本发明涉及内衬式预应力钢筒混凝土管的一种长效防腐蚀方法，尤其是采用高变形能力的超高性能混凝土，在腐蚀性环境中保护管道中钢材长期不锈蚀以及保护混凝土内衬免受污水腐蚀。
背景技术：
预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）是一种输水管材，起源于法国，上世纪40年代欧美开始发展、80年代在中国开始发展和应用。
PCCP是由带钢筒的高强混凝土管芯缠绕预应力钢丝，再喷以水泥砂浆保护层而构成；用钢制承插口和钢筒焊在一起，由承插口上的凹槽与胶圈形成滑动式柔性接头。PCCP按结构（钢筒在管芯中的位置）分为内衬式预应力钢筒混凝土管（简称PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土管（简称PCCPE）。PCCPL以薄钢筒内衬混凝土作为管芯，然后在薄钢筒外缠绕环向预应力钢丝并制作砂浆保护层，适合于口径DN400～1200mm的管道。PCCPE以薄钢筒埋置于混凝土管芯内，然后在混凝土管芯外缠绕环向预应力钢丝并制作砂浆保护层，适合于口径DN1400～4000mm的管道。本发明针对内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）。
PCCP是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组合而成的复合型管材，具有钢材和混凝土各自的特性，包括可以承受高内外压、刚度大、抗渗强、密封严、安装方便、抗震性能好、运行和维护费用低等特点，因而在国内外的长距离输水干管、城市供水和工业有压排水（包括一般电厂、核电站）、压力倒虹吸、污水压力干管、水下管道（清洁水或盐水）、溢流管等工程中被广泛采用。用于大型输水管道，PCCP与钢管、球墨铸铁管相比，优势在于制造成本低，以及抗腐蚀和维护费用低。
美国曾经评估，PCCP的使用寿命在75～100年。然而，应用至今，PCCP的耐久性和可靠性越来越受到质疑。上世纪80年代建设的著名“非洲大人工河”工程，到2005年时已经发生5次PCCP爆裂；部分管线经过检测，己经发现钢丝断裂3500根，急需开展积极的修复计划。现在这个工程，数千节PCCP管段需要维修或更换，余下的管道需要进行状态评估。上世纪90年代以来，美国有多条PCCP管道发生爆管事件，降低了人们对PCCP耐久性和使用寿命的信心。“PCCP管很高的失效可能性和失效的灾难性，已导致美国现在已经不再生产PCCP管”。中国近年来也发生了多起PCCP管道爆管事件，最短发生爆管的PCCP管线，投入运营的时间只有3～5年。此外，对运行管线进行的探测发现，预应力钢丝“断丝”是PCCP常见病害和隐患。
对所有爆管事件的调查均显示，预应力钢丝锈蚀拉断， 使PCCP承受内压的能力大幅度降低，是发生爆管的直接原因。钢丝质量差和（或）砂浆保护层失效继而预应力钢丝锈蚀，则是钢丝拉断（断丝）的主要原因。问题的根源在于，埋置式预应力钢筒混凝土管标准规范的砂浆保护层抗裂设计、校核方法的“变形量”假设，与现实情况有较大差异。“变形量”假设观点认为，保护层受高于砂浆抗拉强度的拉伸就会产生肉眼不能见的微裂缝；而可见裂缝变形量为微裂缝的8 倍，此时保护层虚拟抗拉应力为砂浆抗拉强度8 倍。标准规定保护层裂缝校核方法，采用相当6.4～8倍水泥砂浆抗拉强度的变形量或虚拟抗拉应力，只要内外负载产生的变形量或抗拉应力小于这个假设变形量或虚拟抗拉应力，保护层裂缝校核就可以通过。这样的保护层裂缝校核形同虚设，“PCCP 标准规定，砂浆保护层不允许有任何可见裂缝，实际情况砂浆保护层种种裂缝不可避免”。也就是说，PCCP管的砂浆保护层开裂和无法有效保护预应力钢丝，是因为砂浆本身变形和抗裂能力不足，而管的设计又将就了砂浆性能，以至于造成PCCP（PCCPE和PCCPL管）具有先天耐久性不足的缺陷。在温差大、干燥和腐蚀性环境，这个缺陷是致命的，预应力钢丝会较快锈蚀、拉断和发生爆管。这也是美国淘汰PCCP的根本原因。
本发明正是针对PCCPL管这个缺陷的根源，提供可靠解决方案，广泛应用意义重大。中国目前在大量生产和使用PCCPL，这种大口径管材往往用于大型输水或压力排水工程。这些工程是百年大计，不允许发生爆管或存在潜在的隐患；一旦发生问题，带来的损失将是巨大的。人们也已经认识到，现在使用的砂浆保护层无法保障PCCPL的耐久性和安全性，需要更加可靠的技术方案。
本发明技术方案，使用具有高变形与高抗裂能力、高抗拉强度的超高性能混凝土（UHPC），替代普通砂浆作为PCCPL的钢筒、钢丝和承插口钢环保护层，可从根本上消除传统砂浆保护层变形与抗裂性能不足的缺陷；同时，利用UHPC高粘结强度、高韧性、高抗冲击性能、高抗渗性能和高抗腐蚀能力，可避免砂浆保护层空鼓、易损伤以及耐腐蚀能力不足等问题。UHPC保护层能够为预应力钢丝和承插口钢环提供长期可靠的保护，大幅度提升PCCPL的耐久性和使用寿命。此外，PCCPL也用于有压力污水或腐蚀液体输送管道，混凝土内衬会受到化学腐蚀而降低使用寿命。针对这样问题，本发明在管内壁制作UHPC保护层防护PCCPL混凝土内衬。
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC），因为一般需掺入钢纤维或高强聚合物纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土（Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，简称UHPFRC）。UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基材料的全面性能发生了跨越式进步——具备了超高强、高韧性和超高耐久性。
UHPC的“超高力学性能”主要体现在超高抗拉强度（单轴抗拉和弯曲抗拉强度）和高韧性，这依靠加入短钢纤维来实现。抗拉强度可高达30MPa，断裂能达到1,500~40,000 N/m（钢纤维体积含量2%~12%），使UHPC跨入韧性、高韧性材料的行列（断裂能超过1,000J/m2划分为韧性材料）。在变形能力方面，UHPC可以在相对低的钢纤维含量水平实现拉伸的表观“应变硬化”行为，即单轴受拉经历弹性阶段，出现多微裂缝，纤维抗拉作用启动；随后拉应力上升，进入非弹性的应变硬化阶段（类似钢材的“屈服”）；达到开裂后最大拉应力（抗拉强度），出现个别裂缝在局部扩展，之后拉应力下降，进入软化阶段。钢纤维强度得到有效利用，UHPC从而获得很高的抗裂和抗冲击能力。
UHPC最具吸引力的另一个性能是潜在的超高耐久性。从理论上和根据至今的试验研究结果，基本上可以确定：UHPC没有冻融循环、碱－骨料反应（AAR）和延迟钙矾石生成（DEF）破坏的问题；在无裂缝状态，UHPC的抗碳化、抗氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀、抗化学腐蚀、耐磨等耐久性能指标，与传统高强高性能混凝土（HSC/HPC）相比，有数量级或倍数的提高。UHPC具有非常好的微裂缝自愈能力。由于水胶比非常低，UHPC拌和水量仅能供部分水泥水化，绝大多数水泥颗粒的内部处于没有水化状态。因此，水或水汽进入UHPC的裂缝，暴露在裂缝表面的水泥颗粒未水化部分就会“继续”水化；结合了外界水分的水化产物体积大于水泥孰料体积，多出来的体积能够填堵裂缝。试验和工程验证表明，UHPC的裂缝自愈不仅能够封闭微裂缝降低渗透性和保持良好耐久性，同时还起“胶结”裂缝作用，在一定程度上恢复混凝土因裂缝降低的力学性能。
本发明所使用的超高性能混凝土（UHPC），具备高变形与高抗裂能力、高抗拉强度、高韧性、高抗冲击性能、高抗渗性、高耐久性和裂缝自愈性能；与混凝土、与钢材的界面粘结强度也非常高，是理想的PCCPL管的防腐蚀保护材料；用其制作的保护层，工作寿命可达百年以上，是长效防腐蚀方法。
从骨料粒径分类，UHPC也是砂浆或特种砂浆。可制备UHPC拌和物流变性与普通高强砂浆类似，直接使用现有装备辊射、喷涂或抹浆制作保护层；利用UHPC优良的硬化性能保护PCCPL内部的预应力钢丝、钢筒、承插口钢环等钢材，以及混凝土内衬，是一种易实施、可靠、长效的防腐蚀方法，可大幅度提升PCCPL的耐久性和工作寿命。
现有技术的实现方案
预应力钢筒混凝土管（PCCPL）发生过早失效或耐久性不良，主要原因是PCCPL的预应力钢丝和钢筒锈蚀；也有少部分PCCPL早期失效是因为生产质量缺陷，使用不合格、不当等级或品种的钢材，过度使用阴极保护（过度的附加电流，可能因析氢导致金属韧性或延性降低，即“氢脆”）。现在，标准规范，如GB/T 19685-2005《预应力钢筒混凝土管》，对PCCP生产质量、使用钢材和砂浆保护层有明确的要求（抗裂性能要求将就了砂浆所能达到的性能）； GB 28725-2012《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》则规范、指导和提高PCCPL防腐蚀的阴极保护水平。但是，PCCPL的砂浆保护层仍然是其耐久性的薄弱环节。砂浆保护层自身开裂不可避免，且在运输吊装过程易损伤，抗氯离子侵入和抗化学腐蚀能力不足。在温差大、干燥、干湿循环和腐蚀性环境（土壤或地下水较普遍存在硫酸盐、氯盐或酸性腐蚀），以及内外压力作用下，砂浆有可能严重开裂和较快劣化，失去对预应力钢丝、钢筒等的保护作用。砂浆保护层失效，阴极保护的负荷将大幅度增大，乃至无法控制预应力钢丝、钢筒锈蚀的蔓延。
针对PCCPL砂浆保护层抗裂、抗腐蚀性能不能满足要求，以及混凝土内衬抗化学腐蚀能力不足，也有一些专利提出改善措施，其中有：
·CN201220309638.X（表面有纤维抗裂砂浆保护层的内衬式预应力钢筒混凝土管）：该实用新型方法依靠在砂浆中掺入聚丙烯纤维提高砂浆抗裂性能。
·CN201210162978.9（热浸锌与环氧煤沥青防腐结合内衬式预应力钢筒混凝土管）、CN201210220592.9（长寿命多层防腐处理的内衬式预应力钢筒混凝土管）、CN201310190348.7（一种内壁具有环氧保护层的内衬式预应力钢筒混凝土管）、CN201510603804.5（全防腐直饮水的内衬式预应力钢筒混凝土管）、CN201510604002.6（长寿命全防腐的内衬式预应力钢筒混凝土管）：这几个发明方法，防腐蚀措施包括钢筒和钢丝镀锌、内衬不锈钢钢筒或PVC、内壁涂覆环氧涂层、管外壁涂覆环氧沥青涂层、承口钢环和插口钢环涂覆防腐涂层或锌铝稀土涂层、砂浆保护层掺加聚丙烯纤维提高抗裂性能，等等，以及复合使用这些措施。
·CN201310187286.4（带防腐层的PCCP电厂冷却水钢筒混凝土管及生产方法）：该发明方法在传统的PCCP管道生产的最后一道喷浆工序的同时，采用刮平装置将喷浆后的水泥砂浆表面刮平，同时后跟进的涂水泥浓浆的装置将水泥浆涂与刮平后毛糙的管道表面，再后跟进的加压抹平装置将管道表面涂的水泥浆同时抹平，之后待管道完全干透后，在管道表面采用机械的方法涂覆环氧树脂和缠绕玻璃纤维，同时采用机械方法刮抹平整，待涂覆的环氧树脂玻璃纤维保护层固化后即为成品管。
·CN201310187303.4（带环氧胶泥保护层的预应力钢筒混凝土管及生产方法）：该发明方法在传统的PCCP管道生产的最后一道喷浆工序的同时，采用刮平装置将喷浆后的水泥砂浆表面刮平，同时后跟进的涂覆环氧树脂的装置将环氧树脂涂与刮平后毛糙的管道表面，再后跟进环氧胶泥涂覆装置将环氧胶泥涂覆与环氧树脂表面并同时加压抹平。
·CN201310187328.4（新型防渗PCCP预应力钢筒混凝土管及生产方法）：该发明方法在传统的PCCP管道生产的最后一道喷浆工序的同时，采用刮平装置将喷浆后的水泥砂浆表面刮平，同时后跟进的涂水泥浓浆的装置将水泥浆涂与刮平后毛糙的管道表面，再后跟进的加压抹平装置将管道表面涂的水泥浆同时抹平。
上述方法中，聚丙烯纤维只能提高砂浆硬化阶段抗裂能力，即防止或减少砂浆塑性收缩裂缝；聚丙烯纤维并不能提高硬化砂浆的抗裂性能，因为其弹性模量太低，无法约束硬化砂浆的裂缝；此外，该方法没有改善砂浆的抗渗性和抗腐蚀能力。砂浆保护层表面涂覆环氧树脂玻璃纤维防腐层、环氧沥青涂层等，能将砂浆与腐蚀环境隔绝；钢筒与钢丝镀锌、承插口钢环涂覆防腐涂料等，能延缓锈蚀的发生。这些防腐蚀方法能否广泛应用，取决于成本和防腐效果或性价比。
技术实现要素：
本发明的目的在于为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）提供一种可靠、长效的防腐蚀方法。
本发明的技术方案为：内衬式预应力钢筒混凝土管的一种长效防腐蚀方法，内衬式预应力钢筒混凝土管管体外侧以及管道安装后接头沟槽钢材的外露部分，包括钢筒、预应力钢丝、承口钢环和插口钢环，分别采用工厂制作超高性能混凝土外保护层和现场制作超高性能混凝土内、外保护层保护；管的混凝土内衬内壁，采用工厂制作的超高性能混凝土内保护层保护。
管的生产过程中，在钢筒和预应力钢丝外侧制作20～50mm厚度的工厂制作超高性能混凝土外保护层。
管的生产过程中，在管的混凝土内衬内壁制作15～30mm厚度的工厂制作超高性能混凝土内保护层。
管道安装就位后，在管道接头内沟槽填充现场制作超高性能混凝土内保护层，粘结覆盖承口钢环和插口钢环外露部分。
管道安装就位后，在管道接头外沟槽灌注和填充现场制作超高性能混凝土外保护层，粘结覆盖插口钢环和承口钢环外露部分。
在工厂和现场制作超高性能混凝土内、外保护层，所使用超高性能混凝土的硬化性能达到标准养护28天：抗压强度大于或等于120MPa，弹性抗拉强度大于或等于6MPa，抗拉强度大于或等于7MPa，极限拉应变大于或等于1.0 ‰。
实施方法如下：
1、制备超高性能混凝土：粘聚型拌和物适合辊射、喷涂或抹浆设备制作保护层；管道安装使用的超高性能混凝土拌和物，分为粘聚型和自密实型，其中自密实型用于接头外沟槽底部的灌注。超高性能混凝土的硬化性能（标准养护28天）要达到：抗压强度大于或等于120MPa，弹性抗拉强度（初裂拉应力）大于或等于6MPa，抗拉强度（极限拉应力）大于或等于7MPa，极限拉应变大于或等于1.0 ‰。
2、管的生产过程中，在钢筒和预应力钢丝外侧制作20～50mm厚度的工厂制作超高性能混凝土外保护层粘结覆盖；在混凝土内衬内壁制作15～30mm厚度的工厂制作超高性能混凝土内保护层；蒸汽养护或常温保湿养护。
3、管道安装就位后，在管道接头内沟槽填充粘聚型超高性能混凝土，形成现场制作超高性能混凝土内保护层，完成粘结覆盖承口钢环和插口钢环外露部分，常温保湿养护。
4、在管道接头外沟槽底部灌注超高性能混凝土拌和物，接头外沟槽侧面和顶部填充粘聚型超高性能混凝土拌和物，形成现场制作超高性能混凝土外保护层，完成粘结覆盖插口钢环和承口钢环外露部分，常温保湿养护。
本发明的优点在于：所制备UHPC拌和物流变性与普通砂浆类似，可直接使用现有装备辊射、喷涂或抹浆制作保护层；所使用超高性能混凝土（UHPC）具备优异的物理力学性能，包括高变形与高抗裂能力、高抗拉强度、高粘结强度、高韧性、高抗冲击能力，以及高抗渗性能、高抗化学腐蚀性能和高抗冻融性能——超高耐久性，为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）提供可靠、长效的防腐蚀保护，大幅度提高这类管道的耐久性和可靠性，保障使用该管材铺设的管道实现所期望的长工作寿命（75～100年）。
本发明则提供了一种全新的技术方案，用UHPC替代传统砂浆，所使用的UHPC具备优良力学性能和耐久性，能长期可靠地保护PCCPL内部的预应力钢丝、钢筒、承口钢环和插口钢环不锈蚀，以及防护混凝土内衬免受化学腐蚀。
该技术方案的易实施性和可靠性优势体现在：1、可制备UHPC拌和物流变性与普通砂浆类似，便于在工厂直接使用现有装备辊射、喷涂或抹浆制作内外保护层，无需改变现有生产工艺；同时，可以在管道安装现场制备自密实和粘聚型UHPC拌和物，便于灌注和填充管道接头沟槽，粘结覆盖和保护承口钢环和插口钢环外露部分。2、UHPC拌和物具有高粘聚性，易粘结在混凝土、钢丝、钢筒和钢环表面，可提高工厂保护层制作效率，以及提高管道安装现场接头沟槽填充制作保护层的效率。3、硬化UHPC与混凝土、钢筒、钢丝和钢环之间的界面粘结强度，远远高于普通混凝土、砂浆所能达到的与混凝土、钢材之间的界面粘结强度，易于避免出现空鼓等缺陷。4、本发明所使用的含微细钢纤维UHPC，具备高变形与高抗裂能力、高抗拉强度和高抗冲击能力，能够保证PCCPL保护层在各种力学荷载（管道运输吊装碰撞、内外压力作用）和环境荷载（干湿循环、温度变化）作用下的整体性。5、UHPC具有高密实度、高抗渗性、高抗腐蚀能力和高抗冻融性能，UHPC本身是目前所有工程材料中耐久性最好的材料（自然环境中工作寿命百年以上，日本规范认为UHPC结构工作寿命100年），因此可为预应力钢丝、钢筒和承插口钢环以及混凝土内衬提供长期可靠的保护。6、采用UHPC保护层技术方案，面对盐碱地或地下水化学腐蚀，不再需要在管身做防腐涂层，成本相对较低。UHPC保护层与阴极保护技术相容，阴极保护可作为备用措施。7、UHPC保护层综合性能好、可靠性高，可为PCCPL预应力钢丝、钢筒和承插口钢环以及混凝土内衬提供长效防腐蚀保护，显著降低管线运行维护维修费用，成就百年工程。8、本发明解决了PCCPL保护层抗裂设计、校核方法的假设与砂浆材料性能不一致的难题，从根源上消除了PCCPL设计的耐久性缺陷。
附图说明
图 1 为本发明内衬式预应力钢筒混凝土管的一种长效防腐蚀方法
1-钢筒；2-预应力钢丝；3-承口钢环；4-插口钢环；5-工厂制作超高性能混凝土外保护层；6-1-现场制作超高性能混凝土内保护层；6-2-现场制作超高性能混凝土外保护层；7-混凝土内衬；8-橡胶圈；9-工厂制作超高性能混凝土内保护层。
具体实施方法
内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）钢筒、预应力钢丝、部分承口钢环和部分插口钢环的工厂制作超高性能混凝土外保护层5和工厂制作超高性能混凝土内保护层9，在工厂制作完成。管道安装就位后，接头处承口钢环和插口钢环外露部分的现场制作超高性能混凝土内保护层6-1与现场制作超高性能混凝土外保护层6-2，在管道安装现场制作完成。具体步骤如下：
1、在工厂制备粘聚型超高性能混凝土：新拌拌和物坍落度为30~100mm，适合机械辊射、喷涂或抹浆制作保护层。超高性能混凝土的硬化性能（标准养护28天）要达到：抗压强度大于或等于120MPa（100mm立方试件），弹性抗拉强度大于或等于6MPa（30mm厚度板试件），抗拉强度大于或等于7MPa，极限拉应变大于或等于1.0 ‰。
2、PCCPL的生产过程中，在钢筒1和预应力钢丝2外侧制作20～50mm厚度的工厂制作超高性能混凝土外保护层5；在混凝土内衬7内壁制作15～30mm厚度的工厂制作超高性能混凝土内保护层9；蒸汽养护（90℃恒温48小时，升、降温速率不超过15℃/h）或常温保湿养护至少7天。
3、在管道安装现场，制备自密实型和粘聚型超高性能混凝土，其中自密实型用于管道接头外沟槽底部的灌注。超高性能混凝土的硬化性能要求同上。
4、管道安装就位后，在管道接头内沟槽填充粘聚型超高性能混凝土，形成现场制作超高性能混凝土内保护层6-1，完成粘结覆盖承口钢环3和插口钢环4外露部分，常温保湿养护至少7天。
5、在管道接头外沟槽底部灌注自密实超高性能混凝土，接头外沟槽侧面和顶部填充粘聚型超高性能混凝土拌和物，形成现场制作超高性能混凝土外保护层6-2，完成粘结覆盖插口钢环4和承口钢环3外露部分，常温保湿养护至少7天。