PVC波紋管在預(yù)應(yīng)力混凝土工程中的試驗(yàn)應(yīng)用

張連英,唐建榮,安云岐,,李承宇,,趙眾,晁兵,

(1.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018;2.徐州市密封粘接新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221018;3.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005;4.江蘇卓奇新材料科技有限公司，江蘇 徐州 221018)

1986年，瑞士VSL公司推出了“塑料波紋管+真空注漿”預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)，解決了傳統(tǒng)壓力灌漿壓漿不密實(shí)、不飽滿、易產(chǎn)生離析以及干硬后收縮產(chǎn)生孔隙導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋易受腐蝕等問題。1999年，我國建造南京長江二橋時(shí)首次引進(jìn)該技術(shù)，隨后在武漢軍山長江大橋等工程中推廣[1-2]。我國在制訂交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 529—2004《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》時(shí)借鑒瑞士VSL公司技術(shù)，推薦塑料波紋管選用高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯(PP)；2016年，該標(biāo)準(zhǔn)修訂后仍推薦HDPE、PP，沒有考慮PVC波紋管，這應(yīng)歸咎于Cl-的腐蝕影響。

國內(nèi)外混凝土技術(shù)規(guī)范中一直嚴(yán)格限制預(yù)應(yīng)力混凝土中Cl-的總含量，如美國《固定式離岸混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》(ACI 357)規(guī)定可溶性Cl-總含量不超過膠凝材料質(zhì)量的0.06%，日本土木工程學(xué)會(huì)(JSCE)《混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定Cl-總量小于0.3 kg/m3(折算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.2%)；我國相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范為JGJ 369—2016《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG/T B07-01—2006《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》、JTJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》，其中均要求總Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.06%。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)測算，按照PVC波紋管中PVC樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，PVC樹脂中氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%估算，單塊170 mm×1 600 mm×42 500 mm預(yù)應(yīng)力板中PVC波紋管的氯元素占混凝土總質(zhì)量的0.6%，若將這些氯元素當(dāng)作Cl-，則PVC波紋管根本不能用于預(yù)應(yīng)力混凝土。另外，有些非公開發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)道PVC材料在100 ℃即開始釋放HCl[3]，顯然這將對預(yù)應(yīng)力筋與混凝土造成嚴(yán)重腐蝕，危及工程安全。但研究表明[ 4-9]：PVC脫HCl的溫度至少為180 ℃，PVC制品中添加增塑劑、穩(wěn)定劑后還將顯著提高其脫HCl溫度。雖然PVC波紋管中氯含量高，但氯元素受到約束，難以形成游離的Cl-。筆者進(jìn)行了40 ℃的浸泡測試，也沒有發(fā)現(xiàn)HCl或Cl-釋放。在預(yù)應(yīng)力混凝土工程中，塑料波紋管的原始功能僅用于成孔，起到模板作用。早在1997年，我國即有PVC波紋管在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用試驗(yàn)[10-11]。如果PVC波紋管可成功用于預(yù)應(yīng)力混凝土工程，不僅能消除現(xiàn)有的行業(yè)誤區(qū)，開拓PVC波紋管新的市場領(lǐng)域，還將為我國“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的節(jié)材降耗創(chuàng)造有利條件。因此，有必要對PVC波紋管在預(yù)應(yīng)力混凝土工程應(yīng)用的可行性開展探索研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PVC-SG5型樹脂，安徽華塑股份有限公司；CPE，135A，濰坊亞星化學(xué)股份有限公司；ACR，201，蘇州安利化工有限公司；復(fù)合穩(wěn)定劑，自制；碳酸鈣、炭黑等，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

單壁波紋管生產(chǎn)線，青島大三擠出機(jī)械有限公司；維卡測試儀，深圳市新三思機(jī)電設(shè)備有限公司；拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南美特斯測試技術(shù)有限公司；切片機(jī)，蘇州凱特爾儀器設(shè)備有限公司；干燥箱，101-3A，上海特成機(jī)械設(shè)備有限公司；電子天平，F(xiàn)A1004，上海精密儀器儀表有限公司；Cl-含量快速測定儀，DY-2501B，測量范圍為0.000 5%～2.000 0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Cl-分辨率為0.000 1%，深圳市山亞儀器儀表有限公司。

1.3 制樣

(1)配方。

PVC，45～55份；CPE，7～9份；ACR，1.8～2.2份；復(fù)合穩(wěn)定劑，2～3份；碳酸鈣，30～35份；石蠟，0.2～0.5份；硬脂酸，0.2～0.5份；炭黑，0.5～1.0份。

(2)制樣流程。

按配方稱量原料，放入高速混合機(jī)中混合均勻，再投入料斗中，通過輸送管將混合料送到擠出機(jī)的料筒中進(jìn)行擠出成型，其中擠出機(jī)各段加工溫度設(shè)置如下：一區(qū)，150 ℃；二區(qū)，155 ℃；三區(qū)，160 ℃；四區(qū)，165 ℃；五區(qū)，165 ℃；六區(qū)，170 ℃；機(jī)頭，175 ℃。經(jīng)模具真空成型后，采用自來水噴灑冷卻，牽引機(jī)的牽引速度設(shè)置為2 m/min，定長后裁剪，制得PVC波紋管，生產(chǎn)工藝流程見圖1。筆者制備了2種規(guī)格的PVC波紋管：C-75、C-90(C代表圓形管材，75、90代表管材內(nèi)徑為75、90 mm)。

圖1 PVC波紋管的生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process flow of corrugated PVC pipes

1.4 性能測試

PVC波紋管的主要性能按照J(rèn)T/T 529—2016《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》進(jìn)行測試。

PVC波紋管的熱失重測試按照GB/T 19472.1—2004《埋地用聚乙烯(PE)結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng) 第1部分:聚乙烯雙壁波紋管材》中“8.7 烘箱試驗(yàn)”進(jìn)行，老化溫度范圍選擇60～210 ℃，溫差間隔為10 ℃，每個(gè)老化溫度點(diǎn)恒溫30 min，然后取出試樣冷卻到室溫后稱量，計(jì)算其質(zhì)量保持率，每組試樣為5個(gè)測試樣管，管長為2個(gè)波段，取測試結(jié)果的算術(shù)平均值，初始樣計(jì)為100%。

Cl-浸出試驗(yàn)按照GB/T 7023—2011《低、中水平放射性廢物固化體標(biāo)準(zhǔn)浸出試驗(yàn)方法》中的附錄A“短期浸出試驗(yàn)方法”進(jìn)行，將2個(gè)波段長的PVC波紋管從中間剖開，邊角打磨處理后作為2個(gè)測試樣片，每組試樣測試6個(gè)樣片，測量結(jié)果取算術(shù)平均值，浸出劑采用去離子水，浸出溫度為(40±2)℃，試驗(yàn)時(shí)間為90天，每10天統(tǒng)計(jì)1次Cl-累計(jì)浸出率，空白樣計(jì)為0%。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能對比

表1為PVC波紋管與市售同規(guī)格HDPE波紋管基本性能的對比。由于PVC波紋管與HDPE波紋管的氧化機(jī)制不同，難以按照GB/T 19466.6—2009《塑料 差示掃描量熱法(DSC) 第6部分:氧化誘導(dǎo)時(shí)間(等溫OIT)和氧化誘導(dǎo)溫度(動(dòng)態(tài)OIT)的測定》進(jìn)行氧化誘導(dǎo)溫度與誘導(dǎo)氧化時(shí)間的測量，故PVC波紋管沒有進(jìn)行這兩項(xiàng)測試。

表1 PVC波紋管與市售HDPE波紋管的基本性能對比

①抗沖擊性是指低溫落錘試驗(yàn)的真實(shí)沖擊率。②氧化誘導(dǎo)時(shí)間指試樣在高溫氧氣條件下開始發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應(yīng)的時(shí)間。③該指標(biāo)只適用于HDPE管材。

從表1可見：壁厚2 mm的PVC波紋管的主要力學(xué)性能滿足JT/T 529—2016的技術(shù)要求，且明顯優(yōu)于同型號、同壁厚的HDPE波紋管；而HDPE波紋管的壁厚為2 mm時(shí)，其局部橫向荷載不能滿足JT/T 529—2016的要求。

2.2 熱失重試驗(yàn)

圖2為PVC、HDPE波紋管的熱失重曲線。其中，2組HDPE波紋管在130 ℃開始軟化，在150 ℃軟化并塌落成片狀，180 ℃開始黏結(jié)測試托盤，隨后停止測試；2組PVC波紋管在140 ℃開始軟化，在200 ℃軟化并塌落成片狀，在210 ℃開始黏結(jié)測試托盤，隨后停止測試。

由圖2可見：在60～180 ℃時(shí)，PVC波紋管的耐熱性能優(yōu)于HDPE波紋管，且二者的熱失重都低于0.5%，表明二者的樹脂主材沒有發(fā)生明顯的熱降解，也證明PVC波紋管在熱失重試驗(yàn)期間沒有釋放出HCl。國內(nèi)外相關(guān)研究表明[5-6,8]：PVC的熱降解從220 ℃開始，質(zhì)量略有變化；隨著溫度的升高，PVC熱失重速率逐漸增加；從350 ℃左右熱降解開始加速，在400 ℃時(shí)熱失重速率達(dá)到最大。此外，PVC中添加的增塑劑、穩(wěn)定劑等助劑可提高其熱降解脫HCl的溫度。

圖2 PVC、HDPE波紋管的熱失重曲線Fig.2 Thermogravimetric curves of corrugated PVC pipes and corrugated HDPE pipes

2.3 Cl-析出情況

PVC波紋管在40 ℃去離子水中浸泡90天的過程中，未在去離子水中檢測出Cl-。美國ACI 357、日本《混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》、我國JGJ 369—2016、TB 10005—2010、JTG/T B07-01—2006、JTJ 275—2000等規(guī)范中均是對游離性Cl-含量進(jìn)行了要求，而非氯元素。因此，即使PVC波紋管中含有大量的氯元素，如果其能在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不釋放出游離性的Cl-，且不對預(yù)應(yīng)力筋與混凝土造成不利影響，那么PVC波紋管完全有希望在預(yù)應(yīng)力混凝土工程上得到應(yīng)用。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

工作在預(yù)應(yīng)力混凝土中的塑料波紋管一般面臨的極端環(huán)境溫度是多少呢？據(jù)相關(guān)研究及公開報(bào)道[12-15]：夏季高溫季節(jié)瀝青路面溫度可達(dá)到60～70 ℃，如南昌瀝青路面溫度達(dá)到60 ℃ ，杭州瀝青路面溫度達(dá)到70 ℃。同濟(jì)大學(xué)談至明等[16]研究發(fā)現(xiàn)：夏季高溫時(shí)節(jié)寧波瀝青路面120 mm深處溫度達(dá)到48 ℃。綜合現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范要求，最低腐蝕環(huán)境下(如大氣區(qū))預(yù)應(yīng)力混凝土保護(hù)層厚度不小于40 mm，那么夏季預(yù)應(yīng)力混凝土中波紋管的環(huán)境極端高溫應(yīng)在80 ℃以下，持續(xù)時(shí)間不超過8 h(如9：00～17：00)。因此，可以預(yù)判，在60～210 ℃熱失重<0.5%的PVC波紋管，面對夏季預(yù)應(yīng)力混凝土的環(huán)境極端高溫環(huán)境，其可以長期保持穩(wěn)定，不釋放出游離性Cl-。

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果與理論分析，筆者采用PVC波紋管制備了預(yù)應(yīng)力混凝土梁、板試件，利用無錫蘇南試驗(yàn)設(shè)備有限公司的“工程結(jié)構(gòu)多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)”(見圖4)進(jìn)行5 000 h實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)(相當(dāng)于工程應(yīng)用25年)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在PVC波紋管內(nèi)外側(cè)20 mm范圍內(nèi)，均未檢測到Cl-含量增加的情況，說明PVC波紋管未釋放出Cl-。另外，未觀察到預(yù)應(yīng)力筋表面有明顯的銹蝕現(xiàn)象。

圖3 工程結(jié)構(gòu)多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)Fig.3 Analogue system for engineering structure multifunctional environment

4 結(jié)論

(1)PVC波紋管的性能滿足JT/T 529—2016的要求，且優(yōu)于相同規(guī)格、壁厚的HDPE波紋管。

(2)PVC波紋管在210 ℃以下時(shí)熱失重<0.5%，性能穩(wěn)定可靠。

(3)PVC波紋管在40 ℃去離子水中浸泡90天的過程中無Cl-析出。

(4)5 000 h環(huán)境模擬加速試驗(yàn)過程中，PVC波紋管內(nèi)外側(cè)20 mm范圍內(nèi)無Cl-析出。