CN210661715U - 一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，包括PCCP管，所述PCCP管的两端设有管芯接缝，所述PCCP管的内壁上设有一层高压缩弹性垫层，所述高压缩弹性垫层的内壁上覆有一层碳纤维层，所述碳纤维层的内壁上覆有一层防护层，所述环氧封边涂层涂覆在PCCP管的管口处，所述环氧封边涂层包括一体的封边部和搭边部，所述封边部直接涂覆在PCCP管的内壁上，所述搭边部搭接在防护层的内壁上。本实用新型的优点在于：在碳纤维与PCCP内壁混凝土表面之间增设一层高压缩弹性垫层，通过高压缩弹性垫层预先压缩变形，让碳纤维预先受力承载后再与管道共同受力，缓解碳纤维布加固应力滞后问题，大幅提高PCCP构件的开裂荷载，显著改善PCCP结构的工作性能。

Description

一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构

技术领域

本实用新型涉及管道结构技术领域，特别是一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP) 是在带钢筒的混凝土管芯上螺旋缠绕预应力高强钢丝，并喷涂水泥砂浆保护层和环氧煤沥青防腐涂层而制成的复合管材。主要由管芯混凝土、钢筒、预应力钢丝和保护层砂浆四部分组成。预应力钢筒混凝土管具有大口径和高工作压力等特点，广泛应用于长距离引水和供水工程、过路及过河压力虹吸管道工程、大型火力发电厂和核电站的循环水管道工程、雨水排污管道工程、工业供水及废水处理工程等，它既充分发挥了钢丝的高强性和钢筒密封性，又较好地利用了混凝土的抗压和耐腐蚀性。

PCCP也会和其他管材一样，在制造、施工及运行过程，也会出现一些问题，如有多种原因会造成钢丝损伤或腐蚀，钢丝腐蚀到一定程度后出现断裂，所在部位管道安全性能下降，如果腐蚀进一步发展，同一部位将出现更多断丝。随着预应力钢丝断裂数目的增加，PCCP的预应力减小，从而引起砂浆保护层和混凝土管芯出现裂缝，一旦断丝数目达到临界值，钢筒可能发生屈服破损，并导致整个PCCP破坏，甚至发生爆管事故。爆管具有突发性、灾难性，事先没有征兆，爆管发生后，并不仅仅限于管道供水中断，还会引起社会舆论和公众关注，甚至成为不利于社会安定的因素。

由于材料特性的差异，传统的碳纤维增强复合材料(CFRP)加固PCCP技术存在一些固有的技术缺陷。混凝土的开裂应变与碳纤维的极限拉应变相差甚远，碳纤维在较低的应力水平下混凝土就已经开裂。故直接粘贴碳纤维难以抑制PCCP结构的变形、裂缝的发展和外侧预应力钢丝的断裂，使碳纤维材料的高强度优势不能得到有效发挥，导致用碳纤维布加固PCCP效果不明显。传统碳纤维加固为了保证不发生爆管，往往需要在PCCP内壁增设多层碳纤维来达到设计要求，加固成本投资巨大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，包括PCCP管，所述PCCP 管的两端设有管芯接缝，所述PCCP管的内壁上设有一层高压缩弹性垫层，所述高压缩弹性垫层的内壁上覆有一层碳纤维层，所述碳纤维层的内壁上覆有一层防护层，环氧封边涂层涂覆在PCCP管的管口处，所述环氧封边涂层包括一体的封边部和搭边部，所述封边部直接涂覆在PCCP管的内壁上，所述搭边部搭接在防护层的内壁上。

进一步地，所述封边部的厚度为高压缩弹性垫层、碳纤维层、防护层和搭边部的厚度总和。

进一步地，所述防护层由SK刮涂聚脲防护材料制成。

进一步地，所述高压缩弹性垫层的厚度不低于5mm。

进一步地，所述碳纤维层的厚度为1～2mm。

进一步地，所述防护层的厚度为1～2mm。

进一步地，所述搭边部的厚度为1～2mm。

进一步地，所述高压缩弹性垫层的压缩率大于40％，断裂伸长率大于90％，拉伸强度大于2.0MPa，与混凝土粘结强度大于1.0MPa。

进一步地，所述封边部的封边长度不低于20mm，所述搭边部的搭接长度不低于20mm。

本实用新型具有以下优点：

1、在碳纤维与PCCP内壁混凝土表面之间增设一层高压缩弹性垫层，管内内水压力通过防护层作用于碳纤维上，碳纤维产生径向位移的同时压缩高压缩弹性垫层，高压缩弹性垫层经过压缩后可进一步为碳纤维的径向位移增长提供空间，通过高压缩弹性垫层预先压缩变形，从而能将更多的内水压力传递给碳纤维，发挥碳纤维轻质高强特点，让碳纤维预先受力承载后再与管道共同受力，缓解碳纤维布加固应力滞后问题，大幅提高PCCP构件的开裂荷载，显著改善 PCCP结构的工作性能。

2、在相同的内水压力下，预应力碳纤维加固方法中碳纤维的径向位移囊括了高压缩弹性垫层的压缩量，导致碳纤维环向位移增大，进而提高了碳纤维的环向应力，使碳纤维承担更多的内水压力，有效降低PCCP所承担的内水压力，预应力碳纤维加固方法能够实现碳纤维布与PCCP联合承受内水压力的效果，达到有效加固PCCP的目的。

3、预应力碳纤维加固方式可有效地抑制PCCP的变形和裂缝的扩展，由于碳纤维与混凝土之间存在一层缓冲垫层，当混凝土由微观裂缝转入宏观裂缝，碳纤维丝不容易因为混凝土的宏观裂缝的扩大而分离，保证了碳纤维工作的有效性。

4、最大限度发挥了碳纤维布高强的特性，进而减少了传统补强加固技术中碳纤维的粘贴厚度，可以降低PCCP补强加固的成本。

5、采用环氧涂层搭接的形式进行压边处理，充分利用环氧涂层粘接强度高的优势，可以避免因水流冲刷引起的碳纤维脱落、翘起等，增加碳纤维加固体系的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本实用新型的剖视结构示意图；

图2为图1中A处放大结构示意图；

图中：1-PCCP管，2-高压缩弹性垫层，3-碳纤维层，4-防护层，5-环氧封边涂层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1和图2所示，一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，包括PCCP管1，所述PCCP管1的两端设有管芯接缝，所述PCCP管1的内壁上设有一层高压缩弹性垫层2，所述高压缩弹性垫层2的内壁上覆有一层碳纤维层 3，所述碳纤维层3的内壁上覆有一层防护层4，环氧封边涂层5涂覆在PCCP 管1的管口处，所述环氧封边涂层5包括一体的封边部5a和搭边部5b，所述封边部5a直接涂覆在PCCP管1的内壁上，所述搭边部5b搭接在防护层4的内壁上。高压缩弹性垫层2是由异氰酸酯预聚体、胺类化合物、可溶性填料及助剂等混合而成一种高性能涂料，将涂料分层刮涂在混凝土表面，固化后形成海绵状可压缩弹性垫层。

进一步地，所述封边部5a的厚度为高压缩弹性垫层2、碳纤维层3、防护层4和搭边部5b的厚度总和。

进一步地，所述防护层4由SK刮涂聚脲防护材料制成。

进一步地，所述高压缩弹性垫层2的厚度不低于5mm。

进一步地，所述碳纤维层3的厚度为1～2mm。

进一步地，所述防护层4的厚度为1～2mm。

进一步地，所述搭边部5b的厚度为1～2mm。

进一步地，所述高压缩弹性垫层2的压缩率大于40％，断裂伸长率大于90％，拉伸强度大于2.0MPa，与混凝土粘结强度大于1.0MPa。

进一步地，所述封边部5a的封边长度不低于20mm，所述搭边部5b的搭接长度不低于20mm。

环氧防护涂层材料是采用环氧/醚氨酯杂合体系对冷固化环氧树脂进行内增塑，通过分子结构设计，采用不同链段固化剂进行固化，通过其协同效果，具备适合的韧性及断裂伸长率。该材料具有高韧性、高抗渗性、抗冲磨性、粘结强度高和无毒耐腐蚀等特点，适用于隧洞混凝土表面防护、降低混凝土表面糙率、调压室闭气防护等。主要物理力学性能见表1。

表1环氧防护涂层材料物理力学性能

由于管道内部受到水流冲刷，涂层在接缝部位容易发生翘起、剥落、大面积破坏等情况，故在碳纤维加固体系与管道接缝20cm范围内，采用环氧涂层搭接的形式进行压边处理，充分利用环氧涂层粘接强度高的优势，增加碳纤维加固体系的稳定性和安全性。

环氧涂层操作工艺

环氧防护涂层材料适用于隧洞混凝土表面防护、降低混凝土表面糙率、调压室闭气防护等。具体施工工序如下：

(1)首先用打磨机对PCCP管迎水面混凝土衬砌表面进行打磨，并用高压水枪清洗，露出坚实的基面，确保涂层与基底粘结牢固；清洗打磨后的基底表面应尽可能洁净；

(2)对局部的蜂窝、孔洞和不平整面，先用聚合物纤维水泥砂浆修补找平；

(3)涂刷环氧防护涂层配套的界面剂；

(4)待界面剂干燥后，采用滚涂或刮涂的方式涂刷环氧防护涂层，直至设计厚度，涂层厚度应不小于1.5mm；

(5)涂刷好的涂层需要进行养护，养护期最好为7天以上，至少为3天。

对钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构进行测试：

室内模型试验结果表明，管径为0.75m的输水管道内壁采用预应力碳纤维加固方案相较于传统碳纤维加固方案，在1.0MPa内水压力的情况下碳纤维应力水平可以提高11～17倍。预应力碳纤维对应的钢筒外侧的环向应变由于碳纤维承担更多内水压力，较传统碳纤维的环向应变有较大降幅，当内水压力为1.0MPa 时，预应力碳纤维对应的钢筒外部的微应变值与传统碳纤维加固对应的钢筒外侧的微应变值相比降低40％以上。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，包括PCCP管(1)，所述PCCP管(1)的两端设有管芯接缝，其特征在于：所述PCCP管(1)的内壁上设有一层高压缩弹性垫层(2)，所述高压缩弹性垫层(2)的内壁上覆有一层碳纤维层(3)，所述碳纤维层(3)的内壁上覆有一层防护层(4)，环氧封边涂层(5)涂覆在PCCP管(1)的管口处，所述环氧封边涂层(5)包括一体的封边部(5a)和搭边部(5b)，所述封边部(5a)直接涂覆在PCCP管(1)的内壁上，所述搭边部(5b)搭接在防护层(4)的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述封边部(5a)的厚度为高压缩弹性垫层(2)、碳纤维层(3)、防护层(4)和搭边部(5b)的厚度总和。

3.根据权利要求1所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述防护层(4)由SK刮涂聚脲防护材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述高压缩弹性垫层(2)的厚度不低于5mm。

5.根据权利要求1所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述碳纤维层(3)的厚度为1～2mm。

6.根据权利要求1或3所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述防护层(4)的厚度为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述搭边部(5b)的厚度为1～2mm。

8.根据权利要求1或4所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述高压缩弹性垫层(2)的压缩率大于40％，断裂伸长率大于90％，拉伸强度大于2.0MPa，与混凝土粘结强度大于1.0MPa。

9.根据权利要求1、2或7所述的一种钢筒混凝土管的预应力碳纤维补强加固结构，其特征在于：所述封边部(5a)的封边长度不低于20mm，所述搭边部(5b)的搭接长度不低于20mm。

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