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結合預應力鋼筒混凝土管（PCCP）產品標準、混凝土結構耐久性設計相關標準和文獻，分析了PCCP的工程結構屬性、服役環境、結構特點，強調了PCCP耐久性設計的必要性，歸納了PCCP耐久性設計的基本內容，總結了與耐久性相關的PCCP管體結構、環境作用條件、管體混凝土材料、工藝構造以及附加防腐措施等方面的技術要求，提出了不同環境條件下PCCP的耐久性設計思路。

0   前言

預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下簡稱PCCP）是指在預應力鋼筋混凝土管體中嵌有防滲鋼筒的復合結構壓力輸水管。作為最早從國外引進技術的壓力管產品，PCCP在我國的水利、市政等領域得到了廣泛應用。PCCP的性能優越，但由于長期對耐久性不夠重視，監管不到位等因素，近年來有關PCCP使用壽命、耐腐蝕性能等問題一直困繞著建設單位、設計院、工程監理以及生產企業。

基于此，本文從PCCP結構、材料、構造等方面對其耐久性設計進行分析，歸納總結完整的耐久性設計思路，助力PCCP性能和市場信心的提升。

1   PCCP耐久性設計的必要性

1.1   工程結構屬性

GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》中將結構耐久性定義為：“在環境作用和正常維護、使用條件下，結構或構件在設計使用年限內保持其適用性和安全性的能力”。各種能使結構滿足耐久性要求的設計和措施，都可稱作耐久性設計。PCCP作為輸水管線工程的主體結構，平穩運行和安全使用均關系著國計民生，輸水工程的設計應符合相關耐久性要求。PCCP作為工廠化預制、標準化生產的產品，不能忽略了其工程結構屬性，其設計同樣應該符合工程結構對耐久性設計的相關要求。

1.2   服役環境

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。從鋪設方式上看，我國PCCP管線絕大多數為埋地管線，少數為露天鋪設管線，也有穿越河床、湖沼的管線；從應用地域上看，在東北嚴寒地區、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的應用。管線所涉及的管外環境作用類別和作用等級各不相同，其中，地下環境作用類別主要有氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽、碳酸鹽等腐蝕類型；地上環境作用主要有碳化、凍融、生物作用等類型。根據GB/T 50476—2019的分級方式，PCCP服役的環境作用主要有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還需考慮管內污水的腐蝕作用，其作用類型主要是以硫酸鹽為主的化學侵蝕，作用等級介于C級～E級之間。由此可見，PCCP的服役環境為各種腐蝕類型和等級的復雜環境，所以，有必要對其進行耐久性設計。

1.3   結構特點

PCCP結構主要具有以下3個特點：

      （1）承壓能力主要由直徑為5～7 mm，沿管體環向布置的預應力鋼絲提供。管體混凝土不配普通鋼筋，主要由預應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構。

      （2）鋼筒厚度一般為1.5 mm，主要作為結構防滲體系。

      （3）砂漿保護層可以起到保護預應力鋼絲不受外界侵蝕的作用，其厚度不得低于25 mm。

根據結構特點，PCCP可以分為L型和E型 ，見圖1。由此可知，環向預應力鋼絲是PCCP結構安全的核心，在進行PCCP耐久性設計時應在考慮服役環境和結構安全等級基礎上，將預應力鋼絲和砂漿保護層的耐久性設計作為關鍵。   

2   PCCP耐久性設計的基本內容

PCCP結構的耐久性設計應根據GB/T 50476—2019的規定進行，一般包含以下基本設計內容：

      （1）明確結構的安全等級、設計使用年限、環境類別及作用等級。

      （2）提出對結構材料的耐久性質量要求。

      （3）選擇有利于減輕環境作用的結構形式、布置方式及構造措施。

      （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）基于上述耐久性設計要求進行結構設計。

      （6）在嚴重環境作用下合理采取防腐蝕附加措施或多重防護策略。

      （7）明確結構在使用階段的維護、修理和檢測要求。

3   PCCP耐久性設計應注意的問題

3.1   結構安全等級、設計使用年限和結構重要性系數

由于對工程結構屬性的忽略，PCCP結構的安全等級、設計使用年限和結構重要性系數γ0在設計中往往被弱化，但上述參數是體現工程結構性能和安全可靠度的基本參數，其對保證PCCP結構安全、耐久性具有重要影響。具體到PCCP結構，所影響的并不是簡單的"結構配筋量變化"問題，還涉及到結構構造措施、耐久性設計指標、材料性能指標等不同要求。因此，在PCCP設計時同樣應重視以上基本參數的確定。

PCCP作為輸水管線的主體結構， 其安全等級和設計使用年限應與工程設計指標一致，其安全等級應按一級考慮；設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設計時應與工程設計文件取值一致）；結構重要性系數的取值會直接影響結構計算結果，根據CECS 140∶2011《給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程》中5.2.2條的規定：“管道結構重要性系數取1.1，當設計為雙線或有調蓄設施時可取1.0，當用作排水管時可取1.0”。除此之外，PCCP設計時的結構重要性系數取值還應根據工程設計文件的要求確定。

3.2   環境類別和環境作用等級

環境類別是指能對結構耐久性能產生影響的環境因素種類。環境作用等級是指環境因素對結構或材料產生影響的強弱程度。環境類別和環境作用等級是工程結構耐久性設計的兩個基本參數，是確定耐久性設計措施的基礎。GB/T 50476—2019、CCES 01—2004《 混凝土結構耐久性設計與施工指南》對結構面臨的環境類別和環境作用等級分類有明確的規定，在進行PCCP耐久性設計時，應從工程勘察設計文件中查找相關的腐蝕性評價數據（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），按上述標準的規定進行分類。在大多數應用環境中，PCCP服役的主要環境類別和環境作用等級見表1。

已有資料顯示，埋設在普通土壤中數十年的混凝土管材，其混凝土強度和鋼筋的受保護效果等指標仍良好。在無腐蝕性土壤環境（Ⅰ-B）中的PCCP耐久性好于同類地區的地上PCCP。管線埋設在濕潤且近乎恒溫的地下環境中有利于混凝土材料強度的充分發展和密實度的提高。同時，混凝土在地下環境中的碳化速度遠小于地上環境。埋設于腐蝕性土壤中的PCCP，應嚴格根據其環境類別和環境作用等級進行系統的耐久性設計。

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應力鋼絲的保護層。對保護層砂漿的耐久性指標進行合理性分析也是確保PCCP耐久性的關鍵。GB/T 19685—2017《預應力鋼筒混凝土管》中的PCCP保護層砂漿性能要求與GB 50010—2010《混凝土結構設計規范（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（厚度、強度、滲透性）滿足一般環境條件下設計使用年限50年對應的預應力結構耐久性要求，當設計使用年限為100年時，凈保護層厚度不應小于30 mm。

當PCCP服役于C級、D級的鹽類和化學腐蝕環境中時，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計應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DRCM值作為設計指標，并應滿足表2所列的相應要求。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DRCM值之間的對應關系。

3.3.2   管體內壁混凝土

PCCP輸送介質多為江河原水，無腐蝕性。同時，一般工作狀態為滿流，管內長期處于無氧環境，可按GB 50010—2010規定的Ⅰ類環境考慮。此時，管子內壁混凝土無需單獨考慮耐久性要求。如輸送介質為污水，根據GB/T 50479—2019中的7.2.6條，需按污水管道的環境類別進行管內壁混凝土的耐久性設計（污水管道環境類別可按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要求。

筆者認為，從產品質量控制和實現性能目標的角度考慮，輸送污水的PCCP混凝土應滿足相應的抗硫酸鹽性能指標，可參考GB/T 50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》中對硫酸鹽強腐蝕環境下預應力混凝土管樁的要求，輸送污水的PCCP管體內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根據設計使用年限、服役環境和結構類型來確定。GB/T50476—2019的相關規定如下：①氯離子含量應按預應力混凝土的要求執行，不大于0.06%；②堿含量應結合混凝土骨料是否具有堿集料反應活性來考慮，PCCP作為地下輸水管道時，服役環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超過3.0 kg/m3。

3.4   管體裂縫

根據CECS 140∶2011的計算原則，PCCP在正常使用狀態下的管頂、管底控制截面受拉邊緣可能會出現拉應力，且管側控制截面受拉邊緣拉應力可能會超過保護層砂漿抗拉強度標準值，但根據管材荷載試驗和實際工程經驗可知，在正常使用狀態下，PCCP管體內、外壁控制截面均不會出現內眼可見的裂縫。由此認為，PCCP在正常使用狀態下的結構裂縫寬度滿足GB/T 50476—2017規定的有粘結預應力構件在環境作用等級D級以內的控制要求。但考慮生產質量控制的要求時，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境下的耐久性要求，具體分析見表4。

結合服役環境，由表4可知，對滿足GB/T 19685—2017規定的PCCP管體工藝性裂縫耐久性分析如下：

      （1）在環境作用等級不超過D級（嚴重腐蝕）的土壤環境中，滿足“不出現可見裂縫”規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）的環境作用等級下，PCCP砂漿保護層即使“不出現可見裂縫”，也無法滿足相應的耐久性要求，此時必須對保護層采取專門的附加防腐措施。

      （2）當PCCP輸送無腐蝕性介質時，需要根據GB/T 50476—2017的規定，PCCP無需進行相關的裂縫耐久性設計。

      （3）當PCCP輸送腐蝕性介質時，除根據GB/T 50476—2017的規定進行裂縫控制外，還應按環境作用等級為E級的鋼筋混凝土構件進行控制，或者在管內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向管體內部遷移的途徑，可依據GB/T 35490—2017《預應力鋼筒混凝土管防腐蝕技術》進行設計。根據不同的規定，其使用年限如下：①根據GB/T 50476—2019的規定，表面涂層措施的最低保護年限為10年；②根據JTS 153—2015《水運工程結構耐久性設計標準》的規定，最小干膜總厚度為400～500 μm的環氧涂層體系在不同腐蝕條件下、混凝土表面濕潤環境中的設計保護年限可達20年；③根據GB/T 35490—2017的規定，埋地PCCP外表面環境與上述JTS 153—2015的規定相似，環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，應重視環氧煤瀝青材料的質量和施工質量的監控，避免由于涂層質量隱患造成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停止或降低至非常小的程度，從而實現延緩或停止電化學腐蝕進程的目的。根據不同的規定，其使用年限如下：①根據GB/T 50476—2019規定，陰極保護措施的最低保護年限為30年；②根據JTS 153—2015的規定，陰極保護措施的設計保護年限不宜低于30年；③PCCP的陰極保護系統設計應根據腐蝕條件、設計使用年限要求進行設計，陰極保護系統的設計保護年限不低于30年，可按管線設計使用年限50年或更長年限設計。在實際使用過程中，應重視對管材鋼筋腐蝕情況及陰極保護系統在管線服役期間運行情況的監控，以便掌握管材的腐蝕狀態并及時作出反應措施，避免“欠保護”和“過保護”的問題。

      （3）內襯防腐片材。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向管體混凝土內部遷移的途徑。根據CECS 17∶2000《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術規程》的規定，PVC類管道的設計使用年限不低于50年。因此，基于材料對腐蝕介質的耐受性角度，PVC或PE類片材層的保護年限可與管材結構使用年限相同，即不低于50年。使用過程中應考慮片材層與管體混凝土的黏結性能、接口處理質量等問題對片材層或管體耐久性造成的影響。

 表面涂層或片材內襯層是通過阻斷腐蝕介質到達管材結構表面以實現防腐效果，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作為預應力構件，應以“鋼筋開始銹蝕”作為耐久性極限狀態，因此，PCCP的耐久性設計使用年限宜為“涂層或片材保護年限＋混凝土或砂漿保護層”的保護年限。

4   結語

PCCP作為預應力混凝土壓力管材，由于其工程屬性、復雜的服役環境以及預應力結構特點，在其設計過程中應貫徹耐久性設計思想。以此進一步發揮其在社會經濟和民生中的的重大作用，提升其技術性能和市場認可度。