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摘 要：基于工程实际要求，对内衬高密度聚乙烯（HDPE）片材化学物理性能及内衬HDPE片材钢筋混凝土管节进行了试验研究，包括内衬HDPE单键和多键的抗拉拔试验、管节接头抗内水压和外水压试验、HDPE片材覆贴接头抗外水压试验、外压荷载试验， 可为HDPE片材在钢筋混凝土排水管中的应用和推广提供参考。 关键词：HDPE片材；大口径；钢筋混凝土排水管；试验方法 近年来，大规模的城镇化建设有力地推动了城市市政基础设施建设的发展。以钢筋混凝土管为主要结构构筑物的地下排水管网是城市市政基础设施的重要组成部分，有效地保障了城市生活污水、生产污水的收集输送，汛、涝积水的排放。然而，管网管道中的污水成分复杂，极易生成H2S气体，且氧化后易生成H2SO4附着在混凝土管道内壁，从而腐蚀管道内壁混凝土结构层和钢筋，破坏管道结构，影响管线营运寿命和使用安全。特别是一些大口径干线管道尚未达到设计使用年限，管道内部已严重腐蚀，无法正常营运使用，重建或维护维修成本巨大。资料显示，上海地区每年用于管道维修的投入大于新建管线的建设投资。无论从经济效益，还是从社会效益方面考量，排水管道有效的防腐处理是一个亟待解决的问题。目前，最常用的方法是在管道内表面涂刷环氧树脂、聚氨脂树脂、氟树脂、有机硅树脂等有机类防腐蚀涂层或在混凝土管体内壁制作防腐砂浆层。工程实践证明，管线运营使用一定时间后，涂刷的有机防腐涂层会出现不同程度的剥落问题，影响防腐效果。而内衬防腐砂浆层管材的生产受限于制管工艺，很难实现直径1 200 mm以上管材的生产要求。 高密度聚乙烯（以下简称HDPE）是一种新型内衬防腐片材，具有耐酸、耐碱的特性，质地微软，具有一定的断裂拉伸性能。HDPE片材上的V形锚固键能嵌入管体内壁的混凝土层，可增强握裹力，适应管体的受力变形。目前，我国没有内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管工程应用规范。 龙阳路立交地下管线改建是上海污水输送干管南干线改造的重点工程，长约20 km，全线使用内径3 500 mm的大口径钢承口钢筋混凝土排水管，采用顶进法施工。为消除污水腐蚀对管道产生的安全隐患和次生灾害，增强管道防腐能力，本文结合管线井位污水收集的具体工况，根据防腐与管道营运使用同寿命的要求，开展了内衬HDPE片材大口径钢筋混凝土排水管的设计、生产制作及施工工法的研究，并从锚固形式、接口处理、力学性能、防腐特性、施工便利性及工程造价等方面综合评估，着重进行HDPE片材的材性测试（化学性能及物理性能）和HDPE片材内衬大口径钢筋混凝土管的功能性试验，检验产品性能在实际工程应用中的可行性，以期为其推广应用提供借鉴。 用于钢筋混凝土排水管防腐内衬的HDPE片材是在厚度1.5～5.0 mm的HDPE平板板材上，采用热熔工艺熔接同种材料V型锚固键制成的产品。根据拟定的HDPE片材材料检测及内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管试验大纲要求，试验选用A、B两个不同厂家生产的厚2 mm 、键高13 mm的HDPE片材，分别进行蒸汽加热（100 ℃，12 h）和未加热两种处理方式，制作四组试样，按GB/T 11547—2008《塑料耐液体化学试剂性能的测定》、GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分:浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》、GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》、GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法 第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》、GB/T 1034—2008《塑料 吸水性的测定》、GB/T 19466.6—2009《塑料 差示扫描量热法（DSC）第6部分：氧化诱导时间（等温OIT）和氧化诱导温度（动态OIT）的测定》、GB/T 3512—2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验》、GB/T 1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐液体试验方法》、GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》、GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》、GB/T 5478—2008《塑料 滚动磨损试验方法》和GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》等相关标准测试HDPE片材的耐化学试剂性能和物理力学性能，测试结果分别见表1和表2。 测试结果表明：①HDPE片材的耐化学试剂性能满足排水管道防腐的设计要求；②HDPE片材经蒸汽加热后，其耐化学试剂性能和物理力学性能较未加热的同种材料几乎相同。由此推测，HDPE片材用作钢筋混凝土排水管的内衬防腐材料能满足管子生产过程中蒸汽养护工艺对耐腐蚀片材的要求。 模拟施工和使用工况条件，制作两节内径3 500 mm的内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管，进行管节力学性能试验，检验管节生产工艺与产品性能能否达到管道的施工与使用要求。试验包含以下五个内容：①HDPE片材单键抗拉拔试验；②内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管外水压力试验；③内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管接头抗内、外水压力及密闭性能试验；④内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管三点法外压荷载试验（检验在外压荷载作用下内衬片材对管体结构的影响）；⑤HDPE片材多键抗拉拔试验（检验HDPE片材多键抗拉拔力）。 以上试验除外压荷载试验可参照GB/T 16752—2017《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法》外，其余试验无相关资料可依，均为工程应用模拟试验。 2.1 单键抗拉拔试验 试验目的：测试HDPE内衬片材单个锚固键浇筑在混凝土中所能承受的极限拉拔力，单键抗拉拔力目标值不小于1.0 kN。 试验方法：①分别裁制面积150 mm×150 mm的A、B两种HDPE片材，保证其中心位置包含一个锚固键，并切除其他锚固键，按蒸汽加热和未加热分成四组，每组三块；②制作尺寸150 mm×150 mm×150 mm混凝土试块，试块制作时将裁制的HDPE片材置于试模底面，试块标准养护28 d；③将钢板上热熔连接牢固的HDPE片材与浇筑在混凝土试块上的单键HDPE片材热熔连接，并用螺杆连接拉拔仪进行加载。单键抗拉拔试验示意图见图1。 数据采集：采用分级加载，前两级按最大试验荷载值30%级差加荷至60%，持荷1 min；继续按最大试验荷载值20%级差加载至80%，持荷1 min；最后按最大试验荷载值10%级差加载至100%。若仍可加载，则继续按最大试验荷载值的10%级差加载至锚固键剥离，记录最终加载值。持荷时观察拉拔仪读数；若荷载能保持稳定，则表明锚固键与混凝土试块连接牢固，持荷1 min后进入下一级荷载。若在某级荷载作用下锚固键被拔出或在某级荷载增加的过程中锚固键被拔出，则上一级荷载值即为破坏荷载值。抗拉拔试验结果见表3。 试验结果表明：①HDPE片材单键抗拉拔力高于试验目标值1.0 kN；②同种HDPE片材经蒸汽加热与未加热后的抗拉拔力相差不大。 2.2 外水压力试验 试验目的：测试在工作条件下（特别是在外压荷载作用下），当管体出现裂缝，地下水沿裂缝向内壁渗漏后，内衬HDPE片材与混凝土结合面承受外水压的能力。 试验方法：制作两节内径3 500 mm的内衬HDPE片材钢筋混凝土排水管，绕圆周等点预埋6根试压管（贯穿管体混凝土结构层，即从管体外壁到内衬HDPE界面）。采用手动水压泵进行加压，选取6根试压管中的3根进行注水加压。试验水压设计值为0.42 MPa（外压荷载试验时，同步对剩余3根试压管进行注水加压，并观察内衬HDPE片材在管节出现裂缝时，结合面承受外水压的情况。 数值采集：按每级0.05 MPa分级加压，每级持压5 min；加压至0.15 MPa后按每级0.03 MPa分级加压，每级持压5 min。记录施加水压时，内衬HDPE片材和混凝土结合面的变化情况；按上、下、左、右各取100 mm的原则，以试压管为中心，在HDPE片材上布置9个位移计，测量内衬HDPE片材在外水压力作用下各测量点位移。试压管埋设及位移计布置见图2，试验结果见表4，管节未施加外压荷载。 试验结果表明：在外水压力作用下，水压通过试压管加注在内衬HDPE片材与混凝土结合面处，内衬HDPE片材位移变形量较小，仅为0～0.44 mm，最大变形位置出现在试压管处，即位移测点S1。由于内衬HDPE片材与管体混凝土通过V形锚固键嵌入结合，外水压易渗透进入内衬HDPE片材与混凝土结合面的间隙，并沿结合面阻力最小的通道从管节端部流出。试验过程中，渗水出现在管节端面固定的几个点，由此可推测，试验过程中渗水面积和压力都较小。 由单键在混凝土中的抗拉拔试验结果可知（抗拉拔力≥1.0 kN），内衬HDPE片材与管体混凝土的结合面能承受较大的外水压力，当内衬HDPE片材和管体混凝土结合面的间隙较大时，渗水较大，外水压力无法维持；当内衬HDPE片材和管体混凝土结合面的间隙较小时，渗水较小，外水压较大，但大部分内衬部位没有渗水，内衬除注水孔部位水压较大外，其余部位较小，总压力也较小。当外水压力增大至一定数值时，内衬HDPE片材将会出现撑起鼓胀的现象，内衬HDPE片材和管体混凝土结合面的缝隙也将增大，从而降低两者结合面间隙中的外水压力。 2.3 接头抗内、外水压试验 试验目的：检验管节接头处采用内衬HDPE片材覆贴熔接密封处理和不用片材覆贴熔接密封处理两种工况条件下，接头承受内、外水压的能力。 2.3.1 接头抗内水压试验 试验方法：竖向连接管节承口与插口，在接头内壁安装环形内水压试验装置，通过注水加压测试接口承受内水压的能力，试验装置见图3。 数据采集：采用电动水压泵加压，按每级0.05 MPa增量分级加压，每级持压5 min；加压至0.15 MPa后，按每级0.03 MPa增量分级加压，每级持压5 min。记录水压变化情况，并观察内衬HDPE片材及接头是否出现渗水现象。试验目标值为0.3 MPa。 2.3.2 接头抗外水压试验 试验方法：竖向连接管节承口与插口，在接头外壁安装环形外水压试验装置，通过注水加压测试接头承受外水压的能力，试验装置见图4。 数据采集：采用电动水压泵进行加压，按每级0.05 MPa增量分级加载，每级持压5 min；加压至0.15 MPa后，按每级0.03 MPa增量分级加压，每级持压5 min。记录水压变化情况，并观察接头处的抗外水压能力。试验目标值0.6 MPa。 2.3.3 HDPE片材覆贴接头抗外水压试验 试验方法：在管节钢承口对应插口部位钻取?覫10 mm孔洞，并在管体外侧安装环形外水压试验装置，在接头内侧覆贴尺寸2 mm×160 mm的HDPE片材，使用热熔焊枪在温度280 ℃下进行熔接密封处理，通过注水加压，检测接头的抗外水压能力和接头的止水密闭性能，试验装置见图5。 数据采集：采用电动水压泵进行加压，按每级0.05 MPa增量分级加压，每级持压5 min；加压至0.15 MPa后，按每级0.03 MPa增量分级加压，每级保持5 min。记录水压变化情况，并观察HDPE片材覆贴接头、管体端部和管壁是否出现渗水情况。试验目标值为0.6 MPa。 管节接头抗内、外水压试验结果见表5。 试验结果表明：当接头内壁未经HDPE片材覆贴熔接密封处理，在内水压0.30 MPa以下或外水压0.60 MPa以下，接头无渗水情况，表明接头的抗内、外水压能力满足设计要求。 接头采用HDPE片材覆贴熔接密封处理后，内衬材料在外水压力作用下，片材熔接质量难以保证密闭不发生渗漏。覆贴的内衬HDPE片材（无锚固键）将同时承受接头渗水和管身渗水（沿内衬HDPE片材与混凝土结合面流向接头两端）压力，从而产生鼓胀变形。 2.4 外压荷载试验 试验目的：在外压荷载作用下，测试内衬HDPE片材对钢筋混凝土管结构裂缝荷载和破坏荷载的影响。试验裂缝荷载设计值为298 kN/m，破坏荷载目标值为447 kN/m。 试验方法：①按GB/T 16752—2017采用三点法加载；②对试验管节施加荷载的同时，通过管节上预埋的试压管按级注水加压，观察内衬HDPE片材与管体混凝土结合面在外压荷载与外水压力共同作用下的情况。三点法外压荷载试验见图6。三点法外压荷载试验结果见表6，同步抗外水压试验结果见表7。
由表6和表7可知，在外压荷载试验中，实测裂缝荷载大于298 kN/m，破坏荷载大于447 kN/m，满足工程设计要求。在外压荷载作用下，内衬HDPE片材与管节混凝土结合面间隙是外压水的渗流通道，水流沿管体两端流出。由于管节受压变形较小，内衬HDPE片材变形也较小，较小的变形不能使HDPE材料产生足够的应力，因此，内衬HDPE片材对钢筋混凝土管节的外压荷载试验结果几乎不产生影响。同时，由于管体内表面被内衬HDPE片材覆裹，裂缝只能通过管体外壁和端面测得，较直接从管体内表面测得的裂缝大小可能有所差异，但根据笔者多年的工作经验，推测二者的大小差异应该较小。 2.5 多键抗拉拔试验 试验目的：测试多个V形锚固键与管体混凝土结合面的最大啮合强度。试验设定5个V形锚固键从管体混凝土结构层中剥离时的最大荷载目标值不小于5.0 kN。 试验方法：①任取三处内衬HDPE片材试验区域，每处包含五个锚固键，分别进行抗拉拔试验，以三处拉拔强度的平均值作为评判值。内衬HDPE片材选择区域见图7；②选取尺寸14 mm×90 mm×132 mm钢板，为增加钢板平面粗糙度和内衬HDPE片材熔接表面积，在其上焊接若干一定直径的带肋钢筋，在试验处将HDPE片材割开，加热至熔化，并同钢板上熔接的HDPE材料熔接成一体，冷却固化后进行试验。
数值采集：试验采用分级加荷，前两级按最大试验荷载值的30%级差加载至60%，持荷1 min；继续按最大试验荷载值的20%级差加载至80%，持荷1 min；最后按最大试验荷载值的10%级差加载至100%，持荷1 min。若仍未破坏，则继续按最大试验荷载值的10%级差加载至内衬HDPE片材与钢筋混凝土管体剥离，记录最终加载值。持荷时观察拉拔仪的荷载读数，若荷载能保持稳定，则表明内衬材料连接牢固，持荷1 min后进入下一级加载。若在某级荷载作用下，锚固键被拔出或在向某级荷载加荷的过程中锚固键被拔出，则上一级的荷载值为最大抗拉拔荷载值。 试验结果表明，三个测试点的破坏时刻都发生在从某级荷载向下一级荷载加荷的过程中，可观察到锚固键从管节混凝土中缓慢脱离，直至全部拔出。具体破坏荷载及破坏形式见表8。
多键抗拉拔荷载值均超过了目标值5.0 kN。但鉴于HDPE材料的特殊性，目前尚无法将HDPE片材与钢板进行有效粘接。采用热熔的方法将二者进行粘接时，HDPE材料因受热，材料力学性能可能会受到一定的影响，推测实际的内衬表面多键抗拔值应大于试验数值。 （1）采用HDPE片材作为大口径钢筋混凝土管的防腐内衬，其优良的化学、物理力学性能能够满足管材生产制作、工程使用的要求。一定高度的V型锚固键通过嵌入方式，可以与管节混凝土结构层形成整体，起到管道防腐蚀作用，是一种较为理想的内衬材料。 （2）内衬HDPE片材与管节混凝土的连接是锚固键与混凝土结构层间的点位连接，不是界面粘贴连接，单位面积内的锚固键数量直接影响结合效果。二者连接结合面之间固有的缝隙易形成渗水通路，生产过程中除应严格控制内衬HDPE片材的几何尺寸外，管道敷设施工完成后，管节的接头处理也应得到重视，可根据管线的具体工况要求对管节接头进行处理。 （3）为提高管材的防腐效果，接头处的内衬HDPE片材可采用全部或者局部熔接密封处理，如不进行熔接密封处理，建议可采用聚酯密封膏进行接头嵌缝。 |
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