CN114407189B - 输配水用承压管道及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了输配水用承压管道及制备方法，属于管道领域，包括钢筒混凝土管体，所述钢筒混凝土管体的外圈螺旋缠绕有玄武岩纤维复合筋，所述玄武岩纤维复合筋的外圈以及钢筒混凝土管体的端部设有防护层，所述钢筒混凝土管体的两端为承插口结构，玄武岩纤维复合筋通过锚固系统固定在管芯的一端，让符合拉力要求的玄武岩纤维复合筋通过管芯转动及提升装置均匀螺旋缠绕在管芯外侧。本发明大幅度提高管材的使用安全性能，解决预应力钢筋具有易腐蚀、氢脆腐蚀等质量风险。

Description

输配水用承压管道及制备方法
技术领域
本发明属于管道领域，涉及输配水用压力管道，尤其涉及输配水用承压管道及制备方法。
背景技术
目前，我国水利、市政、电力等行业输配水管道采用的混凝土压力管为预应力钢筒混凝土管(PCCP)、预应力混凝土管(PCP、YYG、SYG)等管道结构型式。预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)，从国外引进30多年，国内不少引调水工程选用PCCP管，产品使用相当成熟，尽管PCCP管已有相应规程规范，在不同地质条件和工况下应用还略有差异，例如存在预应力钢丝氢脆断丝、腐蚀环境下钢筋锈蚀以及自量大等缺陷。
传统的管道结构型式为预应力钢筋与混凝土复合结构，共同作用以承受各项内外部荷载，但该种管道型式采用的预应力钢筋本身易腐蚀，在使用过程中如果钢丝受外界腐蚀介质影响，在短时间内即可造成钢丝锈蚀，从而造成管道使用性能大幅度降低；预应力钢筋还易发生氢脆防腐，在较高的持续应力存在的条件下发生钢筋脆断，导致管道运行故障，如管道结构失效导致爆管，造成较大社会影响及经济损失。
由于上述原因，生产传统产品时对预应力钢筋的质量要求甚为严格，对于原材料的生产不仅要控制预应力钢筋原材料质量，而且对其生产过程也要进行严格的拉拔温度控制。预应力钢筋进场验收除钢材常规试验外，还增加了扭转试验、氢脆性试验，抗拉试验的拉伸力的最大值、最小值进行了严格限制，这是其他行业所不涉及的。在管道生产过程中也要做好钢丝的存储，不能生产锈蚀，在缠绕过程中同时进行水泥浆的喷洒保护。另外，对预应力钢丝的砂浆保护层的质量指标也有非常高的要求，比如砂浆的含水率、砂浆强度、厚度及砂浆吸水率，都是相比其他行业最为严格的，因此传统产品具有生产成本高、质量风险大的缺点。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供输配水用承压管道及制备方法，解决了以上背景技术中存在的问题，大幅度提高管材的使用安全性能，解决预应力钢筋具有易腐蚀、氢脆腐蚀等质量风险。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：输配水用承压管道，钢筒混凝土管体，所述钢筒混凝土管体的外圈螺旋缠绕有玄武岩纤维复合筋，所述玄武岩纤维复合筋的外圈以及钢筒混凝土管体的端部设有防护层，所述钢筒混凝土管体的两端为承插口结构。
进一步的，所述玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中玄武岩纤维复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60％-70％。
进一步的，所述玄武岩纤维复合筋直径为4mm-8mm；连续长度超过10000m，截面圆度均匀，极限抗拉强度10％以内。
进一步的，防护层包括从内到外依次设置的添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆、添加短切玄武岩纤维的混凝土以及柔性防腐涂料；
添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆，采用的水泥与管芯混凝土水泥相同，砂采用细砂，细度模数1.6-2.2之间，拌制的砂浆强度不低于40MPa，防护层的厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于20mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.2％-0.35％；
添加短切玄武岩纤维的混凝土，选用细石混凝土，所用的水泥与管芯混凝土水泥相同，石子粒径5-10mm，最大不得超过15mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.25％-0.40％，混凝土强度不低于50MPa，厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于25mm；
柔性防腐涂料：采用速凝型橡胶沥青防腐涂料。
输配水用承压管道的制备方法，包括以下步骤，
S1、管道结构设计，经过计算后确认设计参数，包括但不限于：管芯壁厚及混凝土强度、钢筒壁厚及外径、玄武岩纤维复合筋规格、控制应力、缠丝面积、缠丝层数及螺距、防护层类型及厚度；
S2、材料准备，包括承口板、插口型钢、薄钢筒、水泥、砂、石子、减水剂、水、玄武岩纤维复合筋和掺合料，掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰，按照不同设计结果配置相应的材料，材料组成为18-30％水泥、30-45％砂、30-45％石、0.5-2％减水剂、3-10％水、0.3-1.5承口、0.3-1.5插口、1-5％玄武岩纤维复合筋、0.8-10％薄钢板；
S3、制作钢筒；承插口与钢筒组对焊接成型，形成密闭的筒体；
S4、钢筒混凝土管体成型，将合格的钢筒置于管道模具内，采用卧式离心成型、立式振动成型或芯模振动成型工艺，形成钢筒混凝土管体；
S5、缠绕玄武岩纤维复合筋，将玄武岩纤维复合筋通过锚固系统固定在管芯的一端，让符合拉力要求的玄武岩纤维复合筋通过管芯转动及提升装置均匀螺旋缠绕在管芯外侧；
S6、外防护层制作，预应力玄武岩纤维筋复合管外防护层采用水泥砂浆、混凝土或加短切玄武岩纤维的水泥砂浆和混凝土以及柔性防腐涂料。
进一步的，材料参数如下，
玄武岩纤维复合筋：抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60％-70％；弹性模量80GMPa；规格：4mm-8mm；连续长度超过10000m，可定长制作；冷弯试验合格：冷弯弯弧内径400mm，进行180度弯折，复合筋不发生断裂，弯弧的外侧无开裂现象；截面圆度均匀，质量可靠，极限抗拉强度10％以内；
水泥：采用普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级，碱含量≤0.6％；
砂：管芯混凝土采用天然砂或机制砂的中粗砂，细度模数2.3-3.2，级配良好，含泥量≤2％；
石：坚硬、清洁、级配良好的人工碎石、卵石，连续级配，最大粒径不超过30mm，且不得大于管芯内外混凝土层厚度的2/5；
减水剂：采用聚羧酸类减水剂，减水率不低于20％；也可用萘系减水剂；
掺合料：粉煤灰不低于F类Ⅱ级要求；磨细矿粉不低于S95级要求；硅灰二氧化硅含量不低于90％，活性指数不低于105％，复合阻锈剂防腐面积减水率不低于95％；
水：地下水或自来水，PH≥6。
短切玄武岩纤维：S、T类；拉伸强度≥1500MPa；公称长度S类：用于砂浆时3-15mm，用于混凝土时12-30mm；T类：6-60mm。
进一步的，步骤S1中包括以下步骤，
(1)收集确定管道应用信息，包括但不限于①管道公称内径、输送介质类型、管道工作压力、试验压力、水锤压力等；②覆土深度、回填土类型及容重、管道埋设类型、地下水位线；③活荷载及恒载情况；④环境温度、湿度、管道室外存放时间、通水前埋设时间；
(2)确定使用材料物理性能，包括但不限于①玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准值、缠丝应力控制值、弹性模量、容重等；②薄钢板的抗拉强度标准值、弹性模量、容重；③混凝土的强度等级、弹性模量、抗压强度设计值、抗拉强度设计值、容重；④外保护层的类型种及对应的物理性能，如砂浆、混凝土的强度等级、抗压强度设计值、抗拉强度设计值；柔性防腐涂料抗拉值；
(3)确定管道基本参数，管道成型工艺类型、管道结构类型、管芯壁厚、保护层厚度、玄武岩纤维复合筋规格、薄钢板外径及规格；
(4)计算外部荷载、应力损失等中间参数；
(5)计算确定配筋面积、玄武岩纤维复合筋规格、缠丝层数；
(6)按照设计输出配筋参数验算各部位的性能；
(7)最终确认设计输出参数，包括但不限于：管芯壁厚及混凝土强度、钢筒壁厚及外径、玄武岩纤维复合筋规格、控制应力、缠丝面积、缠丝层数及螺距、防护层类型及厚度等；
(8)输出技术文件，包括但不限于：生产技术参数、产品生产图纸、生产保证文件、质量检验文件。
进一步的，在步骤S4中，采用离心成型工艺时，混凝土坍落度控制在3-6cm，离心通过慢速、升速、高速三个阶段进行。慢速时保证混凝土料均匀分散，升速应分3-5次均匀升速至高速，高速时保证混凝土线速度不低于600m/min，保证混凝土密实；采用立式振动成型时，混凝土坍落度控制在9-15cm，通过分料锥将混凝土分配到钢筒的内外侧，同时开启振动器，并保持内高外低，高差不超过0.5m。
进一步的，玄武岩纤维复合筋的螺旋间距，任意10个螺旋间距的平均值不得大于设计值，缠丝过程中控制玄武岩纤维复合筋拉力波动在5％以内，缠绕第一圈时缠丝拉力为设计拉力的50％，第二圈玄武岩纤维复合筋拉力达到设计拉力，当缠绕至管芯另一端时，再将玄武岩纤维复合筋通过锚固系统固定在管芯的另一端；
采用定长的玄武岩纤维复合筋或者连续长度超过10000m的产品以消除或减少玄武岩纤维复合筋接头，当需要双层缠丝时，在制作第一层钢丝防护层以后且具有相应的强度后，重复上述过程，缠丝时管芯的外表面温度≥5℃，最低温度不得低于2℃。
进一步的，水泥砂浆或添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆：采用自然养护时环境温度不得低于5℃，保护层至少静停4小时后方可进行洒水养护；采用蒸汽养护时升温速度≤25℃/小时，恒温温度控制在45-65℃范围内，砂浆强度达到设计强度的85％以上方可倒运；
混凝土或添加短切玄武岩纤维的混凝土：采用自然养护及蒸汽养护，保证脱模强度离心工艺时不低于30MPa，立式振动工艺时不低于20MPa，采用自然养护时环境温度应不低于5℃，并保持覆盖保湿，养护时间根据试验确定，采用蒸汽加速养护时应按照静停、升温、恒温、降温四个阶段制定养护制度，静停阶段时间不少于1小时；升温阶段升温速度不得高于22℃；恒温阶段，离心工艺温度控制在75±5℃范围内，最高温度不超过85℃，立式振动工艺温度控制在55±5℃范围内，最高温度不超过65℃
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明采用新型玄武岩纤维复合筋替代传统产品预应力钢筋作为受拉结构筋，并固化、形成新的产品设计、生产制备方法，玄武岩纤维复合筋是以玄武岩纤维作为增强材料，以环氧树脂为基体的复合玄武岩筋，保持了玄武岩纤维的高弹性模量和高的强度，抗拉强度可以稳定在1200MPa以上，与传统预应力钢筋接近，玄武岩纤维复合筋具有韧性好，在生产、运输、安装过程中不会因撞击等机械作用导致正常使用前的断筋现象，且化学性质稳定与腐蚀性物质直接接触也不会影响预应力筋的功能，彻底避免了因钢筋锈蚀导致的保护层脱落、断筋、爆管现象；
2、本发明利用玄武岩纤维复合筋替代预应力钢筋，大幅度提高管材的使用安全性能，解决预应力钢筋具有易腐蚀、氢脆腐蚀等质量风险；
3、本发明扩大了防护层材料的选择范围，降低防护层质量要求，对于普通预应力钢筋的保护层必须是质量优良、制造工艺严格，造成可选择防护层范围极小，实施困难。因玄武岩纤维复合筋本身具有良好的适应性，可配合多种防护保护方式；
4、本发明减免管道运行后的检测、维护措施，大幅度降低整体工程费用，原预应力钢筒混凝土(PCCP)等压力管道为时时检测钢丝使用情况一般采用定期检测断丝状况或全线的断丝检测手段，给后期管线维护造成极大困难，而且为保护预应力钢丝均采用了牺牲阳极的阴极保护方案，费用能占管材价格的20％-30％，预应力玄武岩纤维筋复合管可不用采用这些措施，能够大幅度降低后期维保工作及工程费用；
5、本发明有效节约了金属材料的消耗，玄武岩纤维复合筋取材于岩石，有效降低了金属材料的消耗，不必采用牺牲阳极的阴极保护方案，也能节省活性金属的消耗。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明输配水用承压管道制备方法的流程图；
图2是本发明输配水用承压管道的结构示意图；
图3是本发明钢筒和承插口配合的结构示意图；
图4是本发明柔性防腐涂料喷涂的原理图；
图5是试验编号4-1的应变图；
图6是试验编号4-2的应变图；
图7是试验编号4-3的应变图；
图8是试验编号5-1的应变图；
图9是试验编号5-2的应变图；
图10是试验编号5-3的应变图；
图11是试验编号6-1的应变图；
图12是试验编号6-2的应变图；
图13是试验编号6-3的应变图。
附图标记：
1、钢筒混凝土管体；2、玄武岩纤维复合筋；3、防护层；4、钢筒；5、承插口；51、承口环；52、插口环；6、锚固组件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1-图4所示，输配水用承压管道，包括钢筒混凝土管体，所述钢筒混凝土管体的外圈螺旋缠绕有玄武岩纤维复合筋，所述玄武岩纤维复合筋的外圈以及钢筒混凝土管体的端部设有防护层，所述钢筒混凝土管体的两端为承插口结构。
所述玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中玄武岩纤维复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60％-70％；弹性模量标准值为80GMPa；规格：4mm-8mm；连续长度超过10000m，截面圆度均匀，极限抗拉强度10％以内。
确定管道基本参数，管道成型工艺类型、管道结构类型、管芯壁厚、保护层厚度、玄武岩纤维复合筋规格、薄钢板外径及规格，实际应用的过程中，根据配筋面积然后选定钢筋计算螺距的，其规格与管径并无直接的对应关系。
计算确定配筋面积、玄武岩纤维复合筋规格、缠丝层数及螺距，计算依据国内的《预应力钢筒混凝土管设计规程》SL702、《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》CECS140、《城镇给水预应力钢筒混凝土管管道工程技术规程》CJJ224、美国标准《预应力钢筒混凝土压力管》AWWA C304规定的程序和方法，输入玄武岩纤维复合筋的性能参数替代预应力钢筋的性能参数。
输出配筋参数验算管道的整体性能，整体性能验证采用抗裂性能试验，试验参数按照《预应力钢筒混凝土管》GB/T19685中内水压试验压力及抗外荷载计算公式确定。
输配水用承压管道的制备方法按照步骤进行：
1、进行管道的结构设计
(1)收集确定管道应用信息，包括但不限于①管道公称内径、输送介质类型、管道工作压力、试验压力、水锤压力等；②覆土深度、回填土类型及容重、管道埋设类型、地下水位线；③活荷载及恒载情况；④环境温度、湿度、管道室外存放时间、通水前埋设时间；
(2)确定使用材料物理性能，包括但不限于①玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准值、缠丝应力控制值、弹性模量、容重等；②薄钢板的抗拉强度标准值、弹性模量、容重；③混凝土的强度等级、弹性模量、抗压强度设计值、抗拉强度设计值、容重；④外保护层的类型种及对应的物理性能，如砂浆、混凝土的强度等级、抗压强度设计值、抗拉强度设计值；柔性防腐涂料(速凝橡胶沥青防腐涂料)抗拉值；
(3)确定管道基本参数。管道成型工艺类型、管道结构类型、管芯壁厚、保护层厚度、玄武岩纤维复合筋规格、薄钢板外径及规格。
(4)计算外部荷载、应力损失等中间参数；
(5)计算确定配筋面积、缠丝层数；
(6)按照设计输出配筋参数验算各部位的性能；
(7)最终确认设计输出参数，包括但不限于：管芯壁厚及混凝土强度、钢筒壁厚及外径、玄武岩纤维复合筋规格、控制应力、缠丝面积、缠丝层数及螺距、防护层类型及厚度等；
(8)输出技术文件，包括但不限于：生产技术参数、产品生产图纸、生产保证文件、质量检验文件。
2、材料准备
包括承口板、插口型钢、薄钢筒、水泥、砂、石子、减水剂、水、玄武岩纤维复合筋和掺合料，掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰，按照不同设计结果配置相应的材料，材料组成为18-30％水泥、30-45％砂、30-45％石、0.5-2％减水剂、3-10％水、0.3-1.5承口、0.3-1.5插口、1-5％玄武岩纤维复合筋、0.8-10％薄钢板，其中掺合料可等量替代水泥，替代量不超过20％，一般为水泥用量的8％-15％；
(1)玄武岩纤维复合筋：抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60％-70％；弹性模量80GMPa；规格：4mm-8mm；连续长度超过10000m，可定长制作；冷弯试验合格：冷弯弯弧内径400mm，进行180度弯折，复合筋不发生断裂，弯弧的外侧无开裂现象；截面圆度均匀，质量可靠，极限抗拉强度10％以内。
(2)水泥：采用普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级，碱含量≤0.6％。
(3)砂：管芯混凝土采用天然砂或机制砂的中粗砂，细度模数2.3-3.2，级配良好，含泥量≤2％。
(4)石：坚硬、清洁、级配良好的人工碎石、卵石，连续级配，最大粒径不超过30mm，且不得大于管芯内外混凝土层厚度的2/5。
(5)减水剂：优先采用聚羧酸类减水剂，减水率不低于20％；也可用萘系减水剂。
(6)掺合料：可为粉煤灰、磨细矿粉、硅灰及复合阻锈剂等。粉煤灰不低于F类Ⅱ级要求；磨细矿粉不低于S95级要求；硅灰二氧化硅含量不低于90％，活性指数不低于105％，复合阻锈剂防腐面积减水率不低于95％。
(7)水：地下水或自来水，PH≥6。
(8)薄钢板：屈服强度不低于215MPa，厚度1.0-2.0mm。典型的钢板厚度有1.0mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm。
(9)承插口：屈服强度不低于205MPa，承口钢板厚度6-12mm；插口钢环可采用单胶圈或双胶圈型钢。
(10)接口密封胶圈：采用“O”型实心胶圈，胶圈截面直径18-22mm，材质聚异戊二烯或三元乙丙橡胶，其胶含量不得少于50％。
(11)短切玄武岩纤维：S、T类；拉伸强度≥1500MPa；公称长度S类：用于砂浆时3-15mm，用于混凝土时12-30mm；T类：6-60mm。
(12)柔性防腐涂料：一般采用速凝型橡胶沥青防腐涂料，涂膜延伸率达到1000％，并具有耐穿透性。
在选材过程中，开展直径4mm/5mm/6mm玄武岩纤维复合筋的抗拉强度、弹性模量、冷弯性能、应力松弛及本构关系的试验。
2.1.1、4mm复合筋的拉伸性能
对直径为4mm的复合筋进行拉伸性能试验，共取得三组有效实验数据，如表1所示。
表1 4mm复合筋拉伸强度
Figure BDA0003488030940000101
夹持有效的复合筋抗拉强度均在1500MPa以上，建议抗拉强度标准值取值1500MPa。
对实验曲线进行量化分析，当拉伸到极限拉力的约60％时，材料开始发生非线性变形，纯线性段最大应力均超过900，如表2所示。
表2线性段拉应力
Figure BDA0003488030940000102
在预应力张拉时，建议控制应力(σcon)不高于900MPa，相应的张拉力不超过11.3kN。
实验4-3识别出的线性段最大拉应力异常，是由于在实验开始时夹具出现了虚接，或出现了少量滑移，实际线性段最大拉应力远高于11MPa。
图5是试验编号4-1的应变图；图6是试验编号4-2的应变图；图7是试验编号4-3的应变图。
2.1.2、5mm复合筋的拉伸性能
对直径为5mm的复合筋进行拉伸性能试验，极限拉伸强度共取得三组有效实验数据，如表3所示。
表3 5mm复合筋拉伸强度
Figure BDA0003488030940000111
夹持有效的复合筋抗拉强度均在1200MPa以上，建议抗拉强度标准值取值1200MPa。
实验5-3在夹持时最初试件松弛，并有一定余量，以至于有了一定应变之后试件才张紧。对拉伸强度没有影响。
对实验曲线进行量化分析，当拉伸到极限拉力的约63％时，材料开始发生非线性变形，纯线性段最大应力达到770到780MPa，如表4所示。
表4线性段拉应力
Figure BDA0003488030940000112
图8是试验编号5-1的应变图；图9是试验编号5-2的应变图；图10是试验编号5-3的应变图。
实验5-3所识别出的线弹性段拉力与拉应力过小，是由于试件夹持异常导致的，为无效数据。但最大拉应力有效。
在预应力张拉时，建议控制应力(σcon)不高于770MPa，相应的张拉力不超过15.1kN。
1.6mm复合筋的拉伸性能
2.1.3、直径为6mm的复合筋进行拉伸性能试验，极限拉伸强度共取得三组有效实验数据，如表3所示。
表5 6mm复合筋拉伸强度
试验编号 受力面积/mm2 极限拉力/N 抗拉强度/MPa
6-1 28.26 34630 1225
6-2 28.26 41210 1458
6-3 28.26 34560 1223
夹持有效的复合筋抗拉强度均在1200MPa以上，建议抗拉强度标准值取值1200MPa。应力应变图如下所示。
对实验曲线进行量化分析，当拉伸到极限拉力的约63％时，材料开始发生非线性变形，纯线性段最大应力达到770到780MPa，如表6所示。
表6线性段拉应力
Figure BDA0003488030940000121
图11是试验编号6-1的应变图；图12是试验编号6-2的应变图；图13是试验编号6-3的应变图。
实验6-2所识别出的线弹性段拉力与拉应力过小，应该是由于试件夹持部位出现了滑移所致，为无效数据。试验6-1的比例极限与上述实验的比例极限相近，实验结果可靠。试验6-3比例极限明显偏高，不足以采信。
在预应力张拉时，建议控制应力(σcon)不高于740MPa，相应的张拉力不超过20.9kN。
2.1.4弹性模量试验
对于同类材料，弹性模量应当是一个常数，对不同直径的复合筋共进行9组实验，其中有效实验四组，弹性模量值如下：
表7弹性模量
实验编号 弹性模量/GPa 极限应变
T1 89.6 0.017
T2 82.3 0.015
T3 76.1 0.016
T4 94.3 0.013
对数据分析认为，所测得的弹性模量平均值在80GPa以上，建议弹性模量的设计取值为80GPa。
2.1.5、锚固性能试验
试验前，先将锚具用丙酮或其它有机溶液(油漆稀料)清洗，清除出厂时所带的油渍。用双组分环氧树脂(环氧树脂+固化剂)配制成树脂胶。在锚具的卡槽内注入树脂胶，把玄武岩复合筋放于卡槽内，并用树脂胶填满整个卡槽。把两端的锚具夹持在试验机上进行拉伸试验。
实验结果如下：
试验编号 断面面积 破坏荷载/N 破坏强度/MPa 抗拉强度百分数/％
M4-1 12.56 12800 1020 68
M5-1 19.625 15870 808 67
在拉应力达到抗拉强度的67％到68％时，试件出现破坏，破坏形式均为：复合筋从锚具滑脱出来。但破坏时的应力均已超过预应力张拉时的控制应力。
生产过程中缠丝时，第一圈应力值往往是正常应力值的大约1/2，结论是本锚固方案可以满足施工需要。
2.1.6冷弯性能试验
对直径分别为4mm/5mm/6mm的树脂复合筋进行了弯曲性能试验，弯弧内径约400mm，进行180度弯折，树脂筋未发生断裂，弯弧的外侧未发现开裂现象，满足在施工中弯曲的需要。
2.1.7连接性能试验
以搭接形式连接，用玄武岩纤维绑扎并用环氧树脂涂覆，经试验效果不理想。
决定根据设计需要，按照不同规格管材所需复合筋的长度，生产定长的复合筋，保证在每一根管材中无连接。
3、接口环制作：经过卷制的承插口环，放置在胀圆机上，通过扩张使承插口超过弹性极限至设计要求尺寸，防止出现弹性回缩现象。
将承插口与钢筒组对焊接成型，形成密闭的筒体。筒体经过水压试验验证钢筒焊缝密封性，在规定的压力下恒压3min，所有焊接不发生渗透现场，则为合格，流转下道工序。
4、管芯混凝土成型
成型工艺采用卧式离心成型、立式振动成型及芯模振动成型工艺。
混凝土制备：根据配合比要求准确称量砂、石、水泥、掺合料、水、减水剂，首先将砂、石、水泥、掺合料投入搅拌机，初步拌合后将水及减水剂添加进入进行充分搅拌，搅拌时间2-5min。
用抗压强度不低于UHPC100的超高性能混凝土取代普通的C40混凝土，使混凝土管芯的厚度减小到原有厚度55％～60％，管体自重降至原重量的55％左右。
管芯成型：将合格的钢筒置于管道模具内。采用离心成型工艺时，混凝土坍落度控制在3-6cm。采用人工投料、喂料机投料或泵送方式将混凝土投置于带钢筒的模具内。离心通过慢速、升速、高速三个阶段进行。慢速时保证混凝土料均匀分散，升速应分3-5次均匀升速至高速，高速时保证混凝土线速度不低于600m/min，保证混凝土密实，在此过程中要将余浆排到外侧。采用立式振动成型时，混凝土坍落度控制在9-15cm，通过分料锥将混凝土分配到钢筒的内外侧，同时开启振动器，并保持内高外低，高差不超过0.5m，直至混凝土面升至规定位置，停止浇筑，继续开振动器，直至混凝土断面无气泡溢出关闭振动器。执行其他工艺时，需要试验确定相关参数。
管芯养护：管芯的养护工艺分为自然养护及蒸汽养护，不管哪种养护方式应保证脱模强度离心工艺时不低于30MPa，立式振动工艺时不低于20MPa。采用自然养护时环境温度应不低于5℃，并保持覆盖保湿，养护时间根据试验确定。采用蒸汽加速养护时应按照静停、升温、恒温、降温四个阶段制定养护制度。静停阶段时间不少于1小时；升温阶段升温速度不得高于22℃；恒温阶段，离心工艺温度控制在75±5℃范围内，最高温度不超过85℃，立式振动工艺温度控制在55±5℃范围内，最高温度不超过65℃。
5、缠绕玄武岩纤维复合筋
将符质量要求的玄武岩纤维复合筋缠绕在预制辊筒上，将玄武岩纤维复合筋通过锚固组件固定在管芯的一端，让符合拉力要求的玄武岩纤维复合筋通过管芯转动及提升装置均匀螺旋缠绕在管芯外侧，螺旋间距符合技术文件要求，其任意10个螺旋间距的平均值不得大于设计值。缠丝过程中控制玄武岩纤维复合筋拉力波动在5％以内。缠绕第一圈时缠丝拉力可为设计拉力的50％，第二圈玄武岩纤维复合筋拉力达到设计拉力。当缠绕至管芯另一端时，再将玄武岩纤维复合筋通过锚固组件固定在管芯的另一端。采用定长的玄武岩纤维复合筋或者连续长度超过10000m的产品以消除或减少玄武岩纤维复合筋接头。当需要双层缠丝时，应在制作第一层钢丝防护层以后且具有相应的强度后，重复上述过程，缠丝时管芯的外表面温度≥5℃，最低温度不得低于2℃。
缠丝过程不得出现玄武岩纤维复合筋劈裂、锚固松动、接头松动现象。
6、外防护层制作
预应力玄武岩纤维筋复合管外防护层采用水泥砂浆、混凝土或加短切玄武岩纤维的水泥砂浆和混凝土以及柔性防腐涂料。
水泥砂浆或添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆：采用的水泥与管芯混凝土水泥相同，砂采用细砂，细度模数1.6-2.2之间，拌制的砂浆强度不低于40MPa，防护层的厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于20mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.2％-0.35％。喷射后采用自然养护或蒸汽养护，当采用自然养护时环境温度不得低于5℃，保护层至少静停4小时后方可进行洒水养护；采用蒸汽养护时升温速度≤25℃/小时，恒温温度控制在45-65℃范围内，砂浆强度达到设计强度的85％以上方可倒运。
混凝土或添加短切玄武岩纤维的混凝土：一般选用细石混凝土，所用的水泥与管芯混凝土水泥相同，石子粒径5-10mm，最大不得超过15mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.25％-0.40％，混凝土强度不低于50MPa，厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于25mm，防护层的养护方式参照管芯的养护方式。
柔性防腐涂料：采用速凝型橡胶沥青防腐涂料。首先采用空压机通过高压气管将缠绕玄武岩纤维复合筋的产品上的松散杂物清理干净，然后用高压喷涂设备将防腐涂料按照设计工艺喷涂于外表面。
短切玄武岩纤维是用连续玄武岩纤维原丝短切而成的产品，纤维上涂有(硅烷)浸润剂，是增强混凝土的最佳材料，在混凝土中掺入玄武岩纤维，可以改善混凝土的抗渗性能,抗冻融循环能力和抗收缩能力，其耐久性能和长期性能得到很大提高，在保护层中加入玄武岩纤维后，可以有效减少保护层开裂，提高PCCP的耐久性。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.输配水用承压管道，其特征在于：包括钢筒混凝土管体，所述钢筒混凝土管体的外圈螺旋缠绕有玄武岩纤维复合筋，所述玄武岩纤维复合筋的外圈以及钢筒混凝土管体的端部设有防护层，所述钢筒混凝土管体的两端为承插口结构；
所述玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中玄武岩纤维复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60%-70%；
所述玄武岩纤维复合筋直径为4mm-8mm；连续长度超过10000m，截面圆度均匀，极限抗拉强度10%以内；
防护层包括从内到外依次设置的添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆、添加短切玄武岩纤维的混凝土以及柔性防腐涂料；
添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆，采用的水泥与管芯混凝土水泥相同，砂采用细砂，细度模数1.6-2.2之间，拌制的砂浆强度不低于40MPa，防护层的厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于20mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.2%-0.35%；
添加短切玄武岩纤维的混凝土，选用细石混凝土，所用的水泥与管芯混凝土水泥相同，石子粒径5-10mm，最大不得超过15mm，掺加短切玄武岩纤维数量为胶凝材料的0.25%-0.40%，混凝土强度不低于50MPa，厚度自玄武岩纤维复合筋最外侧至防护层外表面不低于25mm；
柔性防腐涂料：采用速凝型橡胶沥青防腐涂料。
2.输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、管道结构设计，经过计算后确认设计参数，包括但不限于：管芯壁厚及混凝土强度、钢筒壁厚及外径、玄武岩纤维复合筋规格、控制应力、缠丝面积、缠丝层数及螺距、防护层类型及厚度；
S2、材料准备，包括承口板、插口型钢、薄钢筒、水泥、砂、石子、减水剂、水、玄武岩纤维复合筋和掺合料，掺合料包括粉煤灰、矿粉、硅灰，按照不同设计结果配置相应的材料，材料组成为18-30%水泥、30-45%砂、30-45%石、0.5-2%减水剂、3-10%水、0.3-1.5承口、0.3-1.5插口、1-5%玄武岩纤维复合筋、0.8-10%薄钢板；
S3、制作钢筒；承插口与钢筒组对焊接成型，形成密闭的筒体；
S4、钢筒混凝土管体成型，将合格的钢筒置于管道模具内，采用卧式离心成型、立式振动成型或芯模振动成型工艺，形成钢筒混凝土管体；
S5、缠绕玄武岩纤维复合筋，将玄武岩纤维复合筋通过锚固系统固定在管芯的一端，让符合拉力要求的玄武岩纤维复合筋通过管芯转动及提升装置均匀螺旋缠绕在管芯外侧；
S7、外防护层制作，预应力玄武岩纤维筋复合管外防护层采用水泥砂浆、混凝土或加短切玄武岩纤维的水泥砂浆和混凝土以及柔性防腐涂料。
3.根据权利要求2所述的输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：材料参数如下，
玄武岩纤维复合筋：抗拉强度标准不低于1200MPa；在缠丝过程中复合筋应力控制其抗拉强度标准值的60%-70%；弹性模量80GMPa；规格：4mm-8mm；连续长度超过10000m，可定长制作；冷弯试验合格：冷弯弯弧内径400mm，进行180度弯折，复合筋不发生断裂，弯弧的外侧无开裂现象；截面圆度均匀，质量可靠，极限抗拉强度10%以内；
水泥：采用普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级，碱含量≤0.6%；
砂：管芯混凝土采用天然砂或机制砂的中粗砂，细度模数2.3-3.2，级配良好，含泥量≤2%；
石：坚硬、清洁、级配良好的人工碎石、卵石，连续级配，最大粒径不超过30mm，且不得大于管芯内外混凝土层厚度的2/5；
减水剂：采用聚羧酸类减水剂，减水率不低于20%；或萘系减水剂；
掺合料：粉煤灰不低于F类Ⅱ级要求；磨细矿粉不低于S95级要求；硅灰二氧化硅含量不低于90%，活性指数不低于105%，复合阻锈剂防腐面积减水率不低于95%；
水：地下水或自来水，PH≥6；
短切玄武岩纤维：S、T类；拉伸强度≥1500MPa；公称长度S类：用于砂浆时3-15mm，用于混凝土时12-30mm；T类：6-60mm。
4.根据权利要求2所述的输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：步骤S1中包括以下步骤，
（1）收集确定管道应用信息，包括但不限于①管道公称内径、输送介质类型、管道工作压力、试验压力、水锤压力；②覆土深度、回填土类型及容重、管道埋设类型、地下水位线；③活荷载及恒载情况；④环境温度、湿度、管道室外存放时间、通水前埋设时间；
（2）确定使用材料物理性能，包括但不限于①玄武岩纤维复合筋的抗拉强度标准值、缠丝应力控制值、弹性模量、容重；② 薄钢板的抗拉强度标准值、弹性模量、容重；③混凝土的强度等级、弹性模量、抗压强度设计值、抗拉强度设计值、容重；④外保护层的类型种及对应的物理性能；
（3）确定管道基本参数，管道成型工艺类型、管道结构类型、管芯壁厚、保护层厚度、玄武岩纤维复合筋规格、薄钢板外径及规格；
（4）计算外部荷载、应力损失中间参数；
（5）计算确定配筋面积、玄武岩纤维复合筋规格、缠丝层数；
（6）按照设计输出配筋参数验算各部位的性能；
（7）最终确认设计输出参数，包括但不限于：管芯壁厚及混凝土强度、钢筒壁厚及外径、玄武岩纤维复合筋规格、控制应力、缠丝面积、缠丝层数及螺距、防护层类型及厚度；
（8）输出技术文件，包括但不限于：生产技术参数、产品生产图纸、生产保证文件、质量检验文件。
5.根据权利要求2所述的输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，采用离心成型工艺时，混凝土坍落度控制在3-6cm，离心通过慢速、升速、高速三个阶段进行,慢速时保证混凝土料均匀分散，升速应分3-5次均匀升速至高速，高速时保证混凝土线速度不低于600m/min，保证混凝土密实；采用立式振动成型时，混凝土坍落度控制在9-15cm，通过分料锥将混凝土分配到钢筒的内外侧，同时开启振动器，并保持内高外低，高差不超过0.5m。
6.根据权利要求2所述的输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：玄武岩纤维复合筋的螺旋间距，任意10个螺旋间距的平均值不得大于设计值，缠丝过程中控制玄武岩纤维复合筋拉力波动在5%以内，缠绕第一圈时缠丝拉力为设计拉力的50%，第二圈玄武岩纤维复合筋拉力达到设计拉力，当缠绕至管芯另一端时，再将玄武岩纤维复合筋通过锚固系统固定在管芯的另一端；
采用定长的玄武岩纤维复合筋或者连续长度超过10000m的产品以消除或减少玄武岩纤维复合筋接头，当需要双层缠丝时，在制作第一层钢丝防护层以后且具有相应的强度后，重复上述过程，缠丝时管芯的外表面温度≥5℃，最低温度不得低于2℃。
7.根据权利要求2所述的输配水用承压管道的制备方法，其特征在于：水泥砂浆或添加短切玄武岩纤维的水泥砂浆：采用自然养护时环境温度不得低于5℃，保护层至少静停4小时后方可进行洒水养护；采用蒸汽养护时升温速度≤25℃/小时，恒温温度控制在45-65℃范围内，砂浆强度达到设计强度的85%以上方可倒运；
混凝土或添加短切玄武岩纤维的混凝土：采用自然养护及蒸汽养护，保证脱模强度离心工艺时不低于30MPa，立式振动工艺时不低于20MPa，采用自然养护时环境温度应不低于5℃，并保持覆盖保湿，养护时间根据试验确定，采用蒸汽加速养护时应按照静停、升温、恒温、降温四个阶段制定养护制度，静停阶段时间不少于1小时；升温阶段升温速度不得高于22℃；恒温阶段，离心工艺温度控制在75±5℃范围内，最高温度不超过85℃，立式振动工艺温度控制在55±5℃范围内，最高温度不超过65℃。
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Inventor after: Ning Jinghua

Inventor after: Wei Dong

Inventor after: Li Shoukui

Inventor after: Gao Min

Inventor after: Li Daimao

Inventor after: Yue Chengjun

Inventor after: Me Zhendong

Inventor after: Wu Xudong

Inventor after: Li Ronggao

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Address after: 250117 room 323, 3 / F, Shanxin building, 2066 Qizhou Road, Huaiyin District, Jinan City, Shandong Province

Patentee after: POWERCHINA SHANDONG PIPELINE ENGINEERING Corp.,Ltd.

Patentee after: Guangdong water conservancy and electric power survey, design and Research Institute Co.,Ltd.

Patentee after: Sichuan errun Basalt Fiber Technology Co.,Ltd.

Patentee after: Sichuan woneng Investment Group Co.,Ltd.

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