本文從PCCP結(jié)構(gòu)、材料、構(gòu)造等方面對其耐久性設(shè)計進行分析，歸納總結(jié)完整的耐久性設(shè)計思路，助力PCCP性能和市場信心的提升。
結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）產(chǎn)品標準、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計相關(guān)標準和文獻，分析了PCCP的工程結(jié)構(gòu)屬性、服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點，強調(diào)了PCCP耐久性設(shè)計的必要性，歸納了PCCP耐久性設(shè)計的基本內(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)計進行分析，歸納總結(jié)完整的耐久性設(shè)計思路，助力PCCP性能和市場信心的提升。
1 PCCP耐久性設(shè)計的必要性
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)計標準》中將結(jié)構(gòu)耐久性定義為：“在環(huán)境作用和正常維護、使用條件下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在設(shè)計使用年限內(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)計和措施，都可稱作耐久性設(shè)計。PCCP作為輸水管線工程的主體結(jié)構(gòu)，平穩(wěn)運行和安全使用均關(guān)系著國計民生，輸水工程的設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)耐久性要求。PCCP作為工廠化預(yù)制、標準化生產(chǎn)的產(chǎn)品，不能忽略了其工程結(jié)構(gòu)屬性，其設(shè)計同樣應(yīng)該符合工程結(jié)構(gòu)對耐久性設(shè)計的相關(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（嚴重）、E級（非常嚴重）。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，有必要對其進行耐久性設(shè)計。
1.3 結(jié)構(gòu)特點
PCCP結(jié)構(gòu)主要具有以下3個特點：
（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）砂漿保護層可以起到保護預(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，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，在進行PCCP耐久性設(shè)計時應(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)力鋼絲和砂漿保護層的耐久性設(shè)計作為關(guān)鍵。
2 PCCP耐久性設(shè)計的基本內(nèi)容
PCCP結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計應(yīng)根據(jù)GB/T 50476—2019的規(guī)定進行，一般包含以下基本設(shè)計內(nèi)容：
（1）明確結(jié)構(gòu)的安全等級、設(shè)計使用年限、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層厚度和混凝土裂縫控制要求。
（5）基于上述耐久性設(shè)計要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（6）在嚴重環(huán)境作用下合理采取防腐蝕附加措施或多重防護策略。
（7）明確結(jié)構(gòu)在使用階段的維護、修理和檢測要求。
3 PCCP耐久性設(shè)計應(yīng)注意的問題
3.1 結(jié)構(gòu)安全等級、設(shè)計使用年限和結(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)計使用年限和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0在設(shè)計中往往被弱化，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)計指標、材料性能指標等不同要求。因此，在PCCP設(shè)計時同樣應(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)計使用年限應(yīng)與工程設(shè)計指標一致，其安全等級應(yīng)按一級考慮；設(shè)計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)計時應(yīng)與工程設(shè)計文件取值一致）；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)計為雙線或有調(diào)蓄設(shè)施時可取1.0，當(dāng)用作排水管時可取1.0”。除此之外，PCCP設(shè)計時的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值還應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計文件的要求確定。
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)計的兩個基本參數(shù)，是確定耐久性設(shè)計措施的基礎(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，在進行PCCP耐久性設(shè)計時，應(yīng)從工程勘察設(shè)計文件中查找相關(guān)的腐蝕性評價數(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、氣候特點等），按上述標準的規(guī)定進行分類。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，其混凝土強度和鋼筋的受保護效果等指標仍良好。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度的充分發(fā)展和密實度的提高。同時，混凝土在地下環(huán)境中的碳化速度遠小于地上環(huán)境。埋設(shè)于腐蝕性土壤中的PCCP，應(yīng)嚴格根據(jù)其環(huán)境類別和環(huán)境作用等級進行系統(tǒng)的耐久性設(shè)計。
3.3 管體材料的耐久性要求
3.3.1 PCCP保護層砂漿
PCCP保護層砂漿的主要作用是作為預(yù)應(yīng)力鋼絲的保護層。對保護層砂漿的耐久性指標進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保護層砂漿性能要求與GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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砂漿保護層主要性能參數(shù)（厚度、強度、滲透性）滿足一般環(huán)境條件下設(shè)計使用年限50年對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性要求，當(dāng)設(shè)計使用年限為100年時，凈保護層厚度不應(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，在不采取附加防腐措施的前提下，PCCP砂漿保護層的耐久性設(shè)計應(yīng)注重增加保護層的厚度和抗離子滲透性能。其中，保護層厚度不應(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)計指標，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，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，管子內(nèi)壁混凝土無需單獨考慮耐久性要求。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)境類別進行管內(nèi)壁混凝土的耐久性設(shè)計（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。
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。
筆者認為，從產(chǎn)品質(zhì)量控制和實現(xiàn)性能目標的角度考慮，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，可參考GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標準》中對硫酸鹽強腐蝕環(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，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)力可能會超過保護層砂漿抗拉強度標準值，但根據(jù)管材荷載試驗和實際工程經(jīng)驗可知，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，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)定的砂漿保護層在裂縫控制指標上能夠滿足耐久性要求；在E級（非常嚴重）或F級（極端嚴重）的環(huán)境作用等級下，PCCP砂漿保護層即使“不出現(xiàn)可見裂縫”，也無法滿足相應(yīng)的耐久性要求，此時必須對保護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，需要根據(jù)GB/T 50476—2017的規(guī)定，PCCP無需進行相關(guān)的裂縫耐久性設(shè)計。
（3）當(dāng)PCCP輸送腐蝕性介質(zhì)時，除根據(jù)GB/T 50476—2017的規(guī)定進行裂縫控制外，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、陰極保護和內(nèi)襯防腐片材等方法，工程中可單獨或組合使用。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)》進行設(shè)計。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年限為10年；②根據(jù)JTS 153—2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》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)計保護年限可達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，估算其最小保護年限可達20～30年。實際使用過程中，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，從而實現(xiàn)延緩或停止電化學(xué)腐蝕進程的目的。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，陰極保護措施的最低保護年限為30年；②根據(jù)JTS 153—2015的規(guī)定，陰極保護措施的設(shè)計保護年限不宜低于30年；③PCCP的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)腐蝕條件、設(shè)計使用年限要求進行設(shè)計，陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計保護年限不低于30年，可按管線設(shè)計使用年限50年或更長年限設(shè)計。在實際使用過程中，應(yīng)重視對管材鋼筋腐蝕情況及陰極保護系統(tǒng)在管線服役期間運行情況的監(jiān)控，以便掌握管材的腐蝕狀態(tài)并及時作出反應(yīng)措施，避免“欠保護”和“過保護”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)到達管材結(jié)構(gòu)表面以實現(xiàn)防腐效果，PCCP腐蝕順序為“涂層或片材被腐蝕→砂漿保護層或混凝土被腐蝕→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)計使用年限宜為“涂層或片材保護年限＋混凝土或砂漿保護層”的保護年限。
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，在其設(shè)計過程中應(yīng)貫徹耐久性設(shè)計思想。以此進一步發(fā)揮其在社會經(jīng)濟和民生中的的重大作用，提升其技術(shù)性能和市場認可度。