PVC波纹管在预应力混凝土工程中的试验应用

张连英,唐建荣,安云岐,,李承宇,,赵众,晁兵,

(1.徐州工程学院土木工程学院，江苏 徐州 221018;2.徐州市密封粘接新材料工程技术研究中心，江苏 徐州 221018;3.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545005;4.江苏卓奇新材料科技有限公司，江苏 徐州 221018)

1986年，瑞士VSL公司推出了“塑料波纹管+真空注浆”预应力混凝土施工技术，解决了传统压力灌浆压浆不密实、不饱满、易产生离析以及干硬后收缩产生孔隙导致预应力筋易受腐蚀等问题。1999年，我国建造南京长江二桥时首次引进该技术，随后在武汉军山长江大桥等工程中推广[1-2]。我国在制订交通行业标准JT/T 529—2004《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》时借鉴瑞士VSL公司技术，推荐塑料波纹管选用高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯(PP)；2016年，该标准修订后仍推荐HDPE、PP，没有考虑PVC波纹管，这应归咎于Cl-的腐蚀影响。

国内外混凝土技术规范中一直严格限制预应力混凝土中Cl-的总含量，如美国《固定式离岸混凝土结构设计与施工指南》(ACI 357)规定可溶性Cl-总含量不超过胶凝材料质量的0.06%，日本土木工程学会(JSCE)《混凝土标准规范》规定Cl-总量小于0.3 kg/m3(折算为质量分数0.1%～0.2%)；我国相关的设计规范为JGJ 369—2016《预应力混凝土结构设计规范》、TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》、JTG/T B07-01—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规程》、JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》，其中均要求总Cl-质量分数≤0.06%。

根据常规设计测算，按照PVC波纹管中PVC树脂的质量分数为50%，PVC树脂中氯元素的质量分数为50%估算，单块170 mm×1 600 mm×42 500 mm预应力板中PVC波纹管的氯元素占混凝土总质量的0.6%，若将这些氯元素当作Cl-，则PVC波纹管根本不能用于预应力混凝土。另外，有些非公开发表的文献报道PVC材料在100 ℃即开始释放HCl[3]，显然这将对预应力筋与混凝土造成严重腐蚀，危及工程安全。但研究表明[ 4-9]：PVC脱HCl的温度至少为180 ℃，PVC制品中添加增塑剂、稳定剂后还将显著提高其脱HCl温度。虽然PVC波纹管中氯含量高，但氯元素受到约束，难以形成游离的Cl-。笔者进行了40 ℃的浸泡测试，也没有发现HCl或Cl-释放。在预应力混凝土工程中，塑料波纹管的原始功能仅用于成孔，起到模板作用。早在1997年，我国即有PVC波纹管在预应力混凝土中的应用试验[10-11]。如果PVC波纹管可成功用于预应力混凝土工程，不仅能消除现有的行业误区，开拓PVC波纹管新的市场领域，还将为我国“一带一路”基础设施建设的节材降耗创造有利条件。因此，有必要对PVC波纹管在预应力混凝土工程应用的可行性开展探索研究。

1 试验部分

1.1 主要原料

PVC-SG5型树脂，安徽华塑股份有限公司；CPE，135A，潍坊亚星化学股份有限公司；ACR，201，苏州安利化工有限公司；复合稳定剂，自制；碳酸钙、炭黑等，市售。

1.2 主要仪器设备

单壁波纹管生产线，青岛大三挤出机械有限公司；维卡测试仪，深圳市新三思机电设备有限公司；拉力试验机，济南美特斯测试技术有限公司；切片机，苏州凯特尔仪器设备有限公司；干燥箱，101-3A，上海特成机械设备有限公司；电子天平，FA1004，上海精密仪器仪表有限公司；Cl-含量快速测定仪，DY-2501B，测量范围为0.000 5%～2.000 0%(质量分数)，Cl-分辨率为0.000 1%，深圳市山亚仪器仪表有限公司。

1.3 制样

(1)配方。

PVC，45～55份；CPE，7～9份；ACR，1.8～2.2份；复合稳定剂，2～3份；碳酸钙，30～35份；石蜡，0.2～0.5份；硬脂酸，0.2～0.5份；炭黑，0.5～1.0份。

(2)制样流程。

按配方称量原料，放入高速混合机中混合均匀，再投入料斗中，通过输送管将混合料送到挤出机的料筒中进行挤出成型，其中挤出机各段加工温度设置如下：一区，150 ℃；二区，155 ℃；三区，160 ℃；四区，165 ℃；五区，165 ℃；六区，170 ℃；机头，175 ℃。经模具真空成型后，采用自来水喷洒冷却，牵引机的牵引速度设置为2 m/min，定长后裁剪，制得PVC波纹管，生产工艺流程见图1。笔者制备了2种规格的PVC波纹管：C-75、C-90(C代表圆形管材，75、90代表管材内径为75、90 mm)。

图1 PVC波纹管的生产工艺流程Fig.1 Production process flow of corrugated PVC pipes

1.4 性能测试

PVC波纹管的主要性能按照JT/T 529—2016《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》进行测试。

PVC波纹管的热失重测试按照GB/T 19472.1—2004《埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统 第1部分:聚乙烯双壁波纹管材》中“8.7 烘箱试验”进行，老化温度范围选择60～210 ℃，温差间隔为10 ℃，每个老化温度点恒温30 min，然后取出试样冷却到室温后称量，计算其质量保持率，每组试样为5个测试样管，管长为2个波段，取测试结果的算术平均值，初始样计为100%。

Cl-浸出试验按照GB/T 7023—2011《低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法》中的附录A“短期浸出试验方法”进行，将2个波段长的PVC波纹管从中间剖开，边角打磨处理后作为2个测试样片，每组试样测试6个样片，测量结果取算术平均值，浸出剂采用去离子水，浸出温度为(40±2)℃，试验时间为90天，每10天统计1次Cl-累计浸出率，空白样计为0%。

2 结果与讨论

2.1 基本性能对比

表1为PVC波纹管与市售同规格HDPE波纹管基本性能的对比。由于PVC波纹管与HDPE波纹管的氧化机制不同，难以按照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》进行氧化诱导温度与诱导氧化时间的测量，故PVC波纹管没有进行这两项测试。

表1 PVC波纹管与市售HDPE波纹管的基本性能对比

①抗冲击性是指低温落锤试验的真实冲击率。②氧化诱导时间指试样在高温氧气条件下开始发生自动催化氧化反应的时间。③该指标只适用于HDPE管材。

从表1可见：壁厚2 mm的PVC波纹管的主要力学性能满足JT/T 529—2016的技术要求，且明显优于同型号、同壁厚的HDPE波纹管；而HDPE波纹管的壁厚为2 mm时，其局部横向荷载不能满足JT/T 529—2016的要求。

2.2 热失重试验

图2为PVC、HDPE波纹管的热失重曲线。其中，2组HDPE波纹管在130 ℃开始软化，在150 ℃软化并塌落成片状，180 ℃开始黏结测试托盘，随后停止测试；2组PVC波纹管在140 ℃开始软化，在200 ℃软化并塌落成片状，在210 ℃开始黏结测试托盘，随后停止测试。

由图2可见：在60～180 ℃时，PVC波纹管的耐热性能优于HDPE波纹管，且二者的热失重都低于0.5%，表明二者的树脂主材没有发生明显的热降解，也证明PVC波纹管在热失重试验期间没有释放出HCl。国内外相关研究表明[5-6,8]：PVC的热降解从220 ℃开始，质量略有变化；随着温度的升高，PVC热失重速率逐渐增加；从350 ℃左右热降解开始加速，在400 ℃时热失重速率达到最大。此外，PVC中添加的增塑剂、稳定剂等助剂可提高其热降解脱HCl的温度。

图2 PVC、HDPE波纹管的热失重曲线Fig.2 Thermogravimetric curves of corrugated PVC pipes and corrugated HDPE pipes

2.3 Cl-析出情况

PVC波纹管在40 ℃去离子水中浸泡90天的过程中，未在去离子水中检测出Cl-。美国ACI 357、日本《混凝土标准规范》、我国JGJ 369—2016、TB 10005—2010、JTG/T B07-01—2006、JTJ 275—2000等规范中均是对游离性Cl-含量进行了要求，而非氯元素。因此，即使PVC波纹管中含有大量的氯元素，如果其能在设计寿命期内不释放出游离性的Cl-，且不对预应力筋与混凝土造成不利影响，那么PVC波纹管完全有希望在预应力混凝土工程上得到应用。

3 应用试验

工作在预应力混凝土中的塑料波纹管一般面临的极端环境温度是多少呢？据相关研究及公开报道[12-15]：夏季高温季节沥青路面温度可达到60～70 ℃，如南昌沥青路面温度达到60 ℃ ，杭州沥青路面温度达到70 ℃。同济大学谈至明等[16]研究发现：夏季高温时节宁波沥青路面120 mm深处温度达到48 ℃。综合现有技术规范要求，最低腐蚀环境下(如大气区)预应力混凝土保护层厚度不小于40 mm，那么夏季预应力混凝土中波纹管的环境极端高温应在80 ℃以下，持续时间不超过8 h(如9：00～17：00)。因此，可以预判，在60～210 ℃热失重<0.5%的PVC波纹管，面对夏季预应力混凝土的环境极端高温环境，其可以长期保持稳定，不释放出游离性Cl-。

结合以上试验结果与理论分析，笔者采用PVC波纹管制备了预应力混凝土梁、板试件，利用无锡苏南试验设备有限公司的“工程结构多功能环境模拟系统”(见图4)进行5 000 h实验室模拟加速试验(相当于工程应用25年)。试验结果表明：在PVC波纹管内外侧20 mm范围内，均未检测到Cl-含量增加的情况，说明PVC波纹管未释放出Cl-。另外，未观察到预应力筋表面有明显的锈蚀现象。

图3 工程结构多功能环境模拟系统Fig.3 Analogue system for engineering structure multifunctional environment

4 结论

(1)PVC波纹管的性能满足JT/T 529—2016的要求，且优于相同规格、壁厚的HDPE波纹管。

(2)PVC波纹管在210 ℃以下时热失重<0.5%，性能稳定可靠。

(3)PVC波纹管在40 ℃去离子水中浸泡90天的过程中无Cl-析出。

(4)5 000 h环境模拟加速试验过程中，PVC波纹管内外侧20 mm范围内无Cl-析出。