PVC波紋管在預應力混凝土工程中的試驗應用

張連英,唐建榮,安云岐,,李承宇,,趙眾,晁兵,

(1.徐州工程學院土木工程學院，江蘇 徐州 221018;2.徐州市密封粘接新材料工程技術研究中心，江蘇 徐州 221018;3.柳州歐維姆機械股份有限公司，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”預應力混凝土施工技術，解決了傳統壓力灌漿壓漿不密實、不飽滿、易產生離析以及干硬后收縮產生孔隙導致預應力筋易受腐蝕等問題。1999年，我國建造南京長江二橋時首次引進該技術，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標準JT/T 529—2004《預應力混凝土橋梁用塑料波紋管》時借鑒瑞士VSL公司技術，推薦塑料波紋管選用高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯(PP)；2016年，該標準修訂后仍推薦HDPE、PP，沒有考慮PVC波紋管，這應歸咎于Cl-的腐蝕影響。

國內外混凝土技術規范中一直嚴格限制預應力混凝土中Cl-的總含量，如美國《固定式離岸混凝土結構設計與施工指南》(ACI 357)規定可溶性Cl-總含量不超過膠凝材料質量的0.06%，日本土木工程學會(JSCE)《混凝土標準規范》規定Cl-總量小于0.3 kg/m3(折算為質量分數0.1%～0.2%)；我國相關的設計規范為JGJ 369—2016《預應力混凝土結構設計規范》、TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》、JTG/T B07-01—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規程》、JTJ 275—2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》，其中均要求總Cl-質量分數≤0.06%。

根據常規設計測算，按照PVC波紋管中PVC樹脂的質量分數為50%，PVC樹脂中氯元素的質量分數為50%估算，單塊170 mm×1 600 mm×42 500 mm預應力板中PVC波紋管的氯元素占混凝土總質量的0.6%，若將這些氯元素當作Cl-，則PVC波紋管根本不能用于預應力混凝土。另外，有些非公開發表的文獻報道PVC材料在100 ℃即開始釋放HCl[3]，顯然這將對預應力筋與混凝土造成嚴重腐蝕，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-。筆者進行了40 ℃的浸泡測試，也沒有發現HCl或Cl-釋放。在預應力混凝土工程中，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波紋管在預應力混凝土中的應用試驗[10-11]。如果PVC波紋管可成功用于預應力混凝土工程，不僅能消除現有的行業誤區，開拓PVC波紋管新的市場領域，還將為我國“一帶一路”基礎設施建設的節材降耗創造有利條件。因此，有必要對PVC波紋管在預應力混凝土工程應用的可行性開展探索研究。

1 試驗部分

1.1 主要原料

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

1.2 主要儀器設備

單壁波紋管生產線，青島大三擠出機械有限公司；維卡測試儀，深圳市新三思機電設備有限公司；拉力試驗機，濟南美特斯測試技術有限公司；切片機，蘇州凱特爾儀器設備有限公司；干燥箱，101-3A，上海特成機械設備有限公司；電子天平，FA1004，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%(質量分數)，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；復合穩定劑，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的料筒中進行擠出成型，其中擠出機各段加工溫度設置如下：一區，150 ℃；二區，155 ℃；三區，160 ℃；四區，165 ℃；五區，165 ℃；六區，170 ℃；機頭，175 ℃。經模具真空成型后，采用自來水噴灑冷卻，牽引機的牽引速度設置為2 m/min，定長后裁剪，制得PVC波紋管，生產工藝流程見圖1。筆者制備了2種規格的PVC波紋管：C-75、C-90(C代表圓形管材，75、90代表管材內徑為75、90 mm)。

圖1 PVC波紋管的生產工藝流程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JT/T 529—2016《預應力混凝土橋梁用塑料波紋管》進行測試。

PVC波紋管的熱失重測試按照GB/T 19472.1—2004《埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統 第1部分:聚乙烯雙壁波紋管材》中“8.7 烘箱試驗”進行，老化溫度范圍選擇60～210 ℃，溫差間隔為10 ℃，每個老化溫度點恒溫30 min，然后取出試樣冷卻到室溫后稱量，計算其質量保持率，每組試樣為5個測試樣管，管長為2個波段，取測試結果的算術平均值，初始樣計為100%。

Cl-浸出試驗按照GB/T 7023—2011《低、中水平放射性廢物固化體標準浸出試驗方法》中的附錄A“短期浸出試驗方法”進行，將2個波段長的PVC波紋管從中間剖開，邊角打磨處理后作為2個測試樣片，每組試樣測試6個樣片，測量結果取算術平均值，浸出劑采用去離子水，浸出溫度為(40±2)℃，試驗時間為90天，每10天統計1次Cl-累計浸出率，空白樣計為0%。

2 結果與討論

2.1 基本性能對比

表1為PVC波紋管與市售同規格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:氧化誘導時間(等溫OIT)和氧化誘導溫度(動態OIT)的測定》進行氧化誘導溫度與誘導氧化時間的測量，故PVC波紋管沒有進行這兩項測試。

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的真實沖擊率。②氧化誘導時間指試樣在高溫氧氣條件下開始發生自動催化氧化反應的時間。③該指標只適用于HDPE管材。

從表1可見：壁厚2 mm的PVC波紋管的主要力學性能滿足JT/T 529—2016的技術要求，且明顯優于同型號、同壁厚的HDPE波紋管；而HDPE波紋管的壁厚為2 mm時，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

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 ℃開始黏結測試托盤，隨后停止測試。

由圖2可見：在60～180 ℃時，PVC波紋管的耐熱性能優于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生明顯的熱降解，也證明PVC波紋管在熱失重試驗期間沒有釋放出HCl。國內外相關研究表明[5-6,8]：PVC的熱降解從220 ℃開始，質量略有變化；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 ℃時熱失重速率達到最大。此外，PVC中添加的增塑劑、穩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《混凝土標準規范》、我國JGJ 369—2016、TB 10005—2010、JTG/T B07-01—2006、JTJ 275—2000等規范中均是對游離性Cl-含量進行了要求，而非氯元素。因此，即使PVC波紋管中含有大量的氯元素，如果其能在設計壽命期內不釋放出游離性的Cl-，且不對預應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應力混凝土工程上得到應用。

3 應用試驗

工作在預應力混凝土中的塑料波紋管一般面臨的極端環境溫度是多少呢？據相關研究及公開報道[12-15]：夏季高溫季節瀝青路面溫度可達到60～70 ℃，如南昌瀝青路面溫度達到60 ℃ ，杭州瀝青路面溫度達到70 ℃。同濟大學談至明等[16]研究發現：夏季高溫時節寧波瀝青路面120 mm深處溫度達到48 ℃。綜合現有技術規范要求，最低腐蝕環境下(如大氣區)預應力混凝土保護層厚度不小于40 mm，那么夏季預應力混凝土中波紋管的環境極端高溫應在80 ℃以下，持續時間不超過8 h(如9：00～17：00)。因此，可以預判，在60～210 ℃熱失重<0.5%的PVC波紋管，面對夏季預應力混凝土的環境極端高溫環境，其可以長期保持穩定，不釋放出游離性Cl-。

結合以上試驗結果與理論分析，筆者采用PVC波紋管制備了預應力混凝土梁、板試件，利用無錫蘇南試驗設備有限公司的“工程結構多功能環境模擬系統”(見圖4)進行5 000 h實驗室模擬加速試驗(相當于工程應用25年)。試驗結果表明：在PVC波紋管內外側20 mm范圍內，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，未觀察到預應力筋表面有明顯的銹蝕現象。

圖3 工程結構多功能環境模擬系統Fig.3 Analogue system for engineering structure multifunctional environment

4 結論

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

(2)PVC波紋管在210 ℃以下時熱失重<0.5%，性能穩定可靠。

(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環境模擬加速試驗過程中，PVC波紋管內外側20 mm范圍內無Cl-析出。