CN112105859B - 具有水泥基内部衬里的饮用水管道或储水器元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于运输或储存饮用水的带衬里的管道或储水器元件(10)，包括由球墨铸铁、钢或混凝土制成的空心管道或储水器元件(12)，以及位于空心管道或储液器元件的内部壁(14)上的内部衬里(18)，内部衬里能够通过将包括粘合剂的砂浆涂覆到内部壁而获得。粘合剂包括以下一种：‑包括CEM I SR波特兰水泥和高炉矿渣的混合物的第一组合物，所述混合物中CEM I SR波特兰水泥的重量比例为5％至64％，‑包括CEM III/B水泥和微硅石的混合物或CEM I SR波特兰水泥和微硅石的混合物的第二种组合物，所述混合物中CEM III/B水泥或CEM I SR波特兰水泥的重量比例为50％和94％，以及‑第一组合物和第二组合物的混合物。

Description

具有水泥基内部衬里的饮用水管道或储水器元件
本发明涉及一种用于输送或储存饮用水的带衬里的管道或储水器元件，所述元件包括由球墨铸铁、钢或混凝土制成的空心管道(blank pipe)或储水器元件，和位于所述空心管道或储水器元件内部壁(inner wall)的内部衬里(inner lining)，所述内部衬里能够通过将包括粘合剂的砂浆涂覆到内壁上而获得。
这些元件形成用于输送、分配或储存饮用水的管道或储水器。
在与水长时间接触期间，水泥基(cementitious)材料可能会降解。这种现象是通过水泥基基质(matrix)中某些元素(elements)的溶解而发生的，从而使与材料接触的液体富含矿物质。这种溶解过程降低了材料的耐久性，因为它消耗了水泥基基质的一部分组成元素，主要是其钙。这导致降解层的出现，该降解层的厚度取决于水泥基组合物的类型和对液体的暴露时间。
为了减少这种降解现象，申请人使用了根据2012年4月发布版本的标准NF EN197-1的矿渣水泥，称为CEM III/B。该水泥定义为，包括20重量％至34重量％之间的熟料(clinker)、66重量％至80重量％的高炉矿渣(blast-fumance slag)和0重量％至5重量％的添加剂(一种或多种)。与称为CEM I的波特兰水泥相比，这种衬里具有出色的耐久性，并可以减小降解层的厚度。
然而，该衬里有时将含量不可忽略的铝释放到与其接触的液体中。
铝是自然存在于环境、土壤和水中的元素，包括供人食用。然而，由于其潜在的毒性，希望减少人与铝的接触。
因此，本发明的一个目的是提供一种衬有水泥基材料的管道或储水器元件，该水泥基材料向水中释放的铝更少，同时保持良好的机械性能和耐久性。
为此，本发明涉及上述类型的带衬里的管道或储水器元件，其中，粘合剂包括以下中的一种：
-第一组合物，该第一组合物包括CEM I SR波特兰水泥和高炉矿渣的混合物，所述混合物中CEM I SR波特兰水泥的重量比例为5％至64％，
-第二组合物，该第二组合物包含CEM III/B水泥和微硅石的混合物，或CEM I SR波特兰水泥和微硅石的混合物，所述混合物中CEM III/B水泥或CEM I SR波特兰水泥的重量比例为50％和94％，以及
-第一组合物和第二组合物的混合物。
根据特定的实施例，带衬里的管道或储水器元件包括一个或多个以下特征，可单独考虑或根据所有技术上可能的组合考虑：
-粘合剂包括CEM I SR波特兰水泥、矿渣和微硅石的混合物，所述混合物中，CEM ISR波特兰水泥的重量比例包含(inclusively)在30％至60％之间，优选在40％至60％之间，并且更优选在50％至60％之间，所述混合物中，矿渣的重量比例包含在65％至5％之间，优选在50％至10％之间，更优选在30％至10％之间，以及，在所述混合物中，微硅石的重量比例包含在5％至35％之间，优选在10％至30％之间，更优选在20％至30％之间。
-第一组合物或第二组合物或它们的混合物的CEM I SR波特兰水泥是CEM I SR5，优选CEM I SR3，并且更优选CEM I SR0；
-在第一组合物的混合物中，CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在20％至64％之间，优选在25％至50％之间，并且还更优选在25％至34％之间；
-在第二组合物的混合物中，CEM III/B水泥或CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在60％至90％之间，优选地在70％至80％之间；
-砂浆进一步包含填充材料，填充材料相对于粘合剂的重量比例(S/L)在0.5至5之间，优选为1至4之间，再更优选1.5至3之间；
-填充材料是填充物(filler)、沙子和/或砾石，优选为硅质的或钙质的，至少95％(重量)的填充物直径小于或等于8mm，
-砂浆还包括水，水与粘合剂的重量比例(E/L)包含在0.2至1之间，优选0.3至0.5，并且更优选0.35至0.45之间；
-粘合剂包括第一组合物，并且砂浆进一步包含一种或多种超增塑剂(superplasticizer)，所述超增塑剂(一个或多个)与粘合剂的重量比例(Sp/L)包含在0.0005至0.1之间，优选在0.001至0.05之间，更优选在0.002至0.03之间，或者，粘合剂包括第二种组合物，并且砂浆进一步包含一种或多种超增塑剂(一个或多个)，所述超增塑剂(一个或多个)与粘合剂的重量比例(Sp/L)包含在0.005和0.1之间的增塑剂，优选在0.001至0.08之间，更优选在0.005至0.05之间；
-所述一种或多种超增塑剂(一个或多个)包括具有10％至50％，优选20％至40％，并且更优选25％至35％的干燥提取物的多羧酸盐溶液；和
-砂浆进一步包含一种或多种添加剂，添加剂(一个或多个)与粘合剂的重量比例(A/L)包含在0.001至0.05之间，优选在0.005至0.04之间，更优选在0.01至0.03之间。
例如，“填充物”是指细粒(fines)或附加细粒，即细集料(fine aggregate)。
本发明还涉及一种包括如上所述的带衬里的管道或储水器元件的管道或储水器，该管道或储水器例如用于输送、分配或储存饮用水。
通过阅读下面的描述，将更好地理解本发明，下面的描述仅作为示例提供，并参考附图进行，其中：
-图1是根据本发明根据情况用于形成储水器的带衬里的管道元件的剖视图，
-图2是显示根据标准EN 7345对硬化水泥浆的整块样品进行铝浸出测试的结果，并且根据本发明将两种配方与参考配方进行比较的图，
-图3至图5也是示出了根据标准EN 14944-3在软管(hose)截面上,针对参考衬里和根据本发明的两个衬里分别进行的铝迁移测试的结果的图。
参考图1，描述了管道1，有利地，埋入地下，该管道1适于运输或储存饮用水5。管道1包括带衬里的管道元件10和其他未示出的带衬里的管道元件。
带衬里的管道元件10包括由球墨铸铁、钢或混凝土制成的限定了内部壁14和外部壁16的空心管道元件12，位于内部壁上的内部衬里18以及可选地位于外部壁上的外部衬里20。带衬里的管道元件10限定内部空间22，液体5在该内部空间22中与内部衬里18接触地循环。
空心管道元件12例如是软管、支管(branch)或形成储水器。
外部衬里20有利地适于与地面24接触。本领域技术人员本身已知的外部衬里20有利地构造成增加空心管道元件12的耐腐蚀性。
内部衬里18有利地覆盖整个内部壁14。
在所示的示例中，通过在内部壁14上涂覆砂浆来获得内部衬里18，内部衬里18包含基于水泥(cement-based)的粘合剂。有利地，该涂覆通过离心法来完成，但是也可以通过喷涂或通过手动涂覆(coating)来完成。
内部衬里18有利地具有例如包含在3mm与30mm之间的厚度E。
除粘合剂外，砂浆还包含填充材料、水、一种或几种超增塑剂以及一种或几种其他添加剂。
根据第一实施例，所述粘合剂包括第一组合物，所述第一组合物包括CEM I SR波特兰水泥和高炉矿渣的混合物。有利地，该第一组合物由该混合物组成。
CEM I SR波特兰水泥本身是本领域技术人员已知的，例如在2012年4月的法国和欧洲标准NF EN 197-1中所定义。该水泥包含按重量计95％至100％的熟料和0％至5％的附加次要成分。依据其是否分别包含0重量％、小于3重量％或小于5重量％的C 3A，即三方解石铝，该水泥被称为SR 0、SR 3或SR 5。换句话说，CEM I SR波特兰水泥是其中C3A的重量比例小于或等于5重量％的CEM I波特兰水泥。
在第一组合物的所述混合物中，CEM I SR波特兰水泥的重量比包含在5％和64％之间，其余为矿渣。
所使用的CEM I SR波特兰水泥是CEM I SR5，优选CEM I SR3，并且还更优选CEM ISR0，也就是说，其所包含的C3A的重量比例小于或等于5％，优选小于或等于3％，并且还更优选等于0％。尽管如此，C3A可能以微量存在于CEM I SR0水泥中，也就是说，其含量小于水泥的0.1重量％，原则上无法通过X射线衍射检测到。
有利地，在第一组合物的所述混合物中，CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在20％至64％之间，优选地在25％至50％之间，并且更优选地在25％至34％之间。
有利的是，砂浆的填充材料是沙子、砾石或其混合物。优选地，沙子和砾石是硅质或钙质的。有利地，至少95重量％的填充材料的直径小于或等于8mm。例如，直径是根据确定细集料的几何特性的测试(根据2012年5月的标准NF EN 933-1)测量的：-第1部分：颗粒尺寸分布的确定：筛分法。有利地，颗粒相对于粘合剂重量比例S/L，包含在0.5至5之间，优选地1至4之间，更优选地1.5至3之间。
在砂浆中，有利地，水相对于粘合剂的重量比例E/L，包含在0.2至1，优选0.3至0.5，更优选0.35至0.45。
超增塑剂(一个或多个)特别用于在恒定水剂量下增加砂浆的流动性，或在恒定流动性下降低水含量。超增塑剂(一个或多个)例如相对于粘合剂的重量比例Sp/L包含在0.0005至0.1之间，优选在0.001至0.05之间，更优选在0.002至0.03之间。有利地，砂浆包括单一的超增塑剂，例如多羧酸盐的溶液，其干燥提取物有利地包含10％至50％，优选地20％至40％，并且还更优选地25％至35％。
有利地，添加剂(一个或多个)相对于粘合剂的重量比例A/L包含在0.001和0.05之间，优选在0.005和0.04之间，更优选在0.01和0.03之间。
添加剂是有机或无机的。例子包括固化剂(或硬化剂)、阻滞剂和粘度调节剂。根据第二实施例，砂浆的粘合剂包括第二组合物，该第二组合物包括CEM III/B水泥与微硅石(或硅粉)的混合物或CEM I SR波特兰水泥与微硅石的混合物。
在第二组合物的所述混合物中，CEM III/B水泥或CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在50％至94％之间，其余为微硅石。有利地，第二组合物中水泥的重量比例包含在60％至90％之间，优选在70％至80％之间。
在第二实施例中，砂浆的其他成分(水、填充材料、超增塑剂以及添加剂)未改变，并且上面针对第一实施例制定的关于它们的注释适用。
有利地，第二实施例以相对于粘合剂更高的重量比例Sp/L实施：例如包含在0.005至0.1之间，优选在0.001至0.08之间，更优选在0.005至0.05之间。
根据第三实施例，砂浆的粘合剂由上述第一组合物和第二组合物的混合物以任意各自的比例组成。
有利地，根据该第三实施例，粘合剂包括CEM I SR波特兰水泥、矿渣和微硅石的混合物。
混合物中CEM I SR波特兰水泥的重量比例如包含在30％至60％之间，矿渣的重量比例在65％至5％之间，以及微硅石的重量比例在5％至35％之间。优选地，CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在40％到60％之间，矿渣的重量比例在50％到10％之间，微硅石的重量比例在10％到30％之间。更优选地，在该混合物中，CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含包括在50％至60％之间，矿渣的重量在30％至10％之间，以及微硅石的重量在20％至30％之间。
由于上述特征，内部衬里18使得有可能减少铝释放到液体5中。
对于第一实施例，在不限于一个特定理论的情况下，发明人相信通过降低波特兰水泥部分的C3A含量来减少钙矾石(化学式Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)的形成，使得即使该元素主要包含在矿渣(10％Al2O3)中(粘合剂的一种成分)，也有可能显着减少铝的释放。
对于第二实施例，在不限于一个特定理论的情况下，发明人还相信，将微硅石与CEM I SR波特兰水泥或CEM III/B水泥组合使用还可能限制钙矾石的形成并显着减少铝的释放。
钙矾石有助于水泥的固化和硬化。然而，意想不到的是，使用离心法生产内部衬里18使之可能消除了固化/硬化限制并导致足够的机械性能，特别是在28天时机械抗压强度大于或等于50MPa(根据EN 545)。
此外，由于第一组合物，内部衬里18的耐久性等于或优于具有CEM III/B水泥基的标准衬里的耐久性。按重量计，CEM III/B水泥通常包括20％至34％的熟料、66％至80％的高炉矿渣以及0％至5％的附加次要成分。
相对于CEM III/B水泥，根据第一种组合物的粘合剂有可能减少为衬里的实施而获得足够的流动性所需的超增塑剂的剂量。
由于该第二组成物，内部衬里18的耐久性显着高于由波特兰水泥制成的衬里，以及与不具有微硅石的、仅由CEM III/B制成的衬里具有相同的数量级的耐久性。
实验结果
A–硬化水泥浆的测试
用水泥浆制成每边长10厘米的立方体，并在100％湿度下风干28天，然后根据1995年3月的标准EN 7345进行浸出试验，浸出试验题目为：固体土质和石质建筑和废弃材料的浸出特性浸出测试。该标准提出了使用扩散试验测定工程和整块材料中无机化合物的浸出量，该扩散试验用于本试验中。
下表1中列出了所测试的粘合剂制剂的干燥材料的重量比例。
Figure BDA0002765202380000061
Figure BDA0002765202380000071
表1:根据标准EN 7345测试的粘合剂配方中干燥材料的重量含量
在所谓的参考配方中，所使用的粘合剂是包括9.7重量％的氧化铝的CEM III/B水泥。在所有测试的配方中，水/粘合剂之比等于0.31。
实施例1是根据上述第一组合物，其粘合剂包含30重量％的CEM I SR0波特兰水泥和70重量％的高炉矿渣。这种粘合剂包括8.7重量％的氧化铝。
实施例2是根据第二组合物，其粘合剂包括75重量％的CEM I SR0波特兰水泥和25重量％的微硅石。这是Elkem公司生产的致密化硅粉。这种粘合剂包含2.7重量％的氧化铝。在实施例2中，该水泥浆还包括0.45重量％的Chryso公司的Optima220超增塑剂。
铝的浸出试验结果如图2所示。它们提供了浸出的铝的累积含量(以毫克/m2为单位)(在标准EN 7345中，浸出内容物水平以每个表面单位表示，更具体地是每平方米硬化水泥浆的含量，作为时间(以小时为单位)的平方根的函数表示。曲线C0关于参考立方体，而曲线C1和C2分别关于示例1和示例2。
下表2总结了与具有CEM III/B水泥基的参考配方相比，新配方(例子1和2)获得的铝的浸出的减少。此外，粘合剂的耐久性表示为，相对于普通的CEM I波特兰水泥(也就是说，包括大于5重量％的C 3A)减少钙浸出的能力。
Figure BDA0002765202380000072
表2:减少新配方的铝浸出并减少钙浸出。
可以看到，例子1和2使得在1536小时或64天后，铝的浸出能够分别减少40％和87.5％。
此外，相对于普通的CEM I波特兰水泥，钙的浸出分别减少了68％和45％。这证明了由第一组合物和第二组合物获得的硬化的粘合剂立方体比由普通波特兰水泥获得的粘合剂更耐用。
B–原型软管的测试
使用本身已知的离心方法，将具有不同粘合剂配方基的衬里放置在铸铁软管中。
衬里的配方示于下表3中。
Figure BDA0002765202380000081
表3:用于生产原型软管的砂浆配方的材料重量含量。
可以看到，参考衬里包含37.7％的CEM III/B水泥和62.3％的沙子，颗粒尺寸包含在0到2mm之间。固化前的衬里还包含水，水/粘合剂比例为0.46。
例子1是根据第一实施例的砂浆，其包含11.3重量％的CEM I SR0波特兰水泥，26.4重量％的高炉矿渣和62.3重量％的颗粒尺寸为0至2mm的沙子。水/粘合剂比例为0.50。
例子2是根据第二实施例的砂浆，其包含28.3重量％的CEM I SR0波特兰水泥，9.4重量％的微硅石940D和62.3重量％的颗粒尺寸为0至2mm的沙子。例子2还包括相对于粘合剂重量为1％的Optima 220Chryso超增塑剂。在该示例中，水/粘合剂的比例为0.46。
在离心之前和之后分别确定未干(fresh)或硬化状态的砂浆的机械性能。结果显示在下表4中。
Figure BDA0002765202380000082
Figure BDA0002765202380000091
表4:砂浆配方在未干和硬化状态下的物理性能。
根据标准EN 12350-9(2010年11月)的定义，通过测量在V型漏斗中的流动时间以及根据标准NF EN 12706(2000年5月)测量扩散(spreading)来分别确定砂浆的黏度和流动性。其结果表明，根据第一和第二实施例的砂浆可以满足生产软管衬里所需的流动标准。
离心后，在未干状态下的紧密度测量是使用袖珍贯入仪(pocket penetrometer)根据抗沉降性法进行的。结果表明，根据第一和第二实施例的砂浆使得可以获得与参考衬里紧密度相当的衬里。
机械性能根据标准NF EN 196-1(2016年9月)确定。似乎在第28天时，根据第一和第二实施例的衬里的机械抗压强度(Rc)明显大于根据标准NF EN 545(2010年12月)推荐的软管衬里的50MPa。
通过研究：围绕金属芯模制的环形砂浆样品的第一收缩率，以及长度为一米的软管截面的衬里的第二收缩率来确定抗裂性能。在湿固化的28天后，结果表明，根据第一和第二实施例的衬里对于两种类型的样品均未显示裂纹。
28天后，根据标准EN 14944-3(2008年3月)“水泥基产品对人类消费的水的影响”对原型软管进行了浸出测试。所使用的协议(protocol)对应于公称直径为80mm(DN 80)的软管的测试。浸出铝的极限值(limit)取决于软管的公称直径。对于公称直径为80mm的软管，极限值为45μg/l。三种衬里配方的铝迁移测试结果如图3至5所示。
在图3至5三张图中，对于标准EN 14944-3推荐的三个迁移试验1、2和3，铝的浸出含量以μg/l表示。它们在x轴上指示为M1、M2、M3。在这些图中的每一个中，曲线C3均显示了45μg/l的调节极限值。
在图3中，曲线C4、C5和C6对应于沉积在三个软管中的三个参考衬里，其成分列于表3中。
在图4中，曲线C7和C8对应于根据表3的例子1的沉积在两个软管中的两个衬里。
在图5中，曲线C9和C10对应于根据表3的例子2的沉积在两个软管中的两个衬里。
下表5显示了迁移中释放的铝的平均浓度。表5中的平均值是将每种衬里类型的所有经测试的软管纳入考虑范围，并平均获得的三种迁移结果做出的平均值。
参考 例子1 例子2
平均铝浓度(微克/升) 102 45 <12
铝的浸出的减少 0％ 56％ >88％
表5：根据标准EN-14944浸出的铝的平均浓度，以及通过新配方铝的浸出的减少
可以看到，释放铝的平均浓度对于参考衬里为102μg/l，对于根据第一个例子的衬里为45μg/l，对于根据第二个例子的衬里小于12μg/l。因此，可以看到，根据第一个例子的衬里相对于参考使铝的浸出减少了56％，而根据第二个例子的衬里使铝的浸出减少了超过88％。
上述的两种水泥组合物(第一和第二例子)都足以用于生产用于饮用水的分配、输送和储存饮用水的管道或储水器元件的内部衬里。这些衬里可以显着减少铝的浸出，因此例如可以满足有关该元素向饮用水中迁移的未来监管标准。这些新型衬里除了具有良好的环境性能外，其耐久性水平也大大超过了传统波特兰水泥制成的衬里。

Claims (12)

1.一种用于运输或储存饮用水的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述管道或储水器元件（10）包括：
空心管道或储水器元件（12），所述空心管道或储水器元件（12）由球墨铸铁、钢或水泥制成，以及
内部衬里（18），所述内部衬里（18）位于所述空心管道或储水器元件（12）的内部壁（14）上，所述内部衬里（18）能够通过将包括粘合剂的砂浆涂覆到所述内部壁（14）上而获得，所述粘合剂包括以下中的一种：
第一组合物，所述第一组合物包括CEM I SR波特兰水泥和高炉矿渣的第一混合物，所述第一混合物中CEM I SR波特兰水泥的重量比例为5％至64％，
第二组合物，所述第二组合物包括CEM III / B水泥和微硅石的第二混合物，或CEM ISR波特兰水泥和微硅石的第三混合物，所述第二混合物中CEM III / B水泥或所述第三混合物中的CEM I SR波特兰水泥的重量比例为50 ％至94％之间，以及
所述第一组合物和所述第二组合物的混合物。
2.根据权利要求1所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述粘合剂包括CEM I SR波特兰水泥、高炉矿渣和微硅石的第四混合物，
CEM I SR波特兰水泥在所述第四混合物中的重量比例包含在30％至60％之间，
在所述第四混合物中，高炉矿渣的重量比例包含在65％至5％之间，以及
在所述第四混合物中，微硅石的重量比例包含在5％至35％之间。
3.根据权利要求1所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述第一组合物或第二组合物或所述第一组合物和第二组合物的混合物的CEM I SR波特兰水泥为CEM ISR5。
4.根据权利要求1所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，在所述第一组合物的第一混合物中，所述CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在20％至64％之间。
5.根据权利要求1所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，在所述第二组合物的第二混合物中的CEM III / B水泥或在所述第二组合物的第三混合物中的CEM I SR波特兰水泥的重量比例包含在60％至90％。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述砂浆还包括填充材料，所述填充材料相对于所述粘合剂的重量比（S / L）包含在0.5至5之间。
7.根据权利要求6所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述填充材料是硅质的或钙质的。
8.根据权利要求7所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述填充材料是沙子和/或砾石，至少95重量％的所述填充材料的直径小于或等于8毫米。
9.根据权利要求1所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述砂浆还包括水，所述水与粘合剂的重量比例（E/L）包含在0.2与1之间。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于：
所述粘合剂包括第一组合物，并且砂浆进一步包含一种或多种超增塑剂，所述超增塑剂与粘合剂的重量比（Sp/L）包含在0.0005至0.1之间，或
所述粘合剂包括第二组合物，并且砂浆进一步包含一种或多种超增塑剂，所述超增塑剂与粘合剂的重量比（Sp/L），包含0.005至0.1之间。
11.根据权利要求10所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述一种或多种超增塑剂包括具有10％至50％的干燥提取物的多羧酸盐溶液。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的带衬里的管道或储水器元件（10），其特征在于，所述砂浆进一步包含一种或多种添加剂，所述添加剂与粘合剂的重量比例（A/L）包含在0.001至0.05之间。
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