結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)，分析了PCCP的工程結(jié)構(gòu)屬性、服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了PCCP耐久性設(shè)計(jì)的必要性，歸納了PCCP耐久性設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，總結(jié)了與耐久性相關(guān)的PCCP管體結(jié)構(gòu)、環(huán)境作用條件、管體混凝土材料、工藝構(gòu)造以及附加防腐措施等方面的技術(shù)要求，提出了不同環(huán)境條件下PCCP的耐久性設(shè)計(jì)思路。

0   前言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下簡稱PCCP）是指在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管體中嵌有防滲鋼筒的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓力輸水管。作為最早從國外引進(jìn)技術(shù)的壓力管產(chǎn)品，PCCP在我國的水利、市政等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。PCCP的性能優(yōu)越，但由于長期對耐久性不夠重視，監(jiān)管不到位等因素，近年來有關(guān)PCCP使用壽命、耐腐蝕性能等問題一直困繞著建設(shè)單位、設(shè)計(jì)院、工程監(jiān)理以及生產(chǎn)企業(yè)。

基于此，本文從PCCP結(jié)構(gòu)、材料、構(gòu)造等方面對其耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，歸納總結(jié)完整的耐久性設(shè)計(jì)思路，助力PCCP性能和市場信心的提升。

1   PCCP耐久性設(shè)計(jì)的必要性

1.1   工程結(jié)構(gòu)屬性

GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中將結(jié)構(gòu)耐久性定義為：“在環(huán)境作用和正常維護(hù)、使用條件下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力”。各種能使結(jié)構(gòu)滿足耐久性要求的設(shè)計(jì)和措施，都可稱作耐久性設(shè)計(jì)。PCCP作為輸水管線工程的主體結(jié)構(gòu)，平穩(wěn)運(yùn)行和安全使用均關(guān)系著國計(jì)民生，輸水工程的設(shè)計(jì)應(yīng)符合相關(guān)耐久性要求。PCCP作為工廠化預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的產(chǎn)品，不能忽略了其工程結(jié)構(gòu)屬性，其設(shè)計(jì)同樣應(yīng)該符合工程結(jié)構(gòu)對耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

1.2   服役環(huán)境

PCCP在我國被大量用于輸水管線，也有不少用于污水排水管線的工程案例。從鋪設(shè)方式上看，我國PCCP管線絕大多數(shù)為埋地管線，少數(shù)為露天鋪設(shè)管線，也有穿越河床、湖沼的管線；從應(yīng)用地域上看，在東北嚴(yán)寒地區(qū)、西北沙漠地帶、西南高山谷地、東南濱海沿岸、中部黃土高原都有PCCP的應(yīng)用。管線所涉及的管外環(huán)境作用類別和作用等級各不相同，其中，地下環(huán)境作用類別主要有氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽、碳酸鹽等腐蝕類型；地上環(huán)境作用主要有碳化、凍融、生物作用等類型。根據(jù)GB/T 50476—2019的分級方式，PCCP服役的環(huán)境作用主要有A級（輕微）、B級（輕度）、C級（中度）、D級（嚴(yán)重）、E級（非常嚴(yán)重）。在排污管線中，PCCP還需考慮管內(nèi)污水的腐蝕作用，其作用類型主要是以硫酸鹽為主的化學(xué)侵蝕，作用等級介于C級～E級之間。由此可見，PCCP的服役環(huán)境為各種腐蝕類型和等級的復(fù)雜環(huán)境，所以，有必要對其進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

1.3   結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PCCP結(jié)構(gòu)主要具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

      （1）承壓能力主要由直徑為5～7 mm，沿管體環(huán)向布置的預(yù)應(yīng)力鋼絲提供。管體混凝土不配普通鋼筋，主要由預(yù)應(yīng)力鋼絲提供承壓骨架，并與鋼筒共同組成管體的主要承壓結(jié)構(gòu)。

      （2）鋼筒厚度一般為1.5 mm，主要作為結(jié)構(gòu)防滲體系。

      （3）砂漿保護(hù)層可以起到保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲不受外界侵蝕的作用，其厚度不得低于25 mm。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，PCCP可以分為L型和E型 ，見圖1。由此可知，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲是PCCP結(jié)構(gòu)安全的核心，在進(jìn)行PCCP耐久性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在考慮服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)安全等級基礎(chǔ)上，將預(yù)應(yīng)力鋼絲和砂漿保護(hù)層的耐久性設(shè)計(jì)作為關(guān)鍵。   

2   PCCP耐久性設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

PCCP結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)GB/T 50476—2019的規(guī)定進(jìn)行，一般包含以下基本設(shè)計(jì)內(nèi)容：

      （1）明確結(jié)構(gòu)的安全等級、設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別及作用等級。

      （2）提出對結(jié)構(gòu)材料的耐久性質(zhì)量要求。

      （3）選擇有利于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置方式及構(gòu)造措施。

      （4）確定滿足耐久性要求的鋼筋保護(hù)層厚度和混凝土裂縫控制要求。

      （5）基于上述耐久性設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

      （6）在嚴(yán)重環(huán)境作用下合理采取防腐蝕附加措施或多重防護(hù)策略。

      （7）明確結(jié)構(gòu)在使用階段的維護(hù)、修理和檢測要求。

3   PCCP耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

3.1   結(jié)構(gòu)安全等級、設(shè)計(jì)使用年限和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

由于對工程結(jié)構(gòu)屬性的忽略，PCCP結(jié)構(gòu)的安全等級、設(shè)計(jì)使用年限和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0在設(shè)計(jì)中往往被弱化，但上述參數(shù)是體現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)性能和安全可靠度的基本參數(shù)，其對保證PCCP結(jié)構(gòu)安全、耐久性具有重要影響。具體到PCCP結(jié)構(gòu)，所影響的并不是簡單的"結(jié)構(gòu)配筋量變化"問題，還涉及到結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)、材料性能指標(biāo)等不同要求。因此，在PCCP設(shè)計(jì)時(shí)同樣應(yīng)重視以上基本參數(shù)的確定。

PCCP作為輸水管線的主體結(jié)構(gòu)， 其安全等級和設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)與工程設(shè)計(jì)指標(biāo)一致，其安全等級應(yīng)按一級考慮；設(shè)計(jì)使用年限除特別重要的管線需按100年考慮外，可按50年考慮（PCCP設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與工程設(shè)計(jì)文件取值一致）；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的取值會直接影響結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，根據(jù)CECS 140∶2011《給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中5.2.2條的規(guī)定：“管道結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，當(dāng)設(shè)計(jì)為雙線或有調(diào)蓄設(shè)施時(shí)可取1.0，當(dāng)用作排水管時(shí)可取1.0”。除此之外，PCCP設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值還應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件的要求確定。

3.2   環(huán)境類別和環(huán)境作用等級

環(huán)境類別是指能對結(jié)構(gòu)耐久性能產(chǎn)生影響的環(huán)境因素種類。環(huán)境作用等級是指環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)或材料產(chǎn)生影響的強(qiáng)弱程度。環(huán)境類別和環(huán)境作用等級是工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本參數(shù)，是確定耐久性設(shè)計(jì)措施的基礎(chǔ)。GB/T 50476—2019、CCES 01—2004《 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》對結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境類別和環(huán)境作用等級分類有明確的規(guī)定，在進(jìn)行PCCP耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從工程勘察設(shè)計(jì)文件中查找相關(guān)的腐蝕性評價(jià)數(shù)據(jù)（例如：土壤的pH值、電阻率、氯離子濃度、硫酸根離子濃度、氣候特點(diǎn)等），按上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行分類。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，PCCP服役的主要環(huán)境類別和環(huán)境作用等級見表1。

已有資料顯示，埋設(shè)在普通土壤中數(shù)十年的混凝土管材，其混凝土強(qiáng)度和鋼筋的受保護(hù)效果等指標(biāo)仍良好。在無腐蝕性土壤環(huán)境（Ⅰ-B）中的PCCP耐久性好于同類地區(qū)的地上PCCP。管線埋設(shè)在濕潤且近乎恒溫的地下環(huán)境中有利于混凝土材料強(qiáng)度的充分發(fā)展和密實(shí)度的提高。同時(shí)，混凝土在地下環(huán)境中的碳化速度遠(yuǎn)小于地上環(huán)境。埋設(shè)于腐蝕性土壤中的PCCP，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)其環(huán)境類別和環(huán)境作用等級進(jìn)行系統(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)。

3.3   管體材料的耐久性要求

3.3.1   PCCP保護(hù)層砂漿

PCCP保護(hù)層砂漿的主要作用是作為預(yù)應(yīng)力鋼絲的保護(hù)層。對保護(hù)層砂漿的耐久性指標(biāo)進(jìn)行合理性分析也是確保PCCP耐久性的關(guān)鍵。GB/T 19685—2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》中的PCCP保護(hù)層砂漿性能要求與GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015版）》和GB/T 50476—2019的異同見表2。

由表2可知，GB/T 19685—2017要求的PCCP砂漿保護(hù)層主要性能參數(shù)（厚度、強(qiáng)度、滲透性）滿足一般環(huán)境條件下設(shè)計(jì)使用年限50年對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性要求，當(dāng)設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)，凈保護(hù)層厚度不應(yīng)小于30 mm。

當(dāng)PCCP服役于C級、D級的鹽類和化學(xué)腐蝕環(huán)境中時(shí)，在不采取附加防腐措施的前提下，PCCP砂漿保護(hù)層的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)注重增加保護(hù)層的厚度和抗離子滲透性能。其中，保護(hù)層厚度不應(yīng)低于表2所列要求。抗離子滲透性能宜采用氯離子滲透系數(shù)DRCM值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，并應(yīng)滿足表2所列的相應(yīng)要求。此外，為保證砂漿抗氯離子滲透性能滿足要求，宜建立砂漿保護(hù)層吸水率與氯離子滲透系數(shù)DRCM值之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.3.2   管體內(nèi)壁混凝土

PCCP輸送介質(zhì)多為江河原水，無腐蝕性。同時(shí)，一般工作狀態(tài)為滿流，管內(nèi)長期處于無氧環(huán)境，可按GB 50010—2010規(guī)定的Ⅰ類環(huán)境考慮。此時(shí)，管子內(nèi)壁混凝土無需單獨(dú)考慮耐久性要求。如輸送介質(zhì)為污水，根據(jù)GB/T 50479—2019中的7.2.6條，需按污水管道的環(huán)境類別進(jìn)行管內(nèi)壁混凝土的耐久性設(shè)計(jì)（污水管道環(huán)境類別可按Ⅴ-E類考慮）。表3為PCCP管體混凝土在不同條件下的主要耐久性指標(biāo)。

針對Ⅴ-E類環(huán)境，可通過限制混凝土的材料成分以及增加混凝土密實(shí)性來提升其耐久性，具體措施如下：

      （1）混凝土中摻入礦物摻合料。

      （2）限制水泥中C3A的含量。

      （3）對摻合料的材料成分提出相關(guān)要求。

筆者認(rèn)為，從產(chǎn)品質(zhì)量控制和實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)的角度考慮，輸送污水的PCCP混凝土應(yīng)滿足相應(yīng)的抗硫酸鹽性能指標(biāo)，可參考GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對硫酸鹽強(qiáng)腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的要求，輸送污水的PCCP管體內(nèi)壁混凝土抗硫酸鹽性能指標(biāo)KS150≥0.85。

3.3.3   管體混凝土材料的其他耐久性要求

PCCP管體混凝土材料的其他耐久性要求應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限、服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)類型來確定。GB/T50476—2019的相關(guān)規(guī)定如下：①氯離子含量應(yīng)按預(yù)應(yīng)力混凝土的要求執(zhí)行，不大于0.06%；②堿含量應(yīng)結(jié)合混凝土骨料是否具有堿集料反應(yīng)活性來考慮，PCCP作為地下輸水管道時(shí)，服役環(huán)境相對濕度往往大于75%，即使骨料無活性，混凝土堿含量也不應(yīng)超過3.0 kg/m3。

3.4   管體裂縫

根據(jù)CECS 140∶2011的計(jì)算原則，PCCP在正常使用狀態(tài)下的管頂、管底控制截面受拉邊緣可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力，且管側(cè)控制截面受拉邊緣拉應(yīng)力可能會超過保護(hù)層砂漿抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但根據(jù)管材荷載試驗(yàn)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，在正常使用狀態(tài)下，PCCP管體內(nèi)、外壁控制截面均不會出現(xiàn)內(nèi)眼可見的裂縫。由此認(rèn)為，PCCP在正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)裂縫寬度滿足GB/T 50476—2017規(guī)定的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在環(huán)境作用等級D級以內(nèi)的控制要求。但考慮生產(chǎn)質(zhì)量控制的要求時(shí)，PCCP管體的裂縫控制要求（符合GB/T 19685—2017的工藝性裂縫要求）不能滿足某些腐蝕性環(huán)境下的耐久性要求，具體分析見表4。

結(jié)合服役環(huán)境，由表4可知，對滿足GB/T 19685—2017規(guī)定的PCCP管體工藝性裂縫耐久性分析如下：

      （1）在環(huán)境作用等級不超過D級（嚴(yán)重腐蝕）的土壤環(huán)境中，滿足“不出現(xiàn)可見裂縫”規(guī)定的砂漿保護(hù)層在裂縫控制指標(biāo)上能夠滿足耐久性要求；在E級（非常嚴(yán)重）或F級（極端嚴(yán)重）的環(huán)境作用等級下，PCCP砂漿保護(hù)層即使“不出現(xiàn)可見裂縫”，也無法滿足相應(yīng)的耐久性要求，此時(shí)必須對保護(hù)層采取專門的附加防腐措施。

      （2）當(dāng)PCCP輸送無腐蝕性介質(zhì)時(shí)，需要根據(jù)GB/T 50476—2017的規(guī)定，PCCP無需進(jìn)行相關(guān)的裂縫耐久性設(shè)計(jì)。

      （3）當(dāng)PCCP輸送腐蝕性介質(zhì)時(shí)，除根據(jù)GB/T 50476—2017的規(guī)定進(jìn)行裂縫控制外，還應(yīng)按環(huán)境作用等級為E級的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行控制，或者在管內(nèi)壁采取專門的附加防腐措施。

3.5   附加防腐措施分析

PCCP的附加防腐措施目前主要有防腐涂層、陰極保護(hù)和內(nèi)襯防腐片材等方法，工程中可單獨(dú)或組合使用。具體原理如下：

      （1）防腐涂層（環(huán)氧煤瀝青涂層）。其原理為利用涂層的隔離作用阻斷腐蝕介質(zhì)向管體內(nèi)部遷移的途徑，可依據(jù)GB/T 35490—2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管防腐蝕技術(shù)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的規(guī)定，其使用年限如下：①根據(jù)GB/T 50476—2019的規(guī)定，表面涂層措施的最低保護(hù)年限為10年；②根據(jù)JTS 153—2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，最小干膜總厚度為400～500 μm的環(huán)氧涂層體系在不同腐蝕條件下、混凝土表面濕潤環(huán)境中的設(shè)計(jì)保護(hù)年限可達(dá)20年；③根據(jù)GB/T 35490—2017的規(guī)定，埋地PCCP外表面環(huán)境與上述JTS 153—2015的規(guī)定相似，環(huán)氧煤瀝青涂層厚度在600～900 μm，估算其最小保護(hù)年限可達(dá)20～30年。實(shí)際使用過程中，應(yīng)重視環(huán)氧煤瀝青材料的質(zhì)量和施工質(zhì)量的監(jiān)控，避免由于涂層質(zhì)量隱患造成PCCP耐久性的降低。

      （2）陰極保護(hù)體系。其原理為通過外加電流或比鐵更活潑的金屬的消耗，給鋼筋持續(xù)施加一定密度的陰極電流，將其陰極化到一定程度，使鋼筋本身的氧化極反應(yīng)停止或降低至非常小的程度，從而實(shí)現(xiàn)延緩或停止電化學(xué)腐蝕進(jìn)程的目的。根據(jù)不同的規(guī)定，其使用年限如下：①根據(jù)GB/T 50476—2019規(guī)定，陰極保護(hù)措施的最低保護(hù)年限為30年；②根據(jù)JTS 153—2015的規(guī)定，陰極保護(hù)措施的設(shè)計(jì)保護(hù)年限不宜低于30年；③PCCP的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)腐蝕條件、設(shè)計(jì)使用年限要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保護(hù)年限不低于30年，可按管線設(shè)計(jì)使用年限50年或更長年限設(shè)計(jì)。在實(shí)際使用過程中，應(yīng)重視對管材鋼筋腐蝕情況及陰極保護(hù)系統(tǒng)在管線服役期間運(yùn)行情況的監(jiān)控，以便掌握管材的腐蝕狀態(tài)并及時(shí)作出反應(yīng)措施，避免“欠保護(hù)”和“過保護(hù)”的問題。

      （3）內(nèi)襯防腐片材。其原理為利用混凝土表面襯砌的片材層的隔離作用阻斷腐蝕介質(zhì)向管體混凝土內(nèi)部遷移的途徑。根據(jù)CECS 17∶2000《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，PVC類管道的設(shè)計(jì)使用年限不低于50年。因此，基于材料對腐蝕介質(zhì)的耐受性角度，PVC或PE類片材層的保護(hù)年限可與管材結(jié)構(gòu)使用年限相同，即不低于50年。使用過程中應(yīng)考慮片材層與管體混凝土的黏結(jié)性能、接口處理質(zhì)量等問題對片材層或管體耐久性造成的影響。

 表面涂層或片材內(nèi)襯層是通過阻斷腐蝕介質(zhì)到達(dá)管材結(jié)構(gòu)表面以實(shí)現(xiàn)防腐效果，PCCP腐蝕順序?yàn)椤巴繉踊蚱谋桓g→砂漿保護(hù)層或混凝土被腐蝕→鋼材被腐蝕”。PCCP作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，應(yīng)以“鋼筋開始銹蝕”作為耐久性極限狀態(tài)，因此，PCCP的耐久性設(shè)計(jì)使用年限宜為“涂層或片材保護(hù)年限＋混凝土或砂漿保護(hù)層”的保護(hù)年限。

4   結(jié)語

PCCP作為預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管材，由于其工程屬性、復(fù)雜的服役環(huán)境以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在其設(shè)計(jì)過程中應(yīng)貫徹耐久性設(shè)計(jì)思想。以此進(jìn)一步發(fā)揮其在社會經(jīng)濟(jì)和民生中的的重大作用，提升其技術(shù)性能和市場認(rèn)可度。