工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 塑管混凝土界面密闭性能改善措施 王俊颜周田吕梁胜杨全兵 Improvement of plastic pipe-concrete interface impermeability WANG Jun-yan,ZHOU Tian,L Liang-sheng.YANG Quan-bing 引用本文： 王俊颜，周田，吕梁胜，杨全兵.塑管混凝土界面密闭性能改善措施[J].工程科学学报，2021,43(5)：647-655.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.06.21.002 WANG Jun-yan,ZHOU Tian,L Liang-sheng,YANG Quan-bing.Improvement of plastic pipeconcrete interface impermeability[J]. Chinese Journal of Engineering,.2021,435:647-655.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.06.21.002 在线阅读View online::htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2020.06.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018.40(10：1139htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.001 钢铁治金过程中的界面润湿性的基础 Fundamentals of interfacial wettability in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018,40(12：1434htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.002 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报.2017,397)：1070htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.07.013 超声外场对siC/7085复合材料颗粒微观团聚与界面结合的作用机理 Mechanism of ultrasonic field on the particle micro-agglomeration and interfacial bonding of SiCp/7085 composites 工程科学学报.2017,392：238 https:oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.011 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报.2017,399：1295 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.09.001 油水两相界面处缓蚀剂的作用效果及机理 Inhibition effect and mechanism of corrosion inhibitor at oil-water interface region 工程科学学报.2020,42(2：225 https:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.11.001
塑管混凝土界面密闭性能改善措施 王俊颜 周田 吕梁胜 杨全兵 Improvement of plastic pipe–concrete interface impermeability WANG Jun-yan, ZHOU Tian, L Liang-sheng, YANG Quan-bing 引用本文: 王俊颜, 周田, 吕梁胜, 杨全兵. 塑管混凝土界面密闭性能改善措施[J]. 工程科学学报, 2021, 43(5): 647-655. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002 WANG Jun-yan, ZHOU Tian, L Liang-sheng, YANG Quan-bing. Improvement of plastic pipeconcrete interface impermeability[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(5): 647-655. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(10): 1139 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.001 钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础 Fundamentals of interfacial wettability in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(12): 1434 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.002 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报. 2017, 39(7): 1070 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.013 超声外场对SiCp/7085复合材料颗粒微观团聚与界面结合的作用机理 Mechanism of ultrasonic field on the particle micro-agglomeration and interfacial bonding of SiCp/7085 composites 工程科学学报. 2017, 39(2): 238 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.011 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报. 2017, 39(9): 1295 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001 油水两相界面处缓蚀剂的作用效果及机理 Inhibition effect and mechanism of corrosion inhibitor at oil-water interface region 工程科学学报. 2020, 42(2): 225 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.11.001
工程科学学报.第43卷，第5期：647-655.2021年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.5:647-655,May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002;http://cje.ustb.edu.cn 塑管一混凝土界面密闭性能改善措施 王俊颜区，周田，吕梁胜，杨全兵 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804 ☒通信作者，E-mail:14529@tongji.edu.cn 摘要为改善塑管混凝土结构的界面密闭性能，研究了在塑管-混凝土界面粘贴一种双面压敏胶带一Preprufe胶带的作 用.通过界面黏结强度、界面渗水高度和界面透气性实验，测得塑管混凝土结构的界面黏结强度、界面渗水高度、气体压力一 时间衰减曲线，推导出界面渗透指数.试验结果表明.界面黏结强度与粘贴胶带的宽度的关系可初步认为符合幂函数分布， 压敏性粘合剂胶层与液态混凝土在硬化过程中形成的黏结强度远大于普通黏性层与塑管间的黏结强度.粘贴Preprufe胶带 可显著提高塑管-混凝土界面抗渗能力.界面渗透指数随粘贴胶带的宽度增大呈明显的递减趋势，粘贴220m宽胶带的塑 管混凝土试件界面渗透指数仅为基准塑管混凝土试件的2.86%.Preprufe双面压敏胶带在改善塑管-混凝土界面密闭性能上 有良好的表现.在工程应用中可综合考虑所需效果和价格成本来选取粘贴胶带的宽度 关键词塑管-混凝土界面：双面压敏胶带：界面黏结强度；界面渗水高度；界面透气性 分类号TU528.0 Improvement of plastic pipe-concrete interface impermeability WANG Jun-yan,ZHOU Tian,LU Liang-sheng,YANG Quan-bing Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China Corresponding author,E-mail:14529@tongji.edu.cn ABSTRACT Concrete structures,such as bridge piers and pile foundations,in tidal/splash zones and soil-air transition zones in saline environments often suffer more severe structural corrosion and reinforcement corrosion than the structures completely in water,soil,or air.The application of plastic-pipe concrete can effectively solve this problem.Plastic-pipe concrete is formed by pouring concrete into a large-diameter plastic pipe with a certain structural size.Plastic pipes can protect the bridge piers and eliminate the water level change area and the soil-air junction area in structural design,to realize the integrated anti-corrosion protection of the bridge piers in the saline environment.The anti-corrosion protection effect of the plastic-pipe-concrete system depends on the impermeability of the plastic pipe-concrete interface.The difference in linear expansion coefficient between the plastic pipe and concrete and the shrinkage of the core concrete will damage the bonding layer between the plastic pipe and concrete,consequently affecting the interface impermeability. To improve the impermeability of the plastic pipe-concrete interface,the effect of a pressure-sensitive adhesive tape(Preprufe double- sided tape)attached to the plastic pipe-concrete interface was studied.Experiments were conducted to determine the interfacial bond strength,interfacial water penetration height,and interfacial air permeability,and the gas pressure-time decay curve was measured,and the interface permeability index was deduced.The experiment results show that the relationship between the interfacial bond strength and the adhesive tape width can be preliminarily considered as a power function distribution.The bond strength formed between the pressure-sensitive adhesive layer and the liquid concrete during the hardening process is much greater than that between the ordinary adhesive tape and the plastic pipe.Pasting the Preprufe tapes can significantly improve the impermeability of the plastic pipe-concrete 收稿日期：2020-06-21 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51609172)：浙江省交通运输厅科技资助项目(2019-GCKY-01)
塑管−混凝土界面密闭性能改善措施 王俊颜苣，周 田，吕梁胜，杨全兵 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804 苣通信作者，E-mail：14529@tongji.edu.cn 摘 要 为改善塑管混凝土结构的界面密闭性能，研究了在塑管−混凝土界面粘贴一种双面压敏胶带——Preprufe 胶带的作 用. 通过界面黏结强度、界面渗水高度和界面透气性实验，测得塑管混凝土结构的界面黏结强度、界面渗水高度、气体压力− 时间衰减曲线，推导出界面渗透指数. 试验结果表明，界面黏结强度与粘贴胶带的宽度的关系可初步认为符合幂函数分布， 压敏性粘合剂胶层与液态混凝土在硬化过程中形成的黏结强度远大于普通黏性层与塑管间的黏结强度. 粘贴 Preprufe 胶带 可显著提高塑管−混凝土界面抗渗能力. 界面渗透指数随粘贴胶带的宽度增大呈明显的递减趋势，粘贴 220 mm 宽胶带的塑 管混凝土试件界面渗透指数仅为基准塑管混凝土试件的 2.86%. Preprufe 双面压敏胶带在改善塑管−混凝土界面密闭性能上 有良好的表现. 在工程应用中可综合考虑所需效果和价格成本来选取粘贴胶带的宽度. 关键词 塑管−混凝土界面；双面压敏胶带；界面黏结强度；界面渗水高度；界面透气性 分类号 TU528.0 Improvement of plastic pipe–concrete interface impermeability WANG Jun-yan苣 ，ZHOU Tian，LÜ Liang-sheng，YANG Quan-bing Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China 苣 Corresponding author, E-mail: 14529@tongji.edu.cn ABSTRACT Concrete structures, such as bridge piers and pile foundations, in tidal/splash zones and soil–air transition zones in saline environments often suffer more severe structural corrosion and reinforcement corrosion than the structures completely in water, soil, or air. The application of plastic-pipe concrete can effectively solve this problem. Plastic-pipe concrete is formed by pouring concrete into a large-diameter plastic pipe with a certain structural size. Plastic pipes can protect the bridge piers and eliminate the water level change area and the soil–air junction area in structural design, to realize the integrated anti-corrosion protection of the bridge piers in the saline environment. The anti-corrosion protection effect of the plastic-pipe –concrete system depends on the impermeability of the plastic pipe –concrete interface. The difference in linear expansion coefficient between the plastic pipe and concrete and the shrinkage of the core concrete will damage the bonding layer between the plastic pipe and concrete, consequently affecting the interface impermeability. To improve the impermeability of the plastic pipe–concrete interface, the effect of a pressure-sensitive adhesive tape (Preprufe doublesided tape) attached to the plastic pipe –concrete interface was studied. Experiments were conducted to determine the interfacial bond strength, interfacial water penetration height, and interfacial air permeability, and the gas pressure–time decay curve was measured, and the interface permeability index was deduced. The experiment results show that the relationship between the interfacial bond strength and the adhesive tape width can be preliminarily considered as a power function distribution. The bond strength formed between the pressure-sensitive adhesive layer and the liquid concrete during the hardening process is much greater than that between the ordinary adhesive tape and the plastic pipe. Pasting the Preprufe tapes can significantly improve the impermeability of the plastic pipe–concrete 收稿日期: 2020−06−21 基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目（51609172）；浙江省交通运输厅科技资助项目（2019-GCKY-01） 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期：647−655，2021 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 5: 647−655, May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002; http://cje.ustb.edu.cn
648 工程科学学报，第43卷，第5期 interface.The interfacial permeability index decreases with the increase in the adhesive tape width,and the interfacial permeability index coefficient of plastic pipe-concrete specimens with 220 mm-wide tape is only 2.86%of that of the specimens without tape.The Preprufe double-sided pressure-sensitive tape has good performance in improving the impermeability of plastic pipe-concrete interfaces.In engineering applications,the adhesive tape width can be selected based on the required effect and cost. KEY WORDS plastic pipe-concrete interface:double-sided pressure-sensitive tape;interfacial bond strength;interfacial water pene- tration height;interfacial airtightness 处在含盐环境下的潮汐/浪溅区和土壤-空气 的抗渗能力，但关键难题是寻找可以与液态混凝 过渡区这类环境的混凝土结构，例如桥梁的桥墩 土黏结的黏结剂.传统的防腐套是在已经硬化的 和桩基础，其结构物腐蚀和钢筋锈蚀破坏往往比 混凝土表面，用自带的黏结剂进行黏结，类似于粘 完全处在水中、土壤中以及大气区中的混凝土严 贴防水卷材的过程，但传统的黏结剂并不能实现 重得多-)对于上述的盐腐蚀环境，除了提高混 与新拌混凝土的黏结.美国GCP AT公司(Grace 凝土自身耐久性之外，实际工程仍需要附加的防 Construction Packing Applied Technologies Inc.) 护措施，才能保证混凝土结构的耐久性.目前腐蚀 产的Preprufe双面压敏胶带广泛应用于各大地下 环境下混凝土防护措施主要有涂层保护法B-]、钢 防水工程5-7，该胶带由3部分组成，如图2(a) 筋防腐蚀处理1，以及电化学防护9川等.此外， 所示，分别是黏性层、基层和Preprufe胶层，胶 通过给混凝土结构“穿”上柔性防护层来隔绝外界 带总厚度为0.5mm.其中黏性层是由普通的强黏 腐蚀性介质侵蚀的防腐套技术2-4也是解决这个 性固体胶组成，可以直接紧贴塑管的内壁； 难题的有效方案之一.防腐套在美国等发达国家 Preprufe胶层为压敏性粘合剂层以及丙烯酸基弹 的近海混凝土结构的防腐蚀措施中应用相当广 性体保护涂层的结合层，面向未浇注的混凝土，其 泛，然而防腐套技术的缺点在于：(1)防腐套的凸 表面具有微观的钩状物和孔隙，微观构造如 缘缝存在潜在渗水通道；(2)厚度不能太厚，否则 图2(b)所示.当混凝土浇注于塑管之内时，硬化产 不利于人工施工，但厚度太薄又容易破损；(3)施 生的水泥水化产物在压力下会和Preprufe胶的微 工费用昂贵，均需要潜水员进行水下部分的操作 观结构形成机械咬合作用，从而达到混凝土与 以及独立工期.采用塑管混凝土结构则可以解决 胶带的紧密黏结 上述问题，将具有一定结构尺寸的大口径塑管预 Concreting Concrete 置于钢模内，然后浇注混凝土一体化成型，从结构 设计上把桥墩、桩基等结构在水位变化区和土壤- 大气交界区中与侵蚀环境隔绝起来.塑管混凝土 Steel molo 体系没有结构缝，完全隔绝海水的渗透；在浇筑混 凝土柱时一体化成型，不需要后期的人工施工，节 约人工费：可以使用厚度大的塑管，能承受更严酷 的物理撞击和磨损：且管材为无缝管，可以对核心 混凝土提供径向约束力，提高混凝土结构的延性 Plastic pipe Plastic pipe 和韧性，同时也为核心混凝土的硬化阶段提供了 图1塑管-混凝土结构一体化成型 良好的养护环境 Fig.I Integrated molding of plastic pipe-concrete structure 1塑管混凝土结构 考虑到Preprufe双面压敏胶带昂贵的价格，在 实际应用时要将所有塑管内壁全都贴满是不现 塑管混凝土结构一体化成型如图1所示.在 实的.因此本文将通过界面黏结强度、界面渗水 此复合结构中，塑管混凝土结构中，塑管与混凝土 高度和界面透气性3组试验研究胶带宽度对塑 不同材料间线膨胀系数的差异以及核心混凝土的 管-混凝土界面密闭性能的影响，根据试验结果 收缩会使得塑管与混凝土之间的黏结层发生破 建立胶带宽度与界面渗透指数的关系模型，为 坏.采用黏结剂可有效提升塑管与后浇注混凝土 Preprufe双面压敏胶带在实际工程中的应用提供 间的黏结可靠度，进而大幅提高塑管-混凝土界面 理论依据
interface. The interfacial permeability index decreases with the increase in the adhesive tape width, and the interfacial permeability index coefficient of plastic pipe–concrete specimens with 220 mm–wide tape is only 2.86% of that of the specimens without tape. The Preprufe double-sided pressure-sensitive tape has good performance in improving the impermeability of plastic pipe –concrete interfaces. In engineering applications, the adhesive tape width can be selected based on the required effect and cost. KEY WORDS plastic pipe–concrete interface；double-sided pressure-sensitive tape；interfacial bond strength；interfacial water penetration height；interfacial airtightness 处在含盐环境下的潮汐/浪溅区和土壤−空气 过渡区这类环境的混凝土结构，例如桥梁的桥墩 和桩基础，其结构物腐蚀和钢筋锈蚀破坏往往比 完全处在水中、土壤中以及大气区中的混凝土严 重得多[1−2] . 对于上述的盐腐蚀环境，除了提高混 凝土自身耐久性之外，实际工程仍需要附加的防 护措施，才能保证混凝土结构的耐久性. 目前腐蚀 环境下混凝土防护措施主要有涂层保护法[3−5]、钢 筋防腐蚀处理[6−8] ，以及电化学防护[9−11] 等. 此外， 通过给混凝土结构“穿”上柔性防护层来隔绝外界 腐蚀性介质侵蚀的防腐套技术[12−14] 也是解决这个 难题的有效方案之一. 防腐套在美国等发达国家 的近海混凝土结构的防腐蚀措施中应用相当广 泛，然而防腐套技术的缺点在于：（1）防腐套的凸 缘缝存在潜在渗水通道；（2）厚度不能太厚，否则 不利于人工施工，但厚度太薄又容易破损；（3）施 工费用昂贵，均需要潜水员进行水下部分的操作 以及独立工期. 采用塑管混凝土结构则可以解决 上述问题，将具有一定结构尺寸的大口径塑管预 置于钢模内，然后浇注混凝土一体化成型，从结构 设计上把桥墩、桩基等结构在水位变化区和土壤− 大气交界区中与侵蚀环境隔绝起来. 塑管混凝土 体系没有结构缝，完全隔绝海水的渗透；在浇筑混 凝土柱时一体化成型，不需要后期的人工施工，节 约人工费；可以使用厚度大的塑管，能承受更严酷 的物理撞击和磨损；且管材为无缝管，可以对核心 混凝土提供径向约束力，提高混凝土结构的延性 和韧性，同时也为核心混凝土的硬化阶段提供了 良好的养护环境. 1 塑管混凝土结构 塑管混凝土结构一体化成型如图 1 所示. 在 此复合结构中，塑管混凝土结构中，塑管与混凝土 不同材料间线膨胀系数的差异以及核心混凝土的 收缩会使得塑管与混凝土之间的黏结层发生破 坏. 采用黏结剂可有效提升塑管与后浇注混凝土 间的黏结可靠度，进而大幅提高塑管−混凝土界面 的抗渗能力，但关键难题是寻找可以与液态混凝 土黏结的黏结剂. 传统的防腐套是在已经硬化的 混凝土表面，用自带的黏结剂进行黏结，类似于粘 贴防水卷材的过程，但传统的黏结剂并不能实现 与新拌混凝土的黏结. 美国 GCP AT 公司 (Grace Construction & Packing Applied Technologies Inc.) 生 产的 Preprufe 双面压敏胶带广泛应用于各大地下 防水工程[15−17] ，该胶带由 3 部分组成[18] ，如图 2（a） 所示 ，分别是黏性层、基层和 Preprufe 胶层 ，胶 带总厚度为 0.5 mm. 其中黏性层是由普通的强黏 性 固 体 胶 组 成 ， 可 以 直 接 紧 贴 塑 管 的 内 壁 ； Preprufe 胶层为压敏性粘合剂层以及丙烯酸基弹 性体保护涂层的结合层，面向未浇注的混凝土，其 表面具有微观的钩状物和孔隙 ，微观构造如 图 2（b）所示. 当混凝土浇注于塑管之内时，硬化产 生的水泥水化产物在压力下会和 Preprufe 胶的微 观结构形成机械咬合作用[19] ，从而达到混凝土与 胶带的紧密黏结. Concreting Concrete Plastic pipe Plastic pipe Demold Steel mold 图 1 塑管−混凝土结构一体化成型 Fig.1 Integrated molding of plastic pipe–concrete structure 考虑到 Preprufe 双面压敏胶带昂贵的价格，在 实际应用时要将所有塑管内壁全都贴满是不现 实的. 因此本文将通过界面黏结强度、界面渗水 高度和界面透气性 3 组试验研究胶带宽度对塑 管−混凝土界面密闭性能的影响，根据试验结果 建立胶带宽度与界面渗透指数的关系模型 ，为 Preprufe 双面压敏胶带在实际工程中的应用提供 理论依据. · 648 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期
王俊颜等：塑管-混凝土界面密闭性能改善措施 649. (a) 2实验方案与测试方法 Preprufe adhesive 2.1实验试件的制备 Interlayer- 塑管的选择要综合考虑最大可造公称外径、延 Normal adhesive 展性、耐腐蚀耐老化性等几个重要因素，目前己广泛 (b) 应用于市政工程地下排水管道的大口径塑管20-2 如高密度聚乙烯(HDPE)管、聚氯乙烯(PVC)管和玻 璃钢夹砂管(FRP)管均可用于塑管混凝土结构.本 文中实验均采用HDPE管，公称压力为1.0MPa,公 称外径为110mm,厚度为6.6mm.混凝土原材料如 下：水泥选用上海宝山水泥厂生产的42.5普通硅酸 图2 Preprufe胶带的宏观与微观构造图.(a)宏观构造图：(b,c)微观 盐水泥；所用砂为河砂，细度模数为2.8：粗骨料选用 构造图 普通碎石，粒径为5~20mm:拌和水使用自来水；减 Fig.2 Macrostructure and microstructure of the Preprufe tape: 水剂采用花王迈地100萘系减水剂粉剂，混凝土坍 (a)macrostructure;(b,c)microstructure 落度控制在18±2cm.混凝土配合比如表1所示 表1C40混凝土配合比及基本性能 Table 1 C40 concrete mix ratio and basic performance Water /(kg'm)Cement /(kg'm) Fine aggregate /(kg-m) Coarse aggregate /(kg'm)Slump /cm 28 d compressive strength /MPa 176 352 732 1140 18 52.0 塑管混凝土试件尺寸为110mm×220mm,3个试 2.2界面黏结强度测试方法 件为一组.研究采用3种宽度的Preprufe双面胶带，分 本文采用塑管一混凝土界面黏结强度的试验 别为220、110和55mm(塑管混凝土试件高度的1倍、 方法四示意图如图4.塑管混凝土的下端放置于 1/2倍和1/4倍)，对应的塑管混凝土试件的编号分别为 一个特制钢环之上，钢环的内径比塑管混凝土内 PRE-220、PRE-110和PRE-55;基准塑管混凝土编号定 径大2mm;上端放置一块比塑管内径略小的垫板.试 为PRE-0,即无粘贴胶带（胶带宽度为0），如图3所示 验前确保所有物件的轴心重合，以避免偏心加载， 每种编号的塑管混凝土试件分别成型3组试 然后使用压力机进行加载，加载速度定为0.05kNs, 件，然后分别进行塑管-混凝土的界面黏结强度、 记录核心混凝土从塑管推出的最大荷载值 界面渗水高度和界面透气性的测试，由于界面渗 界面黏结强度τ的计算公式如式(1) 水高度试验所用的试件与其他两种测试方法不 P 同，在粘贴胶带时塑管内外侧均有粘贴，并且粘贴 (1) 的位置在塑管的下半段，与压力水直接接触.由于 式中：P为荷载，kN;S为塑管内壁表面积，m 塑管外侧的混凝土高度(150mm)低于塑管内混凝 2.3 界面渗水高度测试方法 土高度(220mm),PRE-220试件的塑管外侧与混 界面渗水高度试验的示意图如图5，试验方法 凝土的黏结部分只有150mm 参考了水工DLT5150一2001标准P]试件成型时 mm 220mm 9 PRE-0 PRE-55 PRE-110 PRE-220 图3粘贴Preprufe双面胶带的塑管-混凝土试件 Fig.3 Plastic pipe-concrete specimens with the Preprufe double-sided tape
2 实验方案与测试方法 2.1 实验试件的制备 塑管的选择要综合考虑最大可造公称外径、延 展性、耐腐蚀耐老化性等几个重要因素，目前已广泛 应用于市政工程地下排水管道的大口径塑管[20−21] 如高密度聚乙烯（HDPE）管、聚氯乙烯（PVC）管和玻 璃钢夹砂管（FRP）管均可用于塑管混凝土结构. 本 文中实验均采用 HDPE 管，公称压力为 1.0 MPa，公 称外径为 110 mm，厚度为 6.6 mm. 混凝土原材料如 下：水泥选用上海宝山水泥厂生产的 42.5#普通硅酸 盐水泥；所用砂为河砂，细度模数为 2.8；粗骨料选用 普通碎石，粒径为 5～20 mm；拌和水使用自来水；减 水剂采用花王迈地 100 萘系减水剂粉剂，混凝土坍 落度控制在 18±2 cm. 混凝土配合比如表 1 所示. 表 1 C40 混凝土配合比及基本性能 Table 1 C40 concrete mix ratio and basic performance Water /(kg·m−3) Cement /(kg·m−3) Fine aggregate /(kg·m−3) Coarse aggregate /(kg·m−3) Slump /cm 28 d compressive strength /MPa 176 352 732 1140 18 52.0 塑管混凝土试件尺寸为 ϕ110 mm×220 mm，3 个试 件为一组. 研究采用 3 种宽度的 Preprufe 双面胶带，分 别为 220、110 和 55 mm（塑管混凝土试件高度的 1 倍、 1/2 倍和 1/4 倍），对应的塑管混凝土试件的编号分别为 PRE-220、PRE-110 和 PRE-55；基准塑管混凝土编号定 为 PRE-0，即无粘贴胶带（胶带宽度为 0），如图 3 所示. 每种编号的塑管混凝土试件分别成型 3 组试 件，然后分别进行塑管−混凝土的界面黏结强度、 界面渗水高度和界面透气性的测试. 由于界面渗 水高度试验所用的试件与其他两种测试方法不 同，在粘贴胶带时塑管内外侧均有粘贴，并且粘贴 的位置在塑管的下半段，与压力水直接接触. 由于 塑管外侧的混凝土高度（150 mm）低于塑管内混凝 土高度（220 mm） ，PRE-220 试件的塑管外侧与混 凝土的黏结部分只有 150 mm. 2.2 界面黏结强度测试方法 本文采用塑管−混凝土界面黏结强度的试验 方法[22] 示意图如图 4. 塑管混凝土的下端放置于 一个特制钢环之上，钢环的内径比塑管混凝土内 径大 2 mm；上端放置一块比塑管内径略小的垫板. 试 验前确保所有物件的轴心重合，以避免偏心加载， 然后使用压力机进行加载，加载速度定为 0.05 kN·s−1 ， 记录核心混凝土从塑管推出的最大荷载值. 界面黏结强度 τ 的计算公式如式（1） τ= P S （1） 式中：P 为荷载，kN；S 为塑管内壁表面积，m 2 . 2.3 界面渗水高度测试方法 界面渗水高度试验的示意图如图 5，试验方法 参考了水工 DL/T 5150—2001 标准[23] . 试件成型时 (a) Preprufe adhesive Interlayer Normal adhesive (b) (c) 图 2 Preprufe 胶带的宏观与微观构造图. （a）宏观构造图；（b, c）微观 构造图 Fig.2 Macrostructure and microstructure of the Preprufe tape: (a) macrostructure; (b, c) microstructure 55 mm PRE-0 PRE-55 PRE-110 PRE-220 110 mm 220 mm 图 3 粘贴 Preprufe 双面胶带的塑管−混凝土试件 Fig.3 Plastic pipe–concrete specimens with the Preprufe double-sided tape 王俊颜等： 塑管−混凝土界面密闭性能改善措施 · 649 ·
650 工程科学学报，第43卷，第5期 K=mD品 (3) 2tH 2.4界面透气性测试方法 Concrete 塑管混凝土的界面透气性测试的测试原理与 Martin2提出的混凝土透气性测试原理相同，都是 Plastic pipe 时间变量-压力差测试方法，即具有相同初始压力 4 的密闭容器中的压缩气体通过管道对测试舱中的 测试体进行渗透，然后测试密闭容器的压力衰减 曲线来表征测试体的渗透性，压力衰减越慢，说明 Steel ring 测试体的渗透性越差，密实性越高.界面透气性测 图4塑管混凝土黏结强度的测试 试系统如图6所示，测试前先检查装置气密性，然 Fig.4 Bond strength test of plastic-pipe/concrete 后关闭阀门2、打开阀门1和阀门3，开启电子压 塑管预置于成型抗渗试件的钢模中，然后浇筑混 力表，开启空气压缩机，在储气罐压力达到200kPa 凝土一体化成型，试件形状如图5右上方所示，相 时关闭压缩机，误差控制在0.3%：打开阀门2，储 当于在普通混凝土抗渗试件内部形成塑管-混凝 气罐内的压缩空气通过塑管混凝土进行渗透，其 土界面.由于塑管-混凝土界面的渗透性要远大于混 压力从200kPa开始衰减，电脑实时记录储气罐的 凝土的渗透性（初步试验证明），可以认为压力水 压力-时间衰减曲线，数据采集频率为1Hz:当压 在混凝土中的渗透不会影响其在界面中的渗透 力衰减至30kPa时停止测试 a Water penetration Gas compressor specimen Airtight teel mold gasholder Computer Plastic pipe Electronic pressure Valve 2 gauge 0.8 MPa water,24 h n 图5界面渗水高度试验示意图 Gas compressor Test module Fig.5 Interfacial water penetration height 试件24h后拆模进行水养护.试件达到28d 龄期后套入普通混凝土抗渗试件用的钢模，然后 安装到混凝土抗渗仪上，水压调整到0.8MPa恒 Electronic 压，计时24h后停止实验.将试件塑管内外侧的混 Airtight pressure gauge Computer 凝土分开，然后将核心混凝土的外表面十等分，测 gasholder 量其界面平均渗水高度；再将核心混凝土沿竖向 图6界面透气性测试系统.(a)示意图：(b)实物图 对半切开，测量混凝土自身渗水高度，与界面渗水 Fig.6 Interface airtightness test system:(a)diagram;(b)objects 高度相比较 在得到储气罐的压力-时间衰减曲线后，如何 混凝土的渗水高度Dm与其所受压力水头H 从曲线中获得有效的参数来评估界面气密性的大 及施压时间1的乘积的平方根成正比，如公式(2) 小是关键.最为简单有效的参数是储气罐中压力 所示 从200kPa衰减到一定压力值（本文为30kPa)时消 Dm=V2tHKw/m (2) 耗的时间，定义为衰减时间4衰减时间a越长， 式中：Kw混凝土液体渗透系数（透水系数，cms)； 说明界面气密性越好，然而衰减压力值的决定取 m为混凝土空隙率，通常取m=0.03.混凝土液体渗 决于主观因素，不同的衰减压力值对应不同的衰 透系数Kw通过换算得到式(3) 减时间.假如仅用于横向对比等简单分析的话，衰
塑管预置于成型抗渗试件的钢模中，然后浇筑混 凝土一体化成型，试件形状如图 5 右上方所示，相 当于在普通混凝土抗渗试件内部形成塑管−混凝 土界面. 由于塑管−混凝土界面的渗透性要远大于混 凝土的渗透性（初步试验证明），可以认为压力水 在混凝土中的渗透不会影响其在界面中的渗透. Plastic pipe Water penetration specimen 0.8 MPa water, 24 h Steel mold 图 5 界面渗水高度试验示意图 Fig.5 Interfacial water penetration height 试件 24 h 后拆模进行水养护. 试件达到 28 d 龄期后套入普通混凝土抗渗试件用的钢模，然后 安装到混凝土抗渗仪上，水压调整到 0.8 MPa 恒 压，计时 24 h 后停止实验. 将试件塑管内外侧的混 凝土分开，然后将核心混凝土的外表面十等分，测 量其界面平均渗水高度；再将核心混凝土沿竖向 对半切开，测量混凝土自身渗水高度，与界面渗水 高度相比较. 混凝土的渗水高度 Dm 与其所受压力水头 H 及施压时间 t 的乘积的平方根成正比[24] ，如公式（2） 所示 Dm = √ 2tHKw/m （2） 式中：Kw 混凝土液体渗透系数（透水系数，cm·s−1）； m 为混凝土空隙率，通常取 m=0.03. 混凝土液体渗 透系数 Kw 通过换算得到式（3） Kw = m· D 2 m 2tH （3） 2.4 界面透气性测试方法 塑管混凝土的界面透气性测试的测试原理与 Martin[25] 提出的混凝土透气性测试原理相同，都是 时间变量−压力差测试方法，即具有相同初始压力 的密闭容器中的压缩气体通过管道对测试舱中的 测试体进行渗透，然后测试密闭容器的压力衰减 曲线来表征测试体的渗透性，压力衰减越慢，说明 测试体的渗透性越差，密实性越高. 界面透气性测 试系统如图 6 所示，测试前先检查装置气密性，然 后关闭阀门 2、打开阀门 1 和阀门 3，开启电子压 力表，开启空气压缩机，在储气罐压力达到 200 kPa 时关闭压缩机，误差控制在±0.3%；打开阀门 2，储 气罐内的压缩空气通过塑管混凝土进行渗透，其 压力从 200 kPa 开始衰减，电脑实时记录储气罐的 压力−时间衰减曲线，数据采集频率为 1 Hz；当压 力衰减至 30 kPa 时停止测试. Gas compressor Test module Airtight gasholder Electronic pressure gauge Computer Valve 3 (a) (b) Valve 2 Valve 1 Gas compressor Airtight gasholder Computer Electronic pressure gauge 图 6 界面透气性测试系统. （a）示意图；（b）实物图 Fig.6 Interface airtightness test system: (a) diagram; (b) objects 在得到储气罐的压力−时间衰减曲线后，如何 从曲线中获得有效的参数来评估界面气密性的大 小是关键. 最为简单有效的参数是储气罐中压力 从 200 kPa 衰减到一定压力值（本文为 30 kPa）时消 耗的时间，定义为衰减时间 td . 衰减时间 td 越长， 说明界面气密性越好. 然而衰减压力值的决定取 决于主观因素，不同的衰减压力值对应不同的衰 减时间. 假如仅用于横向对比等简单分析的话，衰 Concrete Steel ring Load Plastic pipe 图 4 塑管混凝土黏结强度的测试 Fig.4 Bond strength test of plastic-pipe/concrete · 650 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期