CN105442692B

CN105442692B - 一种高性能水泥基复合材料管

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Publication number: CN105442692B
Application number: CN201510903478.XA
Authority: CN
Inventors: 孙明清; 宋鹏飞; 李俊; 宋建华; 崔友国; 宋建国; 严兆顺; 尹建妙; 张小玉; 李卓球; 王应军
Original assignee: HENGRUN GROUP CO Ltd; Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: HENGRUN GROUP CO Ltd; Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: CN105442692A

Abstract

本发明是一种高性能水泥基复合材料管，其采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆(2)、钢筋骨架(3)制成；该管的一端为承口(1)，另一端为插口(4)，承口(1)和插口(4)相互配合形成管线。所发明的管材质量轻，在制造相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，该管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。该管具有良好的承载能力、抗裂性能，提升了管道的抗渗性和耐久性，为给排水工程提供了新型优质管材。

Description

一种高性能水泥基复合材料管

技术领域

本发明涉及给排水混凝土管道领域，尤其涉及一种高性能水泥基复合材料管材。

背景技术

混凝土管制造所需原材料来源丰富，成本较低，施工方便，强度和耐久性较好，在给排水工程中得到了广泛应用。但是，其缺陷是明显的：(1)采用混凝土材料制造的普通钢筋混凝土管道，由于混凝土抗拉强度和拉伸延性低，最大拉伸应变为0.02％左右，容易发生脆性断裂，甚至发生爆管事故，设计规范中一般不允许混凝土产生拉伸应变。因此，普通混凝土管道壁厚(本说明书中说述管道壁厚是指管身的壁厚，不指承口和插口的壁厚，下同)较大，壁厚约为管内径的1/10，导致运输和安装成本较高；(2)普通混凝土材料为脆性断裂，裂纹扩展快，裂纹宽度大，将加速管内钢筋的腐蚀，破坏其抗渗性；(3)普通钢筋混凝土管道随荷载增加环刚度变化范围较小，埋地时不能依靠降低环刚度获得管周土侧压的作用，导致抵抗地震、地面冲击等的能力较差。

而预应力钢套筒混凝土管(PCCP管)，虽然通过在管外缠绕预应力钢丝提高了混凝土管芯的抗拉能力，但预应力钢丝一旦发生锈蚀断裂，管道的安全运行将难以保证，而且预应力钢丝断裂后管道的维修也较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高性能水泥基复合材料管，以提高现有混凝土管道的承载能力、抗裂性能和抗过载能力，降低现有混凝土管道的自重。

本发明解决这些技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的高性能水泥基复合材料管，其采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆、钢筋骨架制成；该管的一端为承口，另一端为插口，承口和插口相互配合形成管线。

所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，是以水泥、粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成，所述原料的质量配比为：

水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：0～0.11：1～1.52：0.68～1.04：0.050～0.076:0.009～0.013:0.00056～0.00085。

所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，其弹性模量值为10～25GPa，抗压强度为25～60MPa，拉伸强度为3～8MPa，极限拉伸应变为0.02～0.06。

所述的高性能水泥基复合材料管，其采用三点试验法施加准静载时，随外压荷载增加其外压荷载-管顶位移关系曲线包含弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段，在弹性阶段卸载时，变形能完全恢复；在硬化阶段和开裂阶段卸载时，变形部分恢复。

所述的高性能水泥基复合材料管，其在硬化阶段时，在管腰处外壁、管顶内壁、管底内壁等拉应力区可见多条细密裂纹，裂纹数目不断增多，裂纹宽度为0.04～0.2mm。

所述的高性能水泥基复合材料管，其在硬化阶段的环刚度下降，硬化阶段的环刚度为弹性阶段环刚度的40％～80％。

所述的高性能水泥基复合材料管，将外压荷载、管顶位移分别用破坏荷载、破坏时管顶铅垂方向位移归一化后，弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段三者间包括两个交界点，两交界点对应的归一化荷载分别为0.25～0.35和0.60～0.75，两交界点对应的归一化位移分别为0.05～0.01和0.30～0.40。

本发明提供的上述的高性能水泥基复合材料管，其在制造相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，该管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。

本发明提供的上述的高性能水泥基复合材料管，其在埋地后，其正常工作区间包括弹性阶段和硬化阶段。

本发明高性能水泥基复合材料管与现有技术相比，具有如下主要的突出效果：

第一，本管壁薄，自重轻；

当管内径和承载能力相同的条件下，本管的壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。

第二，硬化阶段裂纹宽度可控：

本管在硬化阶段为多裂纹细密裂纹开裂，裂纹宽度可控制小于0.2mm。

第三，环刚度可在较大范围内变化；

本管在硬化阶段环刚度为弹性阶段环刚度的40％～80％。这样，管道承受过载时，可以发挥埋地时土侧压的作用，提高管道抵抗外部过载的能力。

第四，对钢筋骨架有保护作用。

本管具有多裂缝开裂特性，且裂纹宽度可控，对管内钢筋骨架起保护作用，延缓钢筋锈蚀。

第五，应用范围拓宽。

高性能水泥基复合材料管质量轻，能够抵抗较大的变形，管道可在软地基、沼泽地、地震多发地区等环境下使用。

第六，制作工艺简单。

所配制的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆工作性好，纤维分散均匀，浇注时易于填充成型，施工方便。

总之，本发明具有良好的承载能力、抗裂性能，提升了管道的抗渗性和耐久性，为给排水工程提供新型优质管材。

附图说明

图1为高性能水泥基复合材料管结构示意图；

图2为三点试验法测试时管受力图；

图3为高性能水泥基复合材料管归一化荷载-归一化位移关系曲线；

图4为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸试样图；

图5为图4的左视图。

图6为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸的应力-应变关系曲线；

图7为聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆单轴拉伸时多裂纹扩展过程的相机拍摄照片；

图8为实测高性能水泥基复合材料管管顶外压荷载与管顶内壁铅垂向位移的关系曲线；

图9为实测高性能水泥基复合材料管归一化荷载-归一化位移关系曲线；

图10为实测高性能水泥基复合材料管循环加载时外压荷载与铅垂向位移的关系曲线；

图11为实测钢筋素砂浆管管顶外压荷载与管顶内壁铅垂向位移的关系曲线。

图中：1.承口；2.聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆；3.钢筋骨架；4.插口；5.管顶；6.管腰；7.管底。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应理解为对本发明的限制。

本发明提供的高性能水泥基复合材料管制备工艺简单。例如：以普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成。参考配合比(质量比)为水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：0～0.11：1～1.52：0.68～1.04：0.050～0.076:0.009～0.013:0.00056～0.00085。

先将聚羧酸减水剂加入水中，制成聚羧酸减水剂水溶液。采用混凝土搅拌机将水泥、粉煤灰、石英砂、偏高岭土等干拌1分钟；再将聚羧酸减水剂水溶液加入搅拌2分钟。再边搅拌边撒入聚乙烯醇纤维，历时3分钟。最后加入粘度调节剂，以调整拌合料的粘稠度，搅拌1分钟。按照GB/T2419-2005中规定的程序操作，测试其流动度，控制在190～220mm。将立式制管模具固定于平板振动台上，再将钢筋骨架固定在立式制管模具中。钢筋骨架采用带肋钢筋焊接而成。钢筋骨架中钢筋的直径、纵筋根数、螺距等参数按《钢筋混凝土排水管管体结构尺寸与配筋设计图册》确定。往模具内浇入拌合物，振动成型。采用带模蒸汽养护，或在室内静置24小时后脱模，再用湿麻袋覆盖浇水养护28天。

高性能水泥基复合材料管的基本结构如附图1所示。包括承口1、聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆2、钢筋骨架3和.插口4等组成。由于所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆延性好，可以承受拉或压应力，在管受外压荷载(包括土压力、活荷载、土壤沉降、地震荷载等形成的各种组合工况)产生拉、压变形时聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆能与钢筋协调变形，确保聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆和钢筋骨架共同承担外压荷载。因此，高性能水泥基复合材料管承载能力高。

按《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法GB/T16752-2006》中规定的测试方法(即三点试验法)对高性能水泥基复合材料管进行承载力测试，测试时管受力图如附图2。附图2中，管底设置2个支点，管顶为外压荷载施力位置。并测得附图2中A点处(即管顶5内壁最高点处)铅垂方向的位移(用w表示)。外压荷载采用作用于管单位长度上的荷载表示，即：

式中：F为加载试验设备当前施加的外压荷载，L为测试管长度。

而且，高性能水泥基复合材料管的破坏荷载、裂缝荷载等采用GB/T16752-2006中的定义，即测试过程中管破坏时，管单位长度上的荷载为裂缝荷载(用P_max表示)；测试过程中当裂缝宽度达到0.20mm时，管单位长度的荷载为裂缝荷载(用P_c表示)。

采用三点试验法施加准静载时，高性能水泥基复合材料管的外压荷载-管顶位移关系曲线(即P-w曲线)将包含三个阶段，即弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段，各段呈不同的线性关系。在弹性阶段，P-w曲线为通过原点的直线，管内、外壁无裂纹出现。进入硬化阶段后，P-w曲线斜率降低，并在附图2所示的管顶5内壁、管腰6外壁(包括左、右两处管腰)、管底7内壁等拉应力区可见多条细密裂纹，裂纹数目不断增多，裂纹宽度为0.04～0.2mm。随着荷载继续增大，P-w曲线斜率进一步降低，进入开裂阶段，管表面裂纹宽度明显增加，外压荷载最后达到破坏荷载(P_max)。

为了描述所发明的高性能水泥基复合材料管的特性，且该特性不依赖于管的内径和壁厚，将外压荷载和管顶位移分别用P_max和破坏时A点铅垂方向位移(w_u)归一化处理，即：

式中：P为管顶当前施加的管单位长度上外压荷载；P_max为管的破坏荷载；w为A点处当前产生的、铅垂方向的位移，w_u为破坏时(即外压荷载达到F_max)A点铅垂方向位移。

则由P-w曲线得出f-δ曲线，如附图3所示。与P-w曲线特征相同，f-δ曲线包含弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段等三个阶段。三个阶段间的两个分界点的坐标如附图3所示，即弹性阶段从点(0,0)到点(δ_f,f_f)，硬化阶段从点(δ_f,f_f)到点(δ_c,f_c)，开裂阶段从点(δ_c,f_c)到点(1,1)。各参数的范围分别为：δ_f＝0.05～0.10、f_f＝0.25～0.35、δ_c＝0.3～0.4、f_c＝0.60～0.75。因此，两交界点对应的归一化荷载分别为0.25～0.35和0.60～0.75，两交界点对应的归一化位移分别为0.05～0.01和0.30～0.40。

随着裂纹数量增加，环刚度降低，但荷载持续增加，直至达到P_max。在硬化阶段环刚度为弹性阶段环刚度的40～80％。硬化阶段环刚度下降，有利于提升了管周围土压作用，增加管承载能力。在弹性阶段卸载时，变形能完全恢复。而在硬化阶段和开裂阶段卸载时，由于裂纹产生以及钢筋屈服，变形部分恢复。但是，高性能水泥基复合材料管可在硬化阶段内工作。一方面，在硬化阶段，该管的裂纹宽度低于GB/T16752-2006规定的裂缝荷载对应的裂纹宽度(即0.20mm)；另一方面，当该管埋入地下时，由于在硬化阶段环刚度降低，管周围土压作用可提高管道的承载能力。

以几种公称内径的混凝土管为例，表1列出了高性能水泥基复合材料管(表1中用HP表示)与普通钢筋混凝土管(表1中用CP表示)壁厚。表1中，裂缝荷载和破坏荷载来自于《混凝土和钢筋混凝土排水管GB/T11836-2009》中I～III级管的规定。钢筋骨架的纵向钢筋直径、纵向钢筋根数(即[]内的数值)、环向钢筋直径、环向钢筋螺距(即{}内的数值)按《钢筋混凝土排水管管体结构尺寸与配筋设计图册》确定。纵向钢筋沿管横截面圆周均匀布置，环向钢筋沿管长等距布置，相邻环向钢筋间的距离称为螺距。高性能水泥基复合材料管由于壁厚较普通钢筋混凝土管小，只采用单层配筋。普通钢筋混凝土管公称内径小于或等于1000mm时，采用单层配筋；而当公称内径大于1000mm时采用双层配筋。两种管在配筋方面除说述的配筋层数有不同外，对于相同公称内径和等级的管材，纵向钢筋直径、纵向钢筋根数、环向钢筋直径、环向钢筋螺距等相同。钢筋混凝土管最小壁厚依据GB/T11836-2009得到。高性能水泥基复合材料管最小壁厚通过试验和理论计算方法获得，首先制造和测试了若干种高性能水泥基复合材料管，根据测试结果完善和修改了理论计算模型，最后得出不同公称内径、不同级别管的最小壁厚。

可见，制造相同内径、相同承载能力的管道，高性能水泥基复合材料管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30％～88％。如管内径大于1600mm时，高性能水泥基复合材料管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的32％～47％,前者在节约材料、降低自重方面优势更加明显。

具体实施例1：

水泥：粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维：聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：2.0：0.11：1.35：0.93：0.067:0.011:0.0007。聚乙烯醇纤维由安徽皖维高新材料股份有限公司生产，纤维直径为0.035mm，长度为12mm，弹性模量为39.4GPa，抗拉强度为1092MPa。采用湖北华新水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(牌号P.O42.5)、武汉阳逻电厂的I级粉煤灰。本地产砂过筛，选用的砂中各种砂粒的质量比为，粒径为0.30～0.60mm的砂：粒径为0.15～0.30mm的砂：粒径为0.106～0.15mm的砂：粒径为0.075～0.106mm的砂＝20：65:13:2。偏高岭土为广东茂名高岭科技公司生产，主要成分见表2所示。聚羧酸减水剂为ADVA152，由美国格雷斯中国有限公司生产。粘度调节剂为Rheoplus420(巴斯夫公司生产)。

先将聚羧酸减水剂加入水中，制成聚羧酸减水剂水溶液。采用混凝土立式搅拌机将水泥、粉煤灰、偏硅磷土、石英砂干拌1分钟；再将聚羧酸减水剂水溶液加入，搅拌2分钟制得水泥砂浆。再边搅拌边撒入聚乙烯醇纤维，历时3分钟。最后加入粘度调节剂，以调整拌合料的粘稠度，搅拌1分钟。按照GB/T2419-2005中规定的程序操作，采用NLD-3型水泥胶砂流动度测试仪测试，流动度在190～220mm。将拌合料制成拉伸试样，尺寸如附图4和附图5所示。24小时后脱模，再采用湿麻袋覆盖在常温下浇水养护28天。将试样固定在拉伸夹具上，采用精密LVDT位移计测量拉伸应变。测得拉伸时的应力-应变曲线如附图6所示。可见，拌制的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆在水泥基体发生初裂后，并未丧失承载能力，而是随应变的增加应力有所增加，具有类似金属材料的应变硬化特性，弹性模量为15.7±1.3GPa，拉伸强度为5.56±0.48MPa，最大拉应力对应的拉伸应变(称为极限拉伸应变)达到0.04±0.004。拉伸过程中可观察到多条平行细裂纹，如附图7所示。可见，随着拉伸应变的增加(图7箭头所指方向为拉伸应变增加的方向)，细裂纹条数增加。在最后阶段，裂纹条数接近饱和。以附图7中倒数第2张照片为例，照片高度(约30mm)内有平行裂纹30条左右，相邻裂纹平均间距约为1mm，此即为饱和裂纹间距。根据国内外关于聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆拉伸性能的研究报道，饱和裂纹间距在2mm左右。故本实施例所得的饱和裂纹间距比国内外现有报道的数据降低1倍左右，说明本实施例配制的材料即使在接近极限拉伸荷载时仍具有良好的裂纹宽度控制能力。根据拉伸应变、弹性模量和裂纹条数，可计算得在饱和状态裂纹的平均宽度约为0.04mm。同时，采用相同配制工艺制成边长为70mm的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆立方试样，测得其抗压强度为35.5±2.2MPa。

实施例2：

原材料配比和配制工艺同实施例1。

制作高性能水泥基复合材料管内径为375mm，壁厚为25mm,管长2.5m。管的承口、插口部位参考《混凝土和钢筋混凝土排水管GB/T11836-2009》中柔性接头B型承插口管接头制造。制管的方法为：将钢筋骨架固定在立式制管模具中，再将聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆拌合物填入模具中。钢筋为带肋钢筋，其弹性模量为209GPa，屈服强度为600MPa。钢筋骨架由6根等距布置的纵向钢筋(直径为5mm)和螺旋缠绕在纵筋上的环向钢筋(直径为4mm)组成，环向钢筋螺距为50mm。钢筋骨架采用自动变径钢筋骨架滚焊机将纵向钢筋、环向钢筋间的连接点焊接在一起。环向钢筋轴线围成的圆直径为395mm，即环向钢筋轴线到成品管的内壁距离为整个管壁厚度的2/5。分三次填料，每次填至模具高度的1/3时，开动平板振动台振动1分钟。模具表面覆盖后室内静置24小时后脱模，再采用湿麻袋覆盖浇水自然养护28天。按《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法GB/T16752-2006》中规定的测试方法(即三点试验法)对高性能水泥基复合材料管进行承载力测试。采用精密LVDT位移计测量附图2中A点处铅垂方向的位移w，采用智能裂纹宽度测试仪测量裂纹宽度(精度为0.01mm)。测得管顶外压荷载与w的关系曲线(即P-w曲线)如附图8所示。破坏荷载P_max＝45.4kN/m，破坏时管顶位移w_u＝14.83mm。采用线性函数拟合，得到三段线性函数，拟合度达到0.95以上。可见，外压荷载-位移曲线可划分为三个阶段，按随荷载增加的顺序依次称为弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段。

根据上述对f和δ的定义，由附图8可得出附图9所示f-δ曲线。如果只保留附图9中的虚线，则可得附图3。与P-w曲线特征相同，f-δ曲线包含弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段等三个阶段。附图9中(δ_f，f_f)和(δ_c，f_c)为弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段间的两个交界点。在本实施例2中，各符号的具体数值为：δ_f＝0.06；δ_c＝0.37；f_f＝0.30；f_c＝0.72。即：两交界点对应的归一化荷载分别为0.30和0.72，两交界点对应的归一化位移分别为0.06和0.37。

测试中可见，进入硬化阶段后，在管顶5内壁、管腰6外壁、管底7内壁等拉应力区可见多条细密裂纹，裂纹数目不断增多，裂纹宽度比较稳定，裂纹宽度为0.04～0.2mm。随着荷载继续增大，进入开裂阶段，管道表面裂纹宽度明显增加，外压荷载增加缓慢。

当改变管的内径和壁厚，如制成内径为1000mm，该管道的壁厚60mm,管长2.5m，经过测试可见类似的规律。该管道的承口、插口还可以按照《混凝土和钢筋混凝土排水管GB/T11836-2009》中柔性接头C型承插口管接头制造。如壁厚允许，高性能水泥基复合材料管可以按照《混凝土和钢筋混凝土排水管GB/T11836-2009》柔性接头A型承插口管接头制造。

实施例3：

按实施例2制得内径为375mm，壁厚为25mm,管长2.5m的高性能水泥基复合材料管。

仍采用《混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法GB/T16752-2006》中的三点试验法装置，加载顺序为：先采用载荷控制方式，加载速率为每分钟5.0kN/m(管单位长度所施加的荷载)，每次从0kN/m加载到某一峰值后再卸载到0kN/m。峰值分别为3.13kN/m、6.25kN/m、9.38kN/m、12.5kN/m、15.63kN/m、18.75kN/m、21.88kN/m、25.0kN/m。然后，改用位移控制方式进行加载，加载速率为0.6mm/min，加载至31.25kN/m后卸载。最后，位移控制方式进行加载，加载速率为0.6mm/min，加载至管破坏后卸载。测得的管顶外压荷载与附图2中A点处铅垂方向的位移关系曲线，如附图10所示。从附图10可见，当荷载峰值分别为3.13kN/m、6.25kN/m、9.38kN/m、12.5kN/m时，加载和卸载曲线基本重合，无不可恢复变形，管处于弹性阶段。随后，荷载峰值增加时，卸载后出现不可恢复变形，而且随着荷载峰值增加卸载后不可恢复变形也增加。为分析不同荷载峰值时环刚度的变化，需要选取荷载和管顶位移呈线性关系的阶段进行计算。由附图10可见，当荷载峰值超过12.5kN/m时，卸载曲线的线性好，故选取卸载曲线来计算环刚度。而在当荷载峰值小于或等于12.5kN/m时，选取加载曲线和卸载曲线均可。环刚度计算参考GB/T9647-2003选取，公式如下：

SN_i＝(0.0186+0.025Δ_i/d)P_i/Δ_i (4)

式中：SN_i为第i次加载时环刚度,单位为N/m/m。此实施例中i＝9(最后加载到破坏荷载时未计算环刚度)。d为管的内径。P_i为第i次加载时的峰值荷载，单位为N/m。Δ_i为卸载时可恢复的管顶铅垂方向位移，单位为m。P_i和Δ_i的取值方法见附图10所示标注。表3为该管在不同外压荷载下的环刚度变化情况。表3中，依据实施例2中得出的f_f＝0.3，f_c＝0.72确定弹性阶段和硬化阶段。可见，在弹性阶段，环刚度变化很小，取该阶段的环刚度平均值作为弹性阶段环刚度；进入硬化阶段，随着外压荷载增加，环刚度减小，硬化阶段环刚度为弹性阶段环刚度的40％～80％，在42.7％～79.0％范围内较佳。

实施例4：

除不掺聚乙烯醇纤维外，其它材料配比和配制工艺同实施例1，制得钢筋素砂浆管，管内径为375mm，壁厚为25mm,管长2.5m。测试方法同实施例2。得出管承受的最大外压荷载P_max＝11.5kN/m，达到P_max时A点处铅垂方向的位移w_u＝4.05mm。可见，钢筋素砂浆管的承载能力远低于高性能水泥基复合材料管。钢筋素砂浆管弹性阶段所对应的外压荷载小于4.0kN/m，超过此范围后在管顶5内壁、管腰6外壁、管底7内壁等拉应力区只能见到单条裂纹，无多条细裂纹现象出现，裂纹宽度超过0.2mm。管顶外压荷载与管顶位移关系曲线不光滑，多处出现荷载突然下降现象，这主要与裂纹扩展和钢筋屈服有关。类似实施例3，对钢筋素砂浆管进行重复加载、卸载测试。表4为为钢筋素砂浆管在不同外压荷载下的环刚度变化情况。在弹性阶段，环刚度变化很小，取前三组数据的平均值作为弹性阶段环刚度。随着外压荷载增加，环刚度减小，环刚度为弹性阶段环刚度的71.3～81.3％,变化幅度低于高性能水泥基复合材料管。

实施例5：高性能水泥基复合材料管制备时，聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆的原材料质量配合比按表5进行，原材料和制备方法同实施例1，制得聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆的弹性模量值为10～25GPa，抗压强度为25～60MPa，拉伸强度为3～8MPa，极限拉伸应变为0.02～0.06。制成的高性能水泥基复合材料管达到与实施例2、实施例3相同的效果。

表1 高性能水泥基复合材料管壁厚

表2 偏高岭土的主要化学成分(质量比)

表3 高性能水泥基复合材料在不同外压荷载下环刚度变化

表4 钢筋素砂浆管在不同外压荷载下环刚度变化

表5 聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆的原材料质量配合比

Claims

1.一种高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管采用聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆（2）、钢筋骨架（3）制成；该管的一端为承口（1），另一端为插口（4），承口（1）和插口（4）相互配合形成管线；

所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，是以水泥、I级粉煤灰、偏高岭土和粒径小于或等于0.60 mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成；所述原料的质量配比为，水泥：I级粉煤灰：偏高岭土：砂：水：聚乙烯醇纤维；聚羧酸减水剂：粘度调节剂= 1：1.2~2.4：0~0.11：1~1.52：0.68~1.04：0.050~0.076: 0.009~0.013:0.00056~0.00085；

所述的聚乙烯醇纤维增强水泥砂浆，其弹性模量值为10~25 GPa，抗压强度为25~60MPa，拉伸强度为3~8 MPa，极限拉伸应变为0.02~0.06。

2.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管采用三点试验法施加准静载时，随外压荷载增加其外压荷载-管顶位移关系曲线包含弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段，在弹性阶段卸载时，变形能完全恢复；在硬化阶段和开裂阶段卸载时，变形部分恢复。

3.根据权利要求2所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管在硬化阶段时，在管腰处外壁、管顶内壁、管底内壁等拉应力区可见多条细密裂纹，裂纹数目不断增多，裂纹宽度为0.04~0.2mm。

4.根据权利要求2所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管在硬化阶段的环刚度下降，硬化阶段的环刚度为弹性阶段环刚度的40%~80%。

5.根据权利要求2所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：所述的高性能水泥基复合材料管，将外压荷载、管顶位移分别用破坏荷载、破坏时管顶铅垂方向位移归一化后，弹性阶段、硬化阶段和开裂阶段三者间包括两个交界点，两交界点对应的归一化荷载分别为0.25～0.35和0.60～0.75，两交界点对应的归一化位移分别为0.05～0.01和0.30～0.40。

6.根据权利要求1至5中任一所述的高性能水泥基复合材料管，其特征是在制造相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，该管壁厚为普通钢筋混凝土管壁厚的30%～88%。

7.根据权利要求1至5中任一所述的高性能水泥基复合材料管，其特征在于：该管在埋地后，其正常工作区间包括弹性阶段和硬化阶段。