內襯HDPE鋼筋混凝土復合管的研究與應用-20231122.pdf

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1、內襯內襯HDPEHDPE鋼筋混凝土復合管的鋼筋混凝土復合管的研究與應用研究與應用高武 2023年11月上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司目目 錄錄復合管介紹研究背景研究內容成果應用1 12 23 34 41 1復合管介紹復合管介紹1 復合管介紹4內襯HDPE鋼筋混凝土復合管HDPEHDPE內襯材料內襯材料 一面為平面，另一面上帶有錨固鍵 板厚度為1.5-5.0mm 錨固鍵長度10.0-20.0mm（錨固健與PE板一體成型）HDPE內襯復合管剖面圖1 復合管介紹5制作過程HDPE內襯拼接后吊裝HDPE內襯套入鋼模放置鋼筋籠封閉模板澆筑混凝土HDPE內襯套入鋼模2 2研究背景研究背景2.1

2、背景背景南干線探檢概況南干線探檢概況全長32km，1972年建成投入使用。管道為鋼筋混凝土管和鋼筋混凝土箱涵。7南干線走向示意圖出現了保護層脫落殆盡、粗骨料外露、鋼筋銹蝕、鋼筋銹斷脫落的腐蝕情況，存在嚴重安全隱患。2.1 背景背景合流一期探檢概況合流一期探檢概況全長33.42km，1993年建成通水。管道為鋼筋混凝土管和鋼筋混凝土箱涵。8合流一期走向示意圖管道內部也出現了管內結構腐蝕、滲漏水等隱患。92.2 防腐現狀研究防腐現狀研究管道防腐類型管道防腐類型高分子涂料類高分子涂料類優點：價格低、施工靈活便利缺點：使用壽命短、防腐層易被破壞上海大口徑排水管道防腐形式大多是人工涂刷聚氨酯類防腐涂料。

3、防腐砂漿類防腐砂漿類優點：基層處理簡單、施工方便、有足夠的施工厚度缺點：延伸率較低、表面粗糙在英國、北美，馬來西亞，新加坡等國家或地區污水系統中都有使用。內襯類內襯類優點：柔韌性、延展性、耐腐蝕、內襯與管體粘合便利缺點：施工中對內襯保護要求較高常用的內襯材料有HDPE、玻璃鋼和PVC。排水管道工程中采用內襯形式的復合管已逐漸成為管道防腐的一種新型解決方案。高分子涂料類防腐砂漿類內襯類防腐年限（估）510年1015年50年揮發性有機物含量施工時氣味較重較低低表面糙率系數較高高低延伸率較高較低高施工便利性較好較好好費用較低中較高防腐材料對比表102.2 防腐現狀研究防腐現狀研究新加坡深層污水隧道工

4、程（新加坡深層污水隧道工程（DTSSDTSS）主管主管長度：78km內徑：3m6m埋深：35m60m防腐設計：鋼纖維混凝土管片襯砌+混凝土內襯+HDPE內襯支管支管內徑：0.5m3m埋深：10m30m防腐設計：預制鋼筋混凝土管+2.5mmHDPE內襯112.2 防腐現狀研究防腐現狀研究澳大利亞奎因斯主下水道工程（澳大利亞奎因斯主下水道工程（QuinnsQuinns Main Sewer Main Sewer）管道管道長度：5km內徑：2m設計使用年限：100年防腐設計：預制鋼筋混凝土管+2.5mmHDPE內襯122.2 防腐現狀研究防腐現狀研究加拿大西部排水隧道工程加拿大西部排水隧道工程管道管

5、道長度：3.8km內徑：3m防腐設計：混凝土管片襯砌+5mm厚PDCPD防腐蝕層（聚雙環戊二烯）2.2 防腐現狀研究防腐現狀研究國內工程案例國內工程案例13內襯內襯PVCPVC鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管行業規范內襯PVC片材混凝土和鋼筋混凝土排水管、廣東地方標準混凝土和鋼筋混凝土內襯改性聚氯乙烯排水管道工程技術規程主要應用于廣東省部分地區的排水工程中，如珠海市橫琴區市政道路網管工程及廣東省東莞市同沙水庫截污工程等。內襯玻璃鋼鋼筋混凝土管內襯玻璃鋼鋼筋混凝土管新疆地方標準內襯玻璃鋼鋼筋混凝土復合管杭州幸福北路穿湖隧道二期工程、長沙火星北路二期工程等內襯內襯HDPEHDPE鋼筋混凝土管鋼筋混凝土管天

6、津東郊污水處理廠遷建管網配套工程、深圳市南山海德三道雨水管修復工程等2.3 研究內容14上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司上海市城市排水有限公司上海浦東混凝土制品有限公司上海城建市政工程（集團）有限公司上海城建預制構件有限公司承擔單位牽頭合作單位內襯式防腐鋼筋混凝土復合管的關鍵技術研究2.3 研究內容15內襯內襯HDPEHDPE鋼鋼筋混凝土復筋混凝土復合管合管調研國內外應用現狀管節設計及制作研究力學性能及構造研究內襯材料的性能研究與比選管節性能試驗施工應用研究目標1：研制新型的可應用于大直徑頂管的HDPE內襯式防腐鋼筋混凝土復合管目標2：編制HDPE內襯式防腐鋼筋混凝土復合管技術指南，可

7、用于指導工程應用3 3研究內容研究內容內襯材料比選內襯材料比選173.1 適用污水環境的內襯材料性能研究HDPEHDPE內襯材料內襯材料 厚度為1.0-5.0mm 一面為平面，另一面上帶有錨固鍵 錨固鍵長度10.0-20.0mmPVCPVC內襯材料內襯材料 原材料：聚氯乙烯 厚度：1.5mm 一面為平面，另一面上帶有錨固鍵 固定鍵的形狀可為工字型、菱型等玻璃鋼內襯材料玻璃鋼內襯材料 一面為平面，另一面上帶有錨固鍵 錨固鍵為凹凸鋼絲網18性能指標PVCHDPE玻璃鋼力學性能一般好一般錨固強度一般高低粗糙度小小小耐腐蝕性好好好耐老化性好好較差使用壽命50年大于50年50年施工便利性好好較差投資低較

8、高高內襯材料的比選1.玻璃鋼材質較硬且脆，對內襯成品環的制作精度要求很高，且無法做到折疊運輸；2.PVC與HDPE材質特性相近，但HDPE在力學性能方面均有較大優勢，HDPE的固定鍵錨固力更強；3.內襯材料費用在管道中所占的整體比例較小，考慮到管道的施工和運營安全，選用HDPE作為大管徑鋼筋混凝土復合管的內襯材料是最合適的選擇。內襯材料的比選內襯材料的比選3.1 適用污水環境的內襯材料性能研究19檢測項目檢測結果本項目推薦值A材料（未蒸養）A材料（蒸養）B材料（未蒸養）B材料（蒸養）C材料（未蒸養）C材料（蒸養）密度（g/cm3）0.9520.9530.9660.9641.0361.0360.

9、955%g/cm3斷裂拉伸強度（MPa）222321202322=16MPa拉斷伸長率（%）706683636691671643=500%彎曲模量（MPa）742665-949665=600MPa邵氏硬度（）596060605959=50吸水率（75mm25mm，24h）（%）0.020.020.020.030.020.0230 30-151156=20min熱空氣老化（85,72h）拉伸強度保持率（%）9597959596100=95%斷裂伸長率保持率（%）10810411110295102=85%耐堿性（40%氫氧化鈉，20）拉伸強度保持率（%）99999710010095=95%斷裂伸長

10、率保持率（%）11010811510498105=95%燃燒性能等級測定B2B2B2B2B2B2B2氣體透過性系數（cm3.cm/cm2.s.pa）5.73344.74414.75385.77344.72315.1237-滾動磨耗（mg）10.95.875.937.903.235.93-HDPE內襯材料物理性能試驗結果匯總（選擇了3個廠家、蒸養前后對比）3.1 適用污水環境的內襯材料性能研究HDPEHDPE內襯材料內襯材料檢測20檢測項目重量變化率檢測結果重量變化率本項目推薦值A材料（未蒸養）A材料（蒸養）B材料（未蒸養）B材料（蒸養）C材料（未蒸養）C材料（蒸養）20%硫酸0.050.050

11、.020.030.060.03=0.12%5%氫氧化鈉0.070.070.030.030.090.03=0.20%5%氨水0.040.070.040.050.040.06=0.40%1%硝酸0.020.030.060.050.060.03=0.20%1%氯化鐵0.040.030.070.060.050.07=0.60%5%氯化鈉0.060.030.040.040.040.04=0.15%1%次氯酸鈉0.050.070.060.050.070.05=0.20%2%肥皂液和洗滌劑0.040.080.040.040.050.04=0.40%通過內襯材料比選及HDPE材料檢測，并結合相關標準，提出了適

12、用污水防腐的鋼筋混凝土復合管內襯材料的化學性能和物理性能等的耐久性技術要求。HDPE內襯材料耐化學試劑性能試驗結果匯總3.1 適用污水環境的內襯材料性能研究HDPEHDPE內襯材料內襯材料檢測3.2 HDPE內襯式鋼筋混凝土管性能試驗21試驗目的試驗目的測試管節開裂漏水后，內襯承受水壓的能力與界面排水條件。管節使用階段外水壓為0.2MPa。試驗步驟試驗步驟管節鋼筋混凝土外壁預埋DN10鋼管現場照片現場照片復合管中HDPE內襯材料受到外水壓力后出現接觸面滲漏，形成暢通的排水通道，不會導致內襯材料鼓脹損壞。HDPE內襯抗外水壓試驗閉水性能22試驗目的試驗目的HDPE內襯在管節接口處經焊接處理或不經

13、焊接處理條件下，測試HDPE內襯焊接處在管節接口承受內、外水壓的能力。試驗步驟試驗步驟1.接口內側安裝環形密封箱表明管節接頭的抗內外水壓能力足夠強，能夠滿足設計要求。但內襯接頭密封焊接后，如果產生外水壓力，焊接質量難以保證密封不漏水；如果做到密封不漏，內襯反而承受較大壓力，產生鼓脹變形的不利情況。2.接口外側安裝環形密封箱3.接口外側安裝環形密封箱，接口密封HDPE內襯接頭抗外水壓試驗接口耐壓性能3.2 HDPE內襯式鋼筋混凝土管性能試驗試驗目的試驗目的測試內襯管節的外壓荷載，測定管節的裂縫（0.2mm）與破壞荷載23試驗步驟試驗步驟混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法現場照片現場照片試驗得到的裂

14、縫荷載及破壞荷載均大于理論計算。HDPE材料不足以使得HDPE材料產生足夠大的拉力以影響混凝土管節的外壓荷載試驗的結果。從試驗結果還可以看出，HDPE內襯厚度及錨固鍵的錨入對混凝土管節的外壓荷載基本無影響。三邊支承法外壓荷載試驗力學性能3.2 HDPE內襯式鋼筋混凝土管性能試驗試驗目的試驗目的測試內襯-鋼筋混凝土管之間的粘結強度。24試驗步驟試驗步驟現場照片現場照片破壞形式都是從某級荷載向下一級荷載增加時，增加到某個荷載值后荷載讀數不再增加停止拉拔儀補載則荷載略有下降，繼續補載則荷載回到剛才荷載點后不再增加，可以見到內襯材料從管節混凝土中緩慢脫離，直到全部拔出。HDPE內襯表面抗拔試驗錨固性能

15、3.2 HDPE內襯式鋼筋混凝土管性能試驗試驗目的試驗目的測試HDPE內襯單個固定鍵所能承受的極限拉拔力。25試驗步驟試驗步驟現場照片現場照片抗拉拔的破壞模式都是錨固鍵從混凝土中拔出并且單個錨固鍵的錨固強度可以達到1kN以上。HDPE內襯單鍵抗拉拔試驗錨固性能3.2 HDPE內襯式鋼筋混凝土管性能試驗26影響因素影響因素水化熱的作用蒸養環境混凝土收縮變形效應混凝土凝結中彈性模量變化的影響蒸養完成后，HDPE的殘余應力較小且與蒸養溫度無關，對結構受力性能無影響。澆筑蒸養階段的受力收縮階段溫度荷載下的受力分析復合結構受力性能3.3 HDPE內襯式鋼筋混凝土管力學性能及構造研究27有有HDPEHDP

16、E內襯內襯無無HDPEHDPE內襯內襯使用階段的受力分析復合結構受力性能無論管節有無HDPE內襯，管節結構內力與變形均幾乎無任何區別。HDPE內襯在使用階段將始終處于受壓狀態。3.3 HDPE內襯式鋼筋混凝土管力學性能及構造研究28不焊接不焊接在外水壓大于內水壓的工況下，內襯HDPE板材完全不受影響，不會對內襯HDPE板材造成損壞。在有內水壓的工況下，接口處有聚硫密封膏，可避免內水進入板材與混凝土的界面內。完全焊接完全焊接在外水壓大于內水壓的工況下，無法形成排水通道，使得內襯承受外水壓力。在有內水壓的工況下，內襯受壓不會受到損壞。材質一致，形象美觀。部分焊接部分焊接在外水壓大于內水壓的工況下，

17、由于底部采用不焊接形式，可以形成排水通道，避免了內襯直接承受外水壓。在有內水壓的工況下，但相較于不焊接形成的腐蝕面更小。根據不同接口的優缺點，建議按以下情況選用：1、當外水壓較?。ㄍ馑畨毫π∮?m水頭）時，管節內襯HDPE接口建議采用完全焊接方式；2、當外水壓較大時，建議采用不焊接方式；若對美觀有較高要求，可采用部分焊接方式。管節接口處防腐構造形式內襯接口構造3.3 HDPE內襯式鋼筋混凝土管力學性能及構造研究3.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管制作研究29內襯自脹立式澆筑濕法成型管節制作工藝制作過程30出廠檢驗出廠檢驗檢驗項目檢驗項目混凝土抗壓強度、外觀質量、尺寸偏差、內水壓力、外壓荷載、HD

18、PE內襯外觀質量、電火花絕緣性能。抽樣、檢驗抽樣、檢驗HDPE內襯外觀質量檢驗：從受檢批中采用隨機抽樣的方法抽取10根管材，逐根進行HDPE內襯外觀質量檢驗。內襯板材缺損要求為小于含一個錨固體的面積，內襯板材空鼓面積不超過管體內表面積1/20。電火花絕緣性能：從受檢批中采用隨機抽樣的方法抽取10根管材，逐根進行電火花絕緣性能檢測。判定規則判定規則HDPE內襯外觀質量：10根管材的電火花絕緣檢測均達到規定要求時，則判定該項合格電火花絕緣性能：10根管材的電火花絕緣檢測均達到規定要求時，則判定該項合格3.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管制作研究31型式檢驗型式檢驗檢驗項目檢驗項目混凝土抗壓強度、外觀

19、質量、尺寸偏差、內水壓力、外壓荷載、保護層厚度、HDPE內襯外觀質量、電火花絕緣性能、內襯HDPE板材錨固體抗拉拔強度。抽樣、檢驗抽樣、檢驗HDPE內襯外觀質量：同出廠檢驗中HDPE內襯外觀質量的抽樣、檢驗。電火花絕緣性能：同出廠檢驗中電火花絕緣性能的抽樣、檢驗。內襯HDPE板材錨固體抗拉拔強度：抽取1根檢驗外壓荷載后的管材，選擇3點進行內襯HDPE板材錨固體抗拉拔強度檢驗。判定規則判定規則HDPE內襯外觀質量：同出廠檢驗中HDPE內襯外觀質量的判定規則。電火花絕緣性能：同出廠檢驗中電火花絕緣性能的判定規則。內襯HDPE板材錨固體抗拉拔強度：被測的3點均符合設計時，則判該批產品錨固體抗拉拔強度

20、合格3.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管制作研究32試驗方法內襯內襯HDPEHDPE板材錨固體抗拉拔強度板材錨固體抗拉拔強度1.在混凝土拌合物喂料工序中隨機取樣，制作立方體試件，單側覆HDPE內襯（位于鋼模側面或底面），使中心位置保留一顆錨固體，澆筑前將其他錨固體切除；2.內襯HDPE板材錨固體抗拉拔強度試驗溫度為523；3.檢驗儀器由千斤頂、反力架、拉桿及連接蓋等組成。4.按照試驗步驟進行試驗。拉力荷載值（最大荷載值的百分比）030%60%80%100%100%（每節增加10%）持荷時間（min）01111每節持荷時間 1 min3.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管制作研究33試驗方法電火花絕緣

21、性能電火花絕緣性能1.在檢測前，待檢測的HDPE內襯表面應使用抹布或是其他不會對HDPE內襯面造成損傷的物品擦拭干凈并保持干燥；2.注意人體不應與掃頭和儀器內的高壓輸出柱接觸，以保證安全，同時不應讓檢測金屬掃頭直接接觸地面，以免損傷金屬掃頭；3.將儀器接地線與地面或連接于地面的金屬體完全接觸，亦可將儀器接地線夾住濕布條放置于地面；4.3.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管制作研究343.4 HDPE內襯式鋼筋混凝土管復合管技術指南4 4成果應用成果應用4.1 南干線改造工程全長30km管道為鋼筋混凝土管36南干線走向示意圖南干線改造區試驗段南干線改造工程概況南干線改造工程概況37頂進施工頂進施工考

22、慮到HDPE內襯管無法檢查頂進后的結構損壞情況：1.嚴格控制頂力，宜控制在設計允許頂力的80%以下；2.嚴禁大幅度糾偏，宜勤測勤糾，小幅多糾。糾偏特殊管糾偏特殊管1.將糾偏特殊管隨頂管機頭一起推入接收井內，然后吊出；2.需要利用鋼板對糾偏油缸盒進行焊接封閉，再把缺失的HDPE補全。中繼間的處理中繼間的處理1.當采用閉環形式時，該中繼間在拆除油缸后，可將前后殼體推進合并成一體2.當采用現澆形式時，拆除中繼間內油缸，保留中繼間殼體，采用現澆砼工藝制作管節。管道內動火作業的針對措施管道內動火作業的針對措施1.一般情況下，動火作業盡量在地面完成，管道內盡可能避免動火作業。2.B級，應急措施主要為施工前

23、進行隔離，發生融燃后作業人員及監護人員及時發現火情立即滅火，及時通風，可迅速消除火災隱患。施工應用4.1 南干線改造工程38頂進輔助設備的處理頂進輔助設備的處理1.管內運輸或作業時，禁止尖銳物體碰撞復合管內襯，嚴禁在復合管內壁鉆孔或打設膨脹螺絲等。2.頂進過程中，管道內底部鋪設保護墊。在保護墊上每隔一定距離設置一條弧形扁鐵支架，頂管所用輔助設備(如：進水管、排泥管、電纜等)必須固定在弧形支架上。3.重型設施(如：中繼間動力站、接力泵等)應采用與管節弧面相匹配的基座，并放置在保護墊上。4.管內照明線路可采用不影響內襯性能的粘合劑黏貼或利用注漿管進行固定。管道輔助設備布置示意圖管道重型設施布置示意

24、圖施工應用4.1 南干線改造工程39孔洞處理孔洞處理孔洞處理可采用HDPE搭接修補、HDPE填平熱熔、防腐材料修補等方案?？锥刺幚砗缶鶓M行100%電火花絕緣性能檢測。1.HDPE搭接修補單側有效寬度不小于8公分，熱熔補片要美觀，焊接后與管節內襯完全貼合，搭接區域焊縫飽滿，不得有空隙。補片宜由HDPE內襯廠家配套供應，且為平板無錨固體，不應使用切割錨固體后的HDPE內襯。2.HDPE填平熱熔是用HDPE補片嵌入孔洞中，補片與孔洞間隙為12mm，間隙再用熱熔絲密封。補片宜由HDPE內襯廠家配套供應，且為平板無錨固體。3.防腐材料修補中防腐材料可采用環氧樹脂等厚漿型具有防腐效果的材料，并調制成和H

25、DPE內襯近似顏色?？锥磧忍畛涿軐?，填充物表面與HDPE表面齊平，不得有空隙。防腐材料修補效果施工應用4.1 南干線改造工程404.2 總結1.HDPE內襯防腐年限可達到50年，與管道結構同壽命；HDPE內襯可折疊運輸，制管廠沿用立式澆筑濕法成型管節制作實現防腐在制管廠完成；通過試驗及南干線改造工程的應用，驗證了HDPE內襯式鋼筋混凝土管在大直徑頂管應用的可行性。2.南干線改造工程內襯HDPE復合管僅增加5%工程投資，實現與管道結構同壽命，而使用常規防腐涂料，防腐年限僅10年左右，在設計使用年限中至少有1次大型修復。進而在全壽命周期過程中采用內襯HDPE防腐鋼筋混凝土復合管可節約70%工程投資。3.目前CECS團體標準內襯聚乙烯錨固板鋼筋混凝土排水管、內襯聚乙烯錨固板鋼筋混凝土排水管道工程技術規程已實施謝謝！謝謝！