 PCCP保护层砂浆的耐久性能分析
与PCCP耐久性相关的部件中，保护层砂浆必然是最重要的，其主要功能即是作为预应力钢丝的保护层。对保护层砂浆的耐久性能指标进行合理性分析也是确保PCCP耐久性能的关键工作之一。现行PCCP产品标准GB/T 19685-2017中的PCCP保护层砂浆性能要求与混凝土结构耐久性设计相关标准的规定之间的异同见表2所示。
表2 PCCP保护层砂浆耐久性能对比表
从表2可知，符合GB/T19685-2017标准要求的PCCP砂浆保护层主要性能参数（厚度、强度、渗透性）满足一般环境条件下设计使用年限50年时对预应力结构耐久性的要求，如设计使用年限为100年，则净保护层厚度不应小于30mm。
在具有中等腐蚀性以上（C、D级）的盐类和化学腐蚀环境中，在不采取附加防腐措施的前提下，PCCP砂浆保护层应该在厚度和抗离子渗透性能方面进行提升方能满足耐久性需求，其中厚度应不低于表2所列要求。在腐蚀环境中的PCCP砂浆保护层抗离子渗透性能宜采用抗氯离子渗透系数DRCM值作为设计指标，并应达到表2所列的相应指标要求。此外，宜建立保护层日常检测指标吸水率与DRCM值之间的相关性规则，以便从根本上达到保证砂浆抗离子渗透性能的要求。
3.3.2 PCCP管体内壁混凝土的耐久性分析
在压力输水管线中，PCCP的输送介质多为江河原水，无腐蚀性；水流状态为满流，管内长期处于无氧环境，有利于减轻氧化反应类腐蚀；此种情况可按GB 50010-2010规定的“一类”环境考虑，此时管子内壁混凝土无需单独考虑耐久性能要求。如果输送介质为污水，则应按照污水管道的环境类别进行管内壁混凝土的耐久性设计（GB/T50479-2019第7.2.6条规定，污水管道环境类别可按V-E类考虑）。根据以上不同管内环境对预应力混凝土结构的耐久性能要求，结合GB/T 19685-2017规定和业内厂家常用混凝土参数的PCCP管体内壁混凝土的主要耐久性指标见表3。
表3 PCCP管体混凝土在不同条件下的主要耐久性指标对比
注：表中括号内参数为设计使用年限100年时的要求；
针对V-E类环境，GB/T50476-2019推荐的技术措施是通过对混凝土中易造成硫酸盐腐蚀反应成分的限制以及增加混凝土密实性等措施来达到提升混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的目标，具体要求包括：1）、要求采用矿物掺合料混凝土；2）、限制水泥中C3A的含量；3）、对掺合料的材料成份提出相关要求，如氧化钙含量等；但标准中未提出混凝土抗硫酸盐性能的具体指标。笔者认为，从产品质量控制和实现性能目标的角度考虑，输送污水的PCCP管混凝土应满足相应的抗硫酸盐性能指标，参考GB/T 50046-2018对硫酸盐强腐蚀环境下预应力混凝土管桩的要求，作为污水管道的PCCP管体内壁混凝土抗硫酸盐性能不宜低于KS150≥0.85。
3.3.3 PCCP管体混凝土材料的其它耐久性要求
PCCP管体混凝土材料的其它耐久性要求，应结合管子的设计使用年限、服役环境和结构类型来确定。根据GB/T 50476-2019的相关规定，其中：
1）、混凝土中的氯离子含量应按预应力混凝土的要求执行，不大于0.06%；
2）、单位体积混凝土中的碱含量应结合混凝土骨料是否具有碱-集料反应活性来考虑，PCCP作为地下输水管道时，服役环境相对湿度往往大于75%，即使骨料无活性，混凝土碱含量也不应超过3.0kg/m3；
3）、混凝土的最大水灰比、最小或最大胶凝材料用量方面，标准虽然作出了相关规定，但在混凝土配制技术日新月异的今天，笔者认为应以混凝土耐久性能指标为导向进行配比设计，而非拘泥于现行标准的概念性设计规定。比如：超高性能混凝土的单方胶材用量一般在800kg以上，如按标准规定混凝土的最大胶材用量不应超过550kg/m3（强度等级大于C55时），但众所周知，超高性能混凝土的耐久性能远优于普通混凝土。
3.4 PCCP管体裂缝的耐久性能分析
根据PCCP结构设计标准CECS140:2011的计算原则，PCCP在正常使用状态下的管顶、管底控制截面受拉边缘可能已出现拉应力，管侧控制截面受拉边缘拉应力可能会超过保护层砂浆抗拉强度标准值，但根据管材荷载试验和实际工程经验来看，在正常使用状态下PCCP管体内、外壁控制截面均不会出现内眼可见的裂缝。可以认为，PCCP在正常使用状态下的结构裂缝宽度满足GB/T 50476-2017规定的有粘结预应力构件在环境作用等级D级以内的控制要求。但从产品生产质量控制的角度，PCCP管体的裂缝控制要求（符合GB/T 19685-2017规定的工艺性裂缝）不能满足某些腐蚀性环境下的耐久性要求，具体分析见表4。
表4 PCCP管体工艺性裂缝的耐久性合规分析
根据表4的分析，将满足GB/T19685-2017规定的PCCP管体工艺性裂缝耐久性能合规性结合服役环境归纳如下：
1）、在环境作用等级不超过D级（严重腐蚀）的土壤环境中，满足“不出现可见裂缝”规定的砂浆保护层在裂缝控制指标上能够满足耐久性要求；在E级（非常严重）或F级（极端严重）的环境作用等级下，PCCP砂浆保护层即使符合“不出现可见裂缝”的规定，也无法满足相应的耐久性要求，此时必须对保护层采取专门的附加防腐措施；
2）、当输送无腐蚀性水时，管子内壁裂缝符合国标规定即无需考虑相关的耐久性风险；
3）、当作为污水管道使用时，管内壁的裂缝指标不应仅按国标规定控制，而应按照环境作用等级为E级的钢筋混凝土构件进行控制，或者在管内壁采取专门的附加防腐措施。
3.5 PCCP耐久性设计中的附加防腐措施分析
PCCP的附加防腐措施主要有防腐涂层、阴极保护和内衬防腐片材等相关方法，单独或组合使用。近年来，针对PCCP防腐蚀的专项技术标准也在不断推出，对于设计人员来讲，重点应该搞清楚相应附加防腐措施的原理、有效使用年限、使用中的注意事项等问题，本节就PCCP常用的几种附加防腐措施进行关于以上问题的简要分析，详见表5。
表5 PCCP常用附加防腐措施技术分析
在腐蚀性环境中，PCCP的耐久性设计应该结合材料、构造和附加防腐措施共同考虑，所以清楚这些设计措施如何实现共同防护是实现耐久性设计目标的基础。例如：
1）、表面涂层或片材内衬层是通过阻断腐蚀介质到达管材结构表面以实现防腐效果，则管材腐蚀顺序应是“涂层或片材被腐蚀——砂浆保护层或混凝土被腐蚀——钢材被腐蚀”。PCCP作为预应力构件，应以“钢筋开始锈蚀”作为耐久性极限状态，因此管材的耐久性设计使用年限宜为“涂层或片材保护年限＋混凝土或砂浆保护层的保护年限”。
2）、阴极保护是通过外加阴极电流以延缓或停止正在进行的钢材电化学腐蚀反应，管材腐蚀顺序应是“涂层被腐蚀（如果有）——砂浆保护层被腐蚀——阴极保护系统阴极电流耗尽”，因此，阴极保护系统开始运行的时间节点应是“腐蚀介质透过砂浆保护层并开始对钢筋产生腐蚀作用”。据此原理，在应用阴极保护系统的管线上应设置钢筋腐蚀监控系统，才可能实现阴极保护措施的最佳保护效果，否则这种“以电化学反应抑制电化学反应”的金属防腐蚀技术可能会因为启动时间不合理、电流强弱与腐蚀速率不匹配等原因造成“过保护”或“欠保护”的风险，这是在PCCP管线上应用阴极保护技术时应该重视的。
4 结语
PCCP作为一种性能优越的预应力混凝土压力管材，在其设计过程中贯彻耐久性设计思想是由其作为工程结构构件的本质属性、复杂的服役环境以及预应力薄壁构件的结构特点所决定的。考虑到其在社会经济和民生中发挥的重大作用，进一步提升PCCP的技术性能，保持市场对PCCP的使用信心，是当下PCCP行业应优先考虑的问题。贯彻耐久性设计思想和执行耐久技术措施应该成为解决以上问题的必要手段。
参考文献：
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