专利名称：水泥管的制作方法
技术领域：
1本发明涉及适于地下使用的水泥管。
背景技术：
2通常经过钢加强的标准混凝土管要经过数道不同的工艺制成。这些工艺包括在水平布置的模具上的离心旋转，以及在竖直模具或模板中的干法铸型、灌浆孔塞头及夯实工艺。在这些工艺的每一个中，为了实现好的密实度，振动都是非常重要的。尽管竖直模板工艺——其中湿的混合物由锥形导引器引导至内模板与外模板之间——可以有不同变化，但是在各个情况下还是使用了较干燥的混合物。
3标准管由包括水泥、沙子、石头以及水的混合物制成。在这么长的时期中，这些混合物在过去100年的大部分时期都保持未变，除了使用新型的波特兰水泥以及可能包括入一定比例的、作为水泥粘合料的一部分的诸如飞灰的火山灰材料之外。
4另一种形式的混凝土管由Hatchek/Mazza工艺形成。在此，纤维增强混凝土(FRC)管如此地制成将数层水泥、细硅土、纤维及水的混合物的叠层在应力下层叠在圆柱心轴上，以形成由蒸汽处理或热压法制备的生坯管。初始使用的纤维是石棉，但后来禁止使用石棉，该工艺就采用了纤维素及塑料纤维。
5标准混凝土管是刚硬的，具有较高的耐压强度。其强度部分地取决于所使用的混合物中水组分较低。在由离心模制而制成的标准管的情况下，初始约为0.35到0.38的水/水泥重量比可以在模具旋转期间降低至0.32到0.35。但是，其强度也取决于实际的壁厚及由此对原材料相对较大的消耗。
6FRC管也是刚硬的，且由于纤维增强，故相较于由钢加强的标准混凝土管，FRC管可以具有一定程度的耐压强度。此外，它们具有一个优点方便制成较长的长度。但是，就给定的直径及壁厚而言，由于所需的层叠工艺，每单元长度的成本较高，故它们制造起来相对昂贵。而且，当使用纤维素纤维时，它们更易于因为老化而造成物理特性上的劣化，特别地，当它们在长期暴露于地下水之后易于在较高负载下分层。
发明内容
7本发明的目的在于提供一种适于地下使用类型的水泥管的替换形式。
8根据本发明的水泥管由纤维增强的水泥材料制成。其具有管状壁，所述壁的壁厚与直径比位于所需的范围内。所述水泥材料及所述壁厚与直径比率的范围为在由三边载荷方法测试时，所述管在径向准静态弯曲(挠曲)中呈现出典型的特性。所述性质使得所获得的应力-相对位移曲线表现出基本上呈线性的弹性部分，其斜率位于所需的第一极限内；并且，从弹性部分的比例极限(LOP)至断裂模量(MOR)为伪应变强化(PSH)部分，其在一可能的过渡区之后的斜率小于弹性部分的斜率并位于所需的第二极限内。
9根据本发明的管具有相对较小的壁厚与内直径之间的比率。对于给定的管直径，所述壁厚处于相对较窄的范围内，同时随着直径的增加壁厚范围也增加。对于标准管尺寸，相对于内径与壁厚范围的说明性示例如下管直径一般壁厚 优选壁厚最小 最大 最小 最大225mm 5mm 9mm 6mm 8mm375mm 8mm 15mm 9mm 13mm750mm 16mm 30mm 20mm 26mm
2100mm45mm 85mm 55mm 75mm10本发明的管的相对较小的壁厚与直径之间的比率对于管实现所需的应力/相对位移曲线、从而获得优异的性能特性而言是非常重要的。较低的比率也使得有效地利用纤维增强水泥材料，并实现每单位长度管的相对小的重量。
11对于标准管尺寸的壁厚范围与内径之间的关系的说明性示例适用于实现本发明的管的所需的应力-相对位移曲线的特性。对于大多数相应的机械地确定的性能而言，该等示例可实现极其优异的值。但是，在小的管直径的情况下例如要获得合适的抗磨损性变得更加难以达成。由此，例如对于具有大约为225mm内直径的管而言，使用与所示出的壁厚范围上限相接近的壁厚是优选的。
12在承受产生直至所述LOP应力的负载时，本发明的管可如刚性管地工作。在承受产生较高的、并高至所述MOR应力值的负载时，由于应力强化的作用，所述管可如柔性管地工作。但是，对于产生超过LOP应力值的负载有一些限制，以下将详述。
13如将被理解的，本发明的管的应力-相对位移曲线的与尺寸无关。但是，该曲线——特别是LOP及MOR——与形成该管的水泥材料的组份并不是无关的。有鉴于后者，该曲线可根据基体的各个组份及分散在基体中的纤维的特性(长度、直径、组份及体积比)而改变。但是，允许基体成份及水泥材料的纤维的改变，当由澳大利亚标准AS4139-2003三边载荷方法进行测试时，应力/相对位移曲线可以总结为具有以下性能特性14(a)LOP的值、或在首次测试中基体的抗裂强度(如果由于逐渐地偏离弹性而使得LOP不易于识别)，其从约4MPa至12MPa，例如从约5MPa至10MPa，但更通常的从约5MPa至7MPa；15(b)在弹性变形的极限处的相对位移(δ1)为从约0.3％至约0.9％，例如从约0.4％至0.8％，但更通常的从约0.6％至0.8％；
16(c)曲线的PSH部分的可能的第一部分，称之为过渡部分，如果其存在的话，则其范围上至约1.7％的相对位移(δ2)，例如从约1.1％至1.5％，通常约1.2％；17(d)PSH部分的主要部分(或者在不存在可能过渡部分时基本上为整个PSH部分)，其范围上至约11％的位移(δ3)，通常在从约2％至约11％的范围内，例如从约3％至10％，诸如从约5％至约9％；及18(e)从约10MPa至20MPa的MOR，诸如从约10MPa至17MPa，通常从约10MPa至15MPa，诸如从约11MPa至15MPa。
19由于这些特性，根据本发明的管的应力/相对位移曲线具有进一步的显著特性。其中第一项为所述曲线线性部分上的在上述第一极限内的斜率(S1)，从约1000MPa至1700MPa，例如从1000MPa至1650MPa，诸如从1330MPa至1650MPa。另一第二特性为PSH部分的主要部分(或者在不存在可能的过渡部分时大致上为整个PSH部分)具有正斜率(S3)，其在上述第二极限内可从非常小的值直至约0.04S1至0.25S1，例如约0.05S1。此另一第二特性通常不落在相对较窄的范围内。但是，当在干及湿的状态通过AS4139-2003三边载荷方法进行测试时，相信其对于本发明的管而言是唯一的。
20应力/相对位移曲线的PSH部分的上述可能过渡部分为延伸过LOP的曲线的相对较短的过渡部分。如果存在，过渡部分为弧形且从而其斜率逐步从大体线弹性部分的斜率减小至PSH部分的主要部分的斜率。而且，将要理解的是虽然曲线的弹性部分为大体平滑的线形，PSH部分的振幅快速波动，反映了应变强化情况中的微裂缝的形成。由此，需要理解的是应力/相对位移曲线的PSH部分的斜率指的是该部分的平滑走向的斜率。
21制成管的纤维增强材料必须是一种可以具有伪应变强化性能的材料。这样，超过管水泥基体的抗裂强度的负载导致在该管于该负载下挠曲时多个紧密分布的微细裂缝的形成。当负载达到基体抗裂强度时，由于裂缝由纤维跨接起来，故初始形成的裂缝宽度不会增加。相反，当所施加的负载超过抗裂强度使得管进一步挠曲时，会在基体中产生其他微裂缝。
22当减少或消除产生微裂纹的负载时，管可以恢复至或大体恢复至其未弯曲状态。在此过程中，微裂缝大体上闭合。如果时间允许，通过二氧化碳与自由石灰及氢化钙——该氢化钙通过形成管的水泥材料的固化而形成——的作用而形成碳酸钙，裂缝将会被自动地复原。当发生自动复原时，恢复的裂缝会比周围的水泥基体强度更高。由此，在其不会导致基体过度脆化的情况下，自动复原是本发明的管的非常重要的特征。但是，尤其当管承受间歇或周期负载时，自动复原的机会将受到限制。
23地下管通常会承受三种负载。它们是制造、运输及安装期间所经历的活动负载，土壤的静态或永久负载(以及土壤表面上的任何永久装置)，以及通常与车轮负载(活动负载)相关的土壤表面上的变化负载。在安装期间，管将在搬起操作中承受其自重，并在回填操作(当填充其中放置有管的沟槽时，填埋沙子及土壤)期间承受来自各种工具的冲击或短期负载。土壤自重所导致的管上的负载取决于土壤密度、管正面上的沟槽的宽度、以及管在土壤中的深度。在土壤表面处的间歇车轮负载的影响极大地取决于管所掩埋的深度。此活动负载以及静态永久负载对管的临界载荷的贡献程度随着深度而改变(即，伴随深度的增加，静态负载组成增加且活动负载组成减少)。
24在制造、运输及安装期间管所经受的负载可能是很大的。但是，总体上，它们可以被根据本发明的管所承受。对于任何管而言，管所承受的负载——包括那些在安装完成前所经历的负载——所产生的应力在应力-相对位移曲线中必须小于断裂模量。即，负载必须小于一个值，在该值处，所产生的应力将导致微裂缝并由此导致复合材料破坏。
25本发明的管可以承受这样的负载其产生的应力值位于应力/相对挠曲曲线的线弹性部分内。而且，在该部分内，可以承受重复施加的负载。但是，希望的是在制造、运输及安装期间进行合适的维护以确保所承受的负载不会产生超过LOP的永久应力值。希望的是导致应力超过LOP的任何负载都不会导致管的相对位移大于10％，且优选的不会导致大于6％的相对位移。可以承受产生高达约10％的位移的一次性超载，但是如所指出的，如果可能，应该通过小心地处理及安装所述管来避免应力频繁地偏入PSH部分。
26假设在制造、运输及安装期间进行了妥善的维护，一旦安装好后，则根据本发明的管的服务寿命将由其对永久负载及由埋设的管所承受的活动车辆负载分量的承受能力来决定。需要将这些永久负载及车辆负载结合起来，并作为准静态及周期负载的总和而对其进行考虑。
27对于位于地面高度上的给定车辆负载，在地下管上形成的周期负载将随着管安装的深度的增加而减小。但是，随着安装深度的增加土壤的永久负载会增加，同时安装深度部分地取决于管的直径，排水要求及位置。所需的是安装后管所承受的最大负载——即最大的静态及周期负载的总和——使得埋设的管的相对位移不超过约1.5％。优选的是，最大负载使得相对位移不超过约1.1％。无论应力/相对位移曲线具有或不具有PSH部分的可能的第一或过渡部分，这些限制都是适用的。
28管的截面可以是大体环状的。但是，应该注意的是管不必要是大体环状截面。由此，管例如可具有略微椭圆或甚至是卵形的截面形状。而且，壁厚也不需要是均匀的，而可以改善强度(由此改善管的负载承受能力)的形式沿周向上改变。在任何情况下，大体在其整个长度上，管的截面形式都是大体相同的。
29尽管可以使用其他水泥，管的水泥基体可以波特兰水泥为基础。该基体也可具有矿物添加剂及火山灰材料，诸如飞灰、硅灰及/或矿渣。在其他形式中，脆性基体可以具有以飞灰、硅灰、矿渣或其他火山灰材料或混合物为基础的碱活性水泥。优选的是，该基体具有波特兰水泥及碱活性水泥两者。管还具有分散在脆性基体中的不连续纤维。该纤维可以由金属、聚合物、陶瓷或其他有机或矿物材料制造，是具有或不具有表面或形状改良的单纤维或纤维束。优选的是纤维相对较短，诸如从3mm至24mm。还优选的是纤维具有例如由于小于200μm、诸如约50μm或更小的纤维直径，从而导致较大的长度与直径的比。
30但是，如上所述，该水泥材料是一种可以通过基体的微裂缝而具有伪应变强化性能的材料。由此，这种材料属于高性能纤维增强水泥(HPFRC)材料的特定类别。工程水泥复合(ECC)材料为此种材料中的优选类型。术语“ECC材料”通常用于表示这样的材料尽管所基于的成分类似于纤维增强水泥(FRC)的组分——诸如水、水泥、沙子、纤维及化学添加物，其组分总和基于微观力学模型而获得了明显改进了的机械特性。未使用粗的粒料，而是经过仔细选择使用了较小比例的纤维体积。此外，模型允许对纤维、水泥基体以及纤维与基体之间的界面的性能进行选择。在本发明的进一步描述中，主要对ECC材料进行说明，尽管应该理解的是也可以使用其他具有伪应变强化性能的水泥材料。
31制成管的ECC材料可以在很大程度内变化。例如就基体构成成分的重量比例而言，可从以下的材料成分选择水泥 0.3至0.8火山灰材料0.1至0.3微粒材料 0.1至0.4水0.1至0.432ECC材料通常包括有波特兰水泥——其诸如具有一般等级或较高的早期强度等级，同时结合有至少一种火山灰材料，火山灰材料与水泥的重量比率为0.35份火山灰材料比1份水泥——例如0.4比1。该材料还包括有细小的微粒材料，诸如细沙及石英粉末。细小微粒材料的微粒尺寸可小于1mm，诸如小于0.1mm，优选的，对于每份粘合剂(水泥加上火山灰材料)而言，其重量比率为0.2至0.6。相对于所有固体物质而言，纤维可占据约1％至5％的体积，并可从矿物纤维、有机纤维、以及(部分地取决于管的制造方法)诸如钢纤维的金属纤维中选择。聚合物纤维是优选的，合适的示例包括聚丙烯、多乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈纤维及这些纤维的混合物。
33ECC材料的固体与足够的水混合，如果需要，还与分散剂及/或强塑剂混合，以制成与所选择的制造方法相适合的混合物。虽然可以采用多种制造方法，但压制是最优选的。发现对于获得本发明的管所需的形式及物理特性，压制是最合适的制造技术。为了压制，ECC材料的固体材料与充足的水混合以产生一可操作的均匀混合物，该混合物在压制期间可脱水以形成压制管的管长，该管具有足够的生坯强度以承受压制器的移除以及可对制造长度进行处理而不会有变形。为此，供应至压制器的混合物中，水对粘合料(水泥加凝硬性材料)的重量比率可为约0.3到0.5，其通过脱水而极大地降低。在压制期间，水/粘合料比率可以降低至约0.2或更低，但大体为从约0.24至0.26。
34要在压制期间实现的大幅度脱水限制了可实现压制的设备。设备的一个合适形式是一种基于国际专利申请WO96/01726所公开的原理的设备，其相应于授权于Krenchel等人的美国专利6398998，其内容被包含在本文中，并被视为本文的一部分。
35通过适当的脱水，压制使得所压制的管长在固化时提供的管具有较高紧密程度(高材料密度)及抗磨损性。而且，就弹性刚度、抗压强度、基体抗裂强度以及复合材料的破坏应力及应变而言，管具有优良的强度特性及机械性能。而且，管的尺寸公差范围还可以制造得很窄，且由此避免了会导致应力集中的尺寸不精确度。此外，压制使得将管制成所需的长度。
36压制期间的脱水有助于根据本发明的管材料具有适中的较高的抗拉强度、抗压强度以及抗弯强度。原因是因为有利的水/粘合料重量比率以及通过压制压力及脱水而形成的较高的固体材料紧密性。此外，较高的紧密度使得复合材料中的纤维与基体优良地结合。从适中的抗压强度直至高抗压强度、以及对诸如细沙及石英粉末的细小微粒的使用是对管具有较高度抗磨损性作出重要贡献的因素。即，这些导致了较高的抗压强度的因素还导致了较高的抗磨损性。对于管而言，优选的，可以抵抗沿管线流动的液体所携带的固体颗粒，而且可抵抗表面缺陷中的凹坑或坑陷。发现压制通过为管提供改善的、平滑的表面加工，可以增强对这些形式的磨损的抵抗力。
37材料的杨式模量可以在从20GPa至40Gpa的范围内，而优选的在从30GPa至35GPa的范围内。
38耐压强度可以在从40MPa至100MPa的范围内。优选的在从45MPa至75MPa的范围内，更优选的在从50MPa至70MPa的范围内。
39基体抗裂强度可以在从4MPa至12MPa的范围内。优选的在从5MPa至10MPa的范围内，更优选的在从5MPa至7MPa的范围内。
40复合材料破坏应力可在从5MPa至14MPa的范围内。优选的在从6MPa至12MPa的范围内，更优选的在从6MPa至9MPa的范围内。
41复合材料破坏应变在从2％至8％的范围内。优选的在从3％至6％的范围内，更优选的在从3％至5％的范围内。
42为了在地下使用，管必须能够抵抗通常在管铺设过程期间所承受的安装负载(包括偶尔的过载)，并可以抵抗在管设计寿命内的设计静态负载及周期性的沟管负载。
43基于材料刚性、管的直径尺寸以及壁厚尺寸、以及其将承受的负载，管的刚度将改变。在未超过管的弹性范围的负载的作用下，管可以具有在15000N/m/m至50000N/m/m的范围内、诸如从15000N/m/m至20000N/m/m的刚度。在超过该范围的负载下，管可以具有从4000N/m/m至10000N/m/m的刚度。在一个负载下，以上两个刚度范围之间的过渡区的刚度可能在从8000N/m/m至20000N/m/m的范围内。在各种情况下，所指的刚性都是依据澳大利亚标准AS3572.10、在1％挠曲情况下所测得的割线刚度。
44发现上述特需的壁厚与直径比率、以及材料的机械特性与管在负载下可安全地承受的最大挠曲程度相对应。在径向准静态负载下，以挠曲与直径的相对比率来表示的变形能力可以高达11％，但优选的不超过9％或10％，更优选的不超过6％。在周期性的负载下，必须的，管承受的最大周期负载远小于准静态负载。即，如果其设计的合成负载不会导致管的挠曲超过所设计的最大相对挠曲，则管可具有有效的设计寿命。对于从0.4％至0.3％的范围内的振幅，1％的最大挠曲是可承受的，对于从0.3％至0.1％的范围内的振幅，2％的最大挠曲是可承受的，而在持续超过4％的最大挠曲的情况下，周期负载是不能忍受的。目前的指示是瞬时最大挠曲不应超过管内径的约6％。
45对于375mm直径的管，在壁厚尺寸变化高达0.5mm、以及直径尺寸变化高达5.0mm时，还可制成具有所需刚度的管。也可用产品尺寸对管的刚度进行调整。环弯曲测试数据的统计抽样将说明任何与制造相关的尺寸公差。
46为了使得此种材料的良好的应变强化特性得以发挥，本发明的管最优选的由ECC材料制成。而且从可操作性角度考虑，ECC材料可通过压制而合理的成形。对于给定的过载/周期负载的情况，由ECC材料形成且具有给定直径的管可以具有较薄的壁厚，且由此可具有很低的原材料成本。而且，管的压制便于利用ECC材料在较窄的公差范围内制造管。包含有细小微粒糊状物且容纳有纤维的ECC材料难以通过其他制造技术来处理并精确成形。而且，压制可以避免尺寸的不精确——其会导致应力集中并会偏离为承受组合的过载及周期负载而需要的直径强度。
47为了使本发明更易理解，对附图进行描述，其中48图1是用于根据本发明的管的一般应力-相对位移的曲线的示意表示
49图2是当承受图1曲线的各个应力值时，根据本发明的管裂缝的示意表示；50图3是管的端部示意图，所述管由三边载荷测试方法测试；且51图4示出了根据本发明的ECC材料压制管的典型应力-相对位移试验曲线。
具体实施例方式
52采用图1以方便说明根据本发明的管的性能特性。如所示出的，图1示出了在施加至管顶部的线荷载的作用下，管的内表面处管壁中的应力与相对竖直位移曲线的示意性表示。该曲线表示了在由AS4139-2003三边载荷方法测试时管在径向准静态弯曲(挠曲)情况下的表现。发现干及湿状态的管的表现都可以用该曲线来表示。
53管的尺寸以内径D及壁厚t来表征。公差与两者均相关。外径Dy根据Dy＝D+2t得出。一般的机械特征由应力-相对挠曲曲线来表征，其中在施加至管顶部的荷载的作用下，内表面处管壁中的应力由根据以下公式的换算弹性应力σe来限定54σe=k6πpDy1+DDy(1-DDy)2]]>55其中p为线载荷强度，而k是考虑了三边载荷测试方法中的两个底部支撑边之间的距离后的系数。对于AS4139-2003测试方法而言，该距离是这样的对于所有实际应用而言，k都可以取为1。图3示出了测试于该测试方法中的管的端部正视图。总体而言，k与图3所示的角度φ之间的关系表示如下56φ 015度30度45度57k10.980.940.88
58相对位移δ由以下计算得到59δ=dD]]>60d为使用线性差动变压器或传感器所测得的管的绝对竖直位移。
61如图1所示，应力/相对位移或挠曲曲线具有两个主要部分R1及R2。第一部分R1基本为线弹性部分，其向上延伸至比例极限并具有斜率S1。第二部分R2为伪应变强化部分，其以超过LOP的应力程度延伸超过部分R1，直至断裂模量(MOR)。部分R2具有弧形中间部分P(a)及主要部分P(b)。部分P(a)相对较短，且在某些情况下不容易辨识。但是，当存在时，部分P(a)的斜率逐渐倾斜而导至主要部分P(b)的斜率S3。挠曲值δ1、δ2及δ3表示在LOP、从部分P(a)至部分P(b)及MOR的应力值处获得的各个位移量。
62对于图1的曲线，由AS4139-2003三边载荷方法确定的S1、S3、LOP、MOR、及δ1、δ2及δ3的一般值在上文进行了详细描述。
63在部分R2中，在应变强化期间，管的水泥基体中的微裂缝导致实际的应力/相对位移曲线将快速波动。图1的曲线示意性的示出了部分R2的平滑走向线。但是，这未非是对所描述的特性的否定。
64参考图2，在此示出的两个示图示出了在AS4139-2003三边载荷方法的发展过程中通过根据本发明的管的截面。图1曲线的线弹性部分R1应用在管保持未裂开的情况下，尽管增加了所施加的负载。左边的示图是在施加的负载作用下的管，所述负载升高了应力值，产生了微裂缝及伪应变强化，相对位移大于δ1但不大于δ2-δ1及δ2如图1所示。在这些条件下，在管壁的内表面层的顶部及底部区域(a)及(b)产生了微裂缝。当载荷增加使得相对位移程度接近δ2时，伴随管的进一步弯曲，通过绕内表面周向地扩张开，区域(a)及(b)的尺寸增加。
65图2右侧的示图示出了在已经增加了所施加的负载、导致产生了超过δ2的相对位移值后所形成的情况。在相对位移刚刚超过δ2时，在管的水平中部，微裂缝在外表面层的横向区域(c)及(d)处产生。当载荷进一步增加而导致较高的、小于δ3的相对位移值时，伴随管进一步的弯曲，区域(c)及(d)的尺寸类似地增加。
66图4示出了根据对本发明的特性的上述说明的ECC材料制成的压制管的典型的测试应力-相对位移曲线。该曲线的管内径为375mm且壁厚为12mm。表示了在管的干及湿两种状态下获得的数据。测试了内径为750mm且壁厚为22mm的管，已获得了类似特性的曲线，由此证明了管的特性与尺寸无关。
67最后，需要理解的是，不脱离本发明的精神及范围，可以将各种变更、修正及/或添加引入上述部分的结构及设置中。
权利要求
1.一种适于地下使用的水泥管，其中所述管具有由纤维增强水泥基体或可呈伪应变强化(PSH)性能的材料形成的管状壁，所述壁的壁厚与直径之间的比率位于一个范围内，且所述水泥材料及所述壁厚与直径比率的范围使得在通过三边载荷方法测试时，所述管在径向准静态弯曲(挠曲)时具有特有的性质，且其中所述性质为当由所述方法测试时，所产生的管的应力-相对位移曲线具有一个基本上线弹性的区域以及一个从所述弹性区域的比例极限(LOP)至所述管的断裂模量(MOR)的PSH区域，所述线弹性区域具有位于第一极限内的第一斜率，所述PSH区域越过一可能的过渡部分，具有比所述弹性部分的斜率小、并位于第二极限内的斜率。
2.如权利要求1所述的管，其中所述壁的壁厚与直径的之间比率相对较小。
3.如权利要求1或2所述的管，其中对于一给定的壁直径而言，所述壁厚处于相对较窄的范围内，同时，具有给定较大直径的壁的管的壁厚范围大于具有给定较小直径的壁的管的壁厚范围。
4.如权利要求3所述的管，其中对于所给出的管壁内径，给定壁内径的壁厚范围如下壁直径 壁厚范围225mm 5mm至9mm375mm 8mm至15mm750mm 16mm至30mm2100mm 45mm至85mm。
5.如权利要求3所述的管，其中对于所给出的管壁内径，给定壁内径的壁厚范围如下壁直径 壁厚范围225mm 6mm至8mm375mm 9mm全13mm750mm 20mm至26mm2100mm55mm至75mm。
6.如权利要求1至5中任一项所述的管，其中在承受产生高至所述LOP应力的负载时，所述管可如刚性管地工作。
7.如权利要求1至6中任一项所述的管，其中在承受产生超过所述LOP并直至所述MOR的应力值的负载时，由于PSH效应，所述管可如柔性管地工作。
8.如权利要求1至7中任一项所述的管，其中当由澳大利亚标准AS4139-2003的三边载荷方法进行测试时，所述应力-相对位移曲线的LOP值为约4MPa至12MPa，例如从约5MPa至10MPa，诸如从约5MPa至7MPa。
9.如权利要求1至7中任一项所述的管，其中当由澳大利亚标准AS4139-2003的三边载荷方法进行测试时，所述应力-相对位移曲线在首次测试时基体的断裂强度值为约4MPa至12MPa，例如从约5MPa至10MPa，诸如从约5MPa至7MPa。
10.如权利要求8或9所述的管，其中当如此测试时，所述曲线在弹性变形极限处的相对位移(δ1)为约0.3％至约0.9％，例如从0.4％至0.8％，诸如从0.6％至0.8％。
11.如权利要求8至10中任一项所述的管，其中当如此测试时，所述曲线具有一个所述曲线PSH区域的第一过渡部分，该第一过渡部分直至约为1.7％的相对位移(δ2)，例如从1.1％至1.5％，诸如约1.2％。
12.如权利要求8至11中任一项所述的管，其中当如此测试时，所述曲线具有至少一个PSH区域的主要部分，该主要部分直至约为11％的位移(δ3)，优选的在从约2％至约11％的范围内，例如从约3％至10％，诸如从约5％至约9％。
13.如权利要求8至12中任一项所述的管，其中当如此测试时，所述曲线的MOR值从约10MPa至20MPa，诸如从约10MPa至17MPa，例如从约10MPa至15MPa，诸如从约11MPa至15MPa。
14.如权利要求8至13中任一项所述的管，其中在所述曲线的线性部分上，该曲线具有一个位于所述第一极限内的斜率(S1)，从约1000MPa至约1700MPa，例如从1000MPa至1650MPa，诸如从约1330MPa至1650MPa。
15.如权利要求8至14中任一项所述的管，其中至少所述曲线的PSH区域长度的一个主要部分具有正斜率(S3)，所述正斜率在所述第二极限的范围内，从非常小的正值直至约0.04S1至0.25S1，例如约为0.05S1，其中S1是在所述线性部分上的曲线斜率，其中所述PSH区域是波动的，且所述斜率S3为所述PSH区域平滑走向线的斜率。
16.如权利要求1至15中任一项所述的管，其中所述管状壁的截面为大体环形，并且其截面形状大体在整个长度方向上均为大体恒定的。
17.如权利要求1至16中任一项所述的管，其中所述水泥基体是以波特兰水泥为基础的、并包括诸如飞灰、硅尘、矿渣及其组合的火山灰材料。
18.如权利要求1至16中任一项所述的管，其中所述水泥基体包括碱活性水泥，所述碱活性水泥以诸如飞灰、硅尘及其组合的火山灰材料为基础。
19.如权利要求17或18所述的管，其中所述水泥基体具有分散在其中的不连续纤维，诸如金属、聚合物、陶瓷纤维及其组合，所述不连续纤维的纤维长度相对较短，从3mm至24mm。
20.如权利要求1至19中任一项所述的管，其中所述水泥材料为工程水泥复合材料。
21.如权利要求1至20中任一项所述的管，其中所述管通过脱水压制合适的水泥材料而制成，所述水泥材料的水组分所提供的水与粘合料(水泥加上火山灰材料)的比率为约0.3到0.5，且其中在压制过程中所述比率减小至约0.24到0.26。
22.如权利要求1至21中任一项所述的管，其中所述管的杨式模量为20GPa至40GPa，诸如30GPa至35GPa。
23.如权利要求1至22中任一项所述的管，其中所述管的耐压强度为40MPa至100MPa，诸如45MPa至75MPa，例如50MPa至70MPa。
24.如权利要求1至23中任一项所述的管，其中所述基体抗裂强度为4MPa至12MPa，诸如5MPa至10MPa，例如5MPa至7MPa。
25.如权利要求1至24中任一项所述的管，其中所述管的复合材料破坏应力为5MPa至14MPa，诸如从6MPa至12MPa，例如从6MPa至9MPa。
26.如权利要求7至25中任一项所述的管，其中所述管的复合材料破坏应变为2％至8％，诸如从3％至6％，例如从3％至5％。
27.一种制造适于地下使用的水泥管的方法，其中所述方法包括形成一个管，所述管具有由纤维增强水泥基体或可呈伪应变强化(PSH)性能的材料形成的管状壁，所述壁的壁厚与直径之间的比率位于一个范围内，且其中对所述的管的形成以及所述水泥材料进行控制，使得所述壁厚与直径之间的比率范围为在通过三边载荷方法测试时，所述管在径向准静态弯曲(挠曲)时具有特有的性质，该性质为当由所述方法测试时，所产生的所述管的应力-相对位移曲线具有一个基本上线弹性的区域以及一个从所述弹性区域的比例极限(LOP)至所述管的断裂模量(MOR)的PSH区域，所述线弹性区域具有位于第一极限内的第一斜率，所述PSH区域越过一可能的过渡部分，具有比所述弹性部分的所述斜率小、并位于第二极限内的斜率。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述管的形成被控制成所述壁的壁厚与直径之间的比率相对较小。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中所述管的形成被控制成对于一给定的壁直径而言，所述壁厚处于相对较窄的范围内，同时，具有给定较大直径的壁的管的壁厚范围大于具有给定较小直径的壁的管的壁厚范围。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述管的形成被控制成对于所给出的管壁内径，给定壁内径的壁厚范围如下壁直径 壁厚范围225mm 5mm至9mm375mm 8mm至15mm750mm 16mm至30mm2100mm 45mm至85mm。
31.如权利要求29所述的方法，其中所述管的形成被控制成对于所给出的管壁内径，给定壁内径的壁厚范围如下壁直径 壁厚范围225mm 6mm至8mm375mm 9mm至13mm750mm 20mm至26mm2100mm 55mm至75mm。
32.如权利要求27至31中任一项所述的方法，其中所述管的形成被控制成所述管状壁的截面是大体环形的，并且其截面形状大体在整个长度方向上均为大体恒定的。
33.如权利要求27至32中任一项所述的方法，其中所述水泥基体从基于以下的基体中选择(a)波特兰水泥，并包括诸如飞灰、硅尘、矿渣及其组合的火山灰材料；或(b)碱活性水泥，其以诸如飞灰、硅尘、矿渣及其组合的火山灰材料为基础。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述水泥基体具有散布在其中的不连续纤维，诸如金属、聚合物、陶瓷纤维及其组合，所述不连续纤维的纤维长度相对较短，从3mm至24mm。
35.如权利要求27至34中任一项所述的方法，其中所述水泥材料为工程水泥复合材料。
36.如权利要求27至39中任一项所述的方法，其中所述管通过脱水压制合适的水泥材料而制成，所述水泥材料的水组分所提供的水与粘合料(水泥加上火山灰材料)的比率为约0.3到0.5，且其中在压制过程中所述比率减小至约0.24到0.26。
全文摘要
一种水泥管，其具有由纤维增强、呈伪应变强化(PSH)的水泥基体形成的管状壁。所述基体和位于一个范围内的壁厚与直径之间的比率使得在通过三边载荷方法测试时，所述管在径向准静态弯曲(挠曲)时具有特有的性质。所述性质为所述管的应力－相对位移曲线具有一个基本上线弹性的区域以及一个从LOP至MOR的PSH区域，所述线弹性区域具有位于第一极限内的第一斜率，所述PSH区域越过一可能的过渡部分，具有比所述弹性部分的斜率小、并位于第二极限内的斜率。
文档编号F16L9/00GK1882799SQ200480034207
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月19日 优先权日2003年11月19日
发明者斯蒂芬·D·贝克, 约翰·特里·古尔利, 亨利克·斯唐 申请人:洛可拉有限公司