PCCP断丝管内部补强加固方法及补强组合结构

摘要

本发明公开了一种PCCP断丝管内部补强加固方法，其包括以下步骤：步骤A：根据施工设计，准备DXE弹性材料、碳纤维片材材料；步骤B：检查并修补平整PCCP混凝土管芯内表面，将修补后的混凝土管芯内表面清洗干净并干燥。本发明PCCP断丝管内部补强加固方法，充分利用各材料的自身特点，不需要沿管线外部开挖，施工方法简便快速、投资节省、防渗效果优异、抗冲磨性能好、无毒环保，可用于饮用水工程断丝管补强加固施工。本发明充分发挥补强防渗复合里衬组合结构的各种材料的性能优势，进行最佳组合，其组成结构搭配合理，PCCP断丝管整体结构补强效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种施工方法，特别是涉及一种PCCP断丝管内部补强加固方法及补强组合结构。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝以及砂浆保护层构成的复合结构，其强度取决于缠绕在混凝土管芯上的预应力钢丝，钢丝在管芯上产生均匀的压预应力，能够抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。在制造、施工及使用的过程，存在多种原因造成钢丝损伤或腐蚀，使得PCCP内钢丝发生断丝，随着预应力钢丝断裂数目的增加，管道的预应力减小，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，并导致整个管子破坏，甚至造成爆管事故。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，还会引起洪灾以及公共安全事故。目前，对存在断丝的预应力钢筒混凝土管(PCCP)补强加固措施主要有外包混凝土、后张法(体外预应力)、换管、穿管等方法。这些方法需要沿管线在外部开挖，对于市内工程既不可行也不经济。且上述方法得到的补强组合结构成本高、防渗效果差抗冲磨性能差，适应变形能力差。

发明内容

本发明的目的是提供PCCP断丝管内部补强加固方法及补强组合结构，该补强加固方法具有施工简便快速、节省投资，该补强结构具有防渗效果优异、抗冲磨性能好、无毒环保、适应变形能力强的优点。

为解决上述技术问题，本发明的提供一种PCCP断丝管内部补强加固方法，其包括以下步骤：

步骤A：根据施工设计，准备DXE弹性材料、碳纤维片材材料；

步骤B：检查并修补平整PCCP混凝土管芯内表面，将修补后的混凝土管芯内表面清洗干净并干燥；

步骤C：将至少一层碳纤维增强复合板粘贴到混凝土管芯内表面，并对粘贴到混凝土管芯内表面的碳纤维增强复合板养护一定时间，使其初期固化；

步骤D：养护结束后，在所述碳纤维增强复合板的表面涂覆一层界面剂，然后在所述碳纤维增强复合板的表面均匀涂覆一定厚度的由DXE弹性材料形成的DXE弹性涂层，并对所述DXE弹性涂层养护一定时间。

所述碳纤维增强复合板包括至少一层纵向碳纤维布、至少一层环向碳纤维布以及浸渍胶，所述碳纤维增强复合板与PCCP断丝管联合作用，承受管线中的荷载。

所述步骤C中，所述PCCP混凝土管芯内表面粘贴所述碳纤维布前，将所述浸渍胶均匀涂覆在所述混凝土管芯内表面；

所述浸渍胶的涂覆量为500～600g/m²。

所述步骤C中，对每层所述碳纤维增强复合板的养护时间为20-30小时。

所述DXE弹性材料为环氧砂浆、聚脲类材料或者两者的组合，所述DXE弹性材料的拉伸强度大于12MPa，扯断伸长率大于6％，附着力大于2.5MPa，耐磨性小于30mg；

所述步骤D中，所述一定厚度的DXE弹性涂层经过多次涂刷形成，每次涂刷的时间间隔至少为24小时；

所述DXE弹性涂层需在5℃以上的环境中养护至少72小时；

所述DXE弹性涂层与碳纤维增强复合板CFRP粘贴强度≧2.0MPa。

当PCCP断丝管内工作压力为P_w，P_w≦0.5MPa时，所述步骤C中，粘贴第一层纵向碳纤维布，然后依序粘贴第一层和第二层环向碳纤维布，所述步骤D中，最后再涂覆2mmDXE弹性涂层；

当PCCP断丝管内工作压力为P_w，0.5MPa＜P_w≦1.0MPa时，所述步骤C中粘贴第一层纵向碳纤维布，再粘贴第一层、第二层以及第三层环向碳纤维布，所述步骤D中，最后再涂覆2mmDXE弹性涂层；

当PCCP断丝管内工作压力为P_w，1.0MPa＜P_w≦1.5MPa时，所述步骤C中依序粘贴第一层纵向碳纤维布，然后依序粘贴第一层、第二层环向碳纤维布，再粘贴第二层纵向碳纤维布，最后粘贴第三层和第四层环向碳纤维布，所述步骤D中，最后，涂覆3mmDXE弹性涂层；

当PCCP断丝管内工作压力为P_w，1.5MPa＜P_w≦2.0MPa时，所述步骤C中，首先粘贴第一层纵向碳纤维布，依序粘贴第一层和第二层环向碳纤维布后，再粘贴第二层纵向碳纤维布，然后依序粘贴第三层、第四层以及第五层环向碳纤维布，所述步骤D中，最后，涂覆3mmDXE弹性涂层。

本发明提供一种由上述方法制备的补强防渗复合里衬组合结构，其包括：

PCCP断丝管内侧表面上粘贴有至少一层纵向碳纤维布，在所述纵向碳纤维布的表面粘贴有至少一层环向碳纤维布，在所述环向碳纤维布上涂覆有一层DXE弹性涂层。

所述PCCP断丝管内侧表面上粘贴有第一层纵向碳纤维布，在所述第一层纵向碳纤维布的表面上依次粘贴有第一层和第二层环向碳纤维布，在所述第二层环向碳纤维布的外侧表面上涂覆有一层1mm至5mm的DXE弹性涂层。

所述PCCP断丝管内侧表面上粘贴有第一层纵向碳纤维布，在所述纵向碳纤维布的表面上依次粘贴有第一层、第二层以及第三层环向碳纤维布，在所述第三层环向碳纤维布的外侧表面上涂覆有一层1mm至5mmDXE弹性涂层。

所述PCCP断丝管内侧表面上粘贴有第一层纵向碳纤维布，在所述第一层纵向碳纤维布的表面上依次粘贴有第一层和第二层环向碳纤维布，在所述第二层环向碳纤维布表面上再粘贴有第二层纵向碳纤维布，在所述第二层纵向碳纤维布的表面上依序粘贴有第三层和第四层环向碳纤维布，在所述第四层碳纤维布的表面上涂覆有一层1mm至5mmDXE弹性涂层。

本发明的PCCP断丝管内部补强加固方法以及补强防渗复合里衬组合结构具有以下有益技术效果：

本发明的全新的PCCP断丝管内部补强加固方法，该方法充分利用碳纤维的抗拉强度大、承载能力强以及DXE弹性涂层防渗效果优异和适应变形能力强的特点，在断丝管管芯混凝土内表面粘贴1-2层纵向碳纤维布和3-5层环向碳纤维布，由多层碳纤维布和浸渍胶形成碳纤维增强复合板。然后在CFRP表面涂刷1mm-5mm的DXE弹性涂层，起到防渗和CFRP表面防护作用。本发明补强加固方法具有安全可靠、施工工艺合理以及不需要在管线外部开挖，施工速度快的优点。CFRP和DXE弹性涂层在断丝管内壁形成补强防渗复合里衬组合结构，该补强结构与PCCP断丝管联合作用，承受管线中的荷载，从管线内部解决了断丝管承载能力不足的技术难题，该补强结构的防渗效果优异、抗冲磨性能好、PCCP断丝管整体结构补强效果好。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是内衬式预应力钢筒混凝土管的结构示意图；

图2为埋置式预应力钢筒混凝土管的结构示意图；

图3为本发明的补强防渗复合里衬组合结构的纵剖面图；

图4为本发明的补强防渗复合里衬组合结构的横剖面图；

图5为本发明的一实施例的补强防渗复合里衬组合结构的示意图；

图6为本发明的又一实施例的补强防渗复合里衬组合结构的示意图；

图7为本发明的又一实施例的补强防渗复合里衬组合结构的示意图；

图8为本发明的又一实施例的补强防渗复合里衬组合结构的示意图。

具体实施方式

预应力钢筒混凝土管PCCP有2种型式：第一种预应力钢筒混凝土管，请配合参阅图1所示，混凝土管芯包括钢筒以及内衬管芯混凝土14，直接缠绕在钢筒外侧的高强度的应力钢丝12以及钢管13的外侧有一层保护层砂浆11形成内衬式预应力钢筒混凝土压力管(PCCPL)；第二种预应力钢筒混凝土管，请配合参阅图2所示，混凝土管芯的钢筒嵌置在管芯混凝土14中，缠绕在外层混凝土14表面的高强度预应力钢丝12，在预应力钢丝的外侧有一层保护层砂浆11，共同形成嵌置式预应力钢筒混凝土压力管(PCCPE)。传统施工中，嵌置式预应力钢筒混凝土压力管(PCCPE)也广泛应用，本发明的PCCP断丝管内部补强加固方法同样适用于PCCPL的结构和施工方法。

请配合参阅图3至图8所示，其中，图3和图4为本发明的补强防渗复合里衬组合结构的纵剖面图和横剖面图，其中，预应力钢筒混凝土管(PCCP)包括从外侧到内侧依次为保护层砂浆21、管芯混凝土22、钢管23、管芯混凝土22、碳纤维增强复合板24以及DXE弹性涂层25。本发明的补强防渗复合里衬组合结构包括1-2层纵向碳纤维布，3-5层环向碳纤维布以及DXE弹性涂层。

本发明的PCCP断丝管内部补强加固方法，具体包括以下步骤：

步骤A：根据施工设计，准备所需要的DXE弹性材料、碳纤维片材材料等，根据施工技术方案和施工计划，准备所使用的DXE弹性材料、碳纤维片材、配套胶粘剂、机具等。

本发明的补强防渗复合里衬组合结构所使用的各材料技术要求如下：其中，碳纤维片材包括碳纤维布和碳纤维板，碳纤维布为0.167mm厚的单向碳纤维片材，碳纤维片材的安全性能指标符合表1要求：

表1碳纤维片材的安全性能指标

2、底胶、修补胶和结构胶粘剂，PCCP断丝管补强防渗复合里衬组合结构采用与碳纤维片材配套的底胶、修补胶和具有良好浸渍、粘结能力的结构胶粘剂，底胶、修补胶和结构胶粘剂的安全性能应分别符合表2、表3和表4的要求：

表2A级胶底胶的安全性能指标

注：本表中的性能指标，除标有强度标准值外，均为平均值。

表3修补胶的安全性能指标

注：本表中的性能指标均为平均值。

表4碳纤维复合材浸渍/粘结用胶粘剂安全性能指标(A级胶)

注：表中的性能指标，除标有强度标准值外，均为平均值；当板材为仰面或立面粘贴时，其所使用胶粘剂的下垂度(40℃时)不应大于3m；当按现行国家标准《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)》GB/T7124制备试件时，其加压养护应在侧立状态下进行。表面防护材料-DXE弹性涂层，CFRP表面应进行防护处理，防护材料的粘结性能应与碳纤维片材表面涂刷的胶粘剂相容，并能可靠粘结。

3、本发明中以DXE弹性涂层作为表面防护材料，DXE弹性材料为环氧砂浆、聚脲类材料或者两者的组合。

其中，DXE弹性材料的物理力学性能指标要求应符合表5。

表5DXE弹性材料的物理力学性能

项目技术指标拉伸强度大于12MPa扯断伸长率大于6％附着力(潮湿面)大于2.5MPa耐磨性(阿克隆法)小于30mg

特别注意的是，DXE弹性材料、碳纤维片材配套胶粘剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。

步骤B：对PCCP混凝土管芯内表面进行检查，并将PCCP混凝土管芯内表面修补平整，并将该表面清洗干净。

预应力钢筒混凝土管芯内表面处理，除去PCCP管芯混凝土内侧表面沉积物，对表面状态进行表观检查，混凝土管芯内表面处理应坚实、平整，不得有麻面、起砂、剥落、疏松、腐蚀等缺陷，若存在缺陷，利用修补材料将表面修补平整。例如，PCCP断丝管管壁有裂缝，应进行化学灌浆或封闭处理，并用修补材料将表面修补平整。施工前，将混凝土管芯内表面冲洗干净，并将内表面烘干，保持基面面干后，然后进行补强防渗复合里衬组合结构的施工。

步骤C：补强防渗复合里衬组合结构的施工，将至少一层碳纤维增强复合板粘贴到清洗干净且干燥的预应力钢筒混凝土管芯内表面，并对粘贴到混凝土管芯内表面的碳纤维增强复合板进行一定时间养护，使其初期固化。其中，碳纤维增强复合板(CFRP)包括浸渍胶和多层碳纤维布。

施工时，首先，保持环境温度需在5℃以上，使其符合配套胶粘剂要求的施工温度。当环境温度低于5℃时，应采用低温固化型的配套胶粘剂或采取升温措施。施工的过程中，还要考虑环境湿度对胶粘剂固化的影响。其次，在配制碳纤维布浸渍胶时，胶粘剂配制应按产品使用说明书中规定的配比称量并置于容器中，搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质，用搅拌器搅拌至色泽均匀，并根据现场实际环境温度确定胶粘剂的每次拌和量，按照要求严格控制使用时间。最后，粘贴碳纤维布前，用滚筒刷均匀地将浸渍胶涂刷在处理好的混凝土管芯内侧表面上，该操作称为下涂，浸渍胶涂量标准为500～600g/m²。在粘贴碳纤维布时，用专用工具沿着碳纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使浸渍胶充分浸入碳纤维布中，且使碳纤维布与混凝土芯内侧表面之间尽量不存在空气，且滚压时不得损伤碳纤维布。

当在碳纤维布上再次粘贴碳纤维布时，用滚筒在已经粘贴上的碳纤维布上刷均匀涂刷浸渍胶，称为上涂，涂量标准为300～200g/m²。当采用多条或多层碳纤维布加固时，碳纤维布沿纤维布受力方向的搭接长度不应小于100mm，各条或各层碳纤维布的搭接位置应相互错开，在纤维布表面的结构胶粘剂指触干燥时立即进行下一层粘贴。重复上述工序，并应在最后一层碳纤维布的表面上均匀涂抹结构胶粘剂。

具体的，需要根据预应力钢筒混凝土管芯内部的工作压力，对补强复合里衬组合结构进行加固，其中，L：纵向碳纤维布；R：环向碳纤维布。

1、请配合参阅图5所示，PCCP管线内工作压力为P_w，当PCCP管线内工作压力P_w≦0.5MPa时，补强防渗复合里衬组合结构包括1L+2R+2mm的DXE弹性涂层，首先在预应力钢筒混凝土管芯内侧表面粘贴第一层纵向碳纤维布241，然后依序粘贴第一层环向碳纤维布242和第二层环向碳纤维布242，最后涂覆一层2mm的DXE弹性涂层25。

2、请配合参阅图6所示，当PCCP管线内工作压力P_w，0.5MPa＜P_w≦1.0MPa时，补强防渗复合里衬组合结构包括1L+3R+2mm的DXE弹性涂层，首先在预应力钢筒混凝土管芯内侧表面粘贴第一层纵向碳纤维布241，然后依序粘贴第一层、第二层以及第三层环向碳纤维布242，最后涂覆一层2mm的DXE弹性涂层25。

3、请配合参阅图7所示，当PCCP管线内工作压力P_w，1.0MPa＜P_w≦1.5MPa时，补强防渗复合里衬组合结构包括2L+4R+3mm的DXE弹性涂层，首先在预应力钢筒混凝土管芯内侧表面粘贴第一层纵向碳纤维布241，依序粘贴第一层和第二层环向碳纤维布242，再粘贴第二层纵向碳纤维布241，然后依序粘贴第三层和第四层环向碳纤维布242，最后涂覆一层3mm的DXE弹性涂层25。

4、请配合参阅图8所示，当PCCP管线内工作压力P_w，1.5MPa＜P_w≦2.0MPa时，补强防渗复合里衬组合结构包括2L+5R+3mm的DXE弹性涂层，首先在预应力钢筒混凝土管芯内侧表面粘贴第一层纵向碳纤维布241，依序粘贴第一层和第二层环向碳纤维布242后，再粘贴第二层纵向碳纤维布241，然后依序粘贴第三层、第四层以及第五层环向碳纤维布242，最后涂覆一层3mm的DXE弹性涂层25。

5、当管线内工作压力P_w，2.0MPa＜P_w时，需经论证后采用。

根据实际工况的需要，DXE弹性涂层的厚度还可以为1mm、4mm、5mm、6mm、8mm等。

每次粘贴碳纤维布后，需自然养护24小时达到初期固化，且应保证固化期间不受干扰。因为混凝土管内温度为10℃左右，湿度90左右，碳纤维布粘贴后达到设计强度需要2-3周，在此期间应防止粘贴的碳纤维布受到硬性冲击和碾压。

其中，CFRP质量检验标准为：CFRP的实际面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于95％。当碳纤维布的空鼓面积不大于1000mm²时，可采用针管注胶的方法进行修补。当空鼓面积大于1000mm²时，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭接并粘贴等量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。拉拔试验时，CFRP与混凝土管芯内测粘贴强度≧2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。使用本发明补强加固PCCP断丝管时，必须将断丝管两端承插口接缝部位密封，以免断丝管管芯内侧混凝土开裂后有水渗入。

步骤D:粘贴的碳纤维布养护结束后，在碳纤维增强复合板CFRP的碳纤维布的表面涂覆一层界面剂，并进一步在碳纤维增强复合板CFRP的碳纤维布的表面均匀涂覆DXE弹性涂层，并对DXE弹性涂层养护一定时间。

当碳纤维增强复合板CFRP达到养护期后，进行DXE弹性涂层的施工，当PCCP管线内部温度低，湿度大，在已经粘贴好碳纤维增强复合板CFRP表面会产生凝露时，应先将凝露擦拭干净，及时在碳纤维增强复合板CFRP表面涂刷潮湿面界面剂，避免漏涂现象。涂刷DXE弹性涂层时间，要在界面剂初始固化(沾手而不拉丝时)时实施，DXE弹性涂层宜采用刮涂、涂刷或辊涂的方法，涂刷DXE弹性材料应在碳纤维增强复合板CFRP表面界面剂允许的时段内进行，管腰或管顶宜采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不宜大于1mm，后序涂刷应在前一道涂刷表面干后进行，直至厚度达到设计要求。DXE弹性材料应单向均匀涂刷，不得有流淌、堆积现象，且应做到厚度均匀、表面平整。两次涂刷DXE弹性材料作业面之间的搭接宽度应不小于50mm。DXE弹性涂层上一层停歇时间大于一天以上或有水时，需要底层DXE弹性涂层表面需要擦一遍界面剂，底层DXE弹性涂层表面需要擦一遍C030活化剂。DXE弹性涂层应在温度5℃以上的环境中至少养护72小时。

DXE弹性涂层与碳纤维增强复合板CFRP粘着状态良好，不允许有起鼓现象，粘接强度应做拉拔试验，DXE弹性涂层与碳纤维增强复合板CFRP粘贴强度≧2.0MPa。

本发明的补强防渗复合里衬组合结构包括：PCCP断丝管内侧表面上粘贴有至少一层纵向碳纤维布241(纵向指平行于管线轴线方向)，在纵向碳纤维布的表面粘贴有至少一层环向碳纤维布242(环向指垂直于管线轴线方向)，在最外侧的环向碳纤维布242上涂覆有一层1至5mm的DXE弹性涂层25。

具体的，根据预应力钢筒混凝土管内的工作压力，当PCCP管线内工作压力P_w，P_w≦0.5MPa时，本发明的补强防渗复合里衬组合结构包括1L+2R+2mm的DXE弹性涂层：PCCP断丝管内侧表面上粘贴有第一层纵向碳纤维布241，在第一层纵向碳纤维布241的表面上依次粘贴有第一层和第二层环向碳纤维布242，在第二层环向碳纤维布242的外侧表面上涂覆有一层3mmDXE弹性涂层25。

当PCCP管线内工作压力P_w，0.5MPa＜P_w≦1.0MPa时，本发明的补强防渗复合里衬组合结构包括1L+3R+2mm的DXE弹性涂层：PCCP断丝管内侧表面上依次粘贴有第一层纵向碳纤维布241，在第一层纵向碳纤维布241的表面上依次粘贴有第一层、第二层以及第三层环向碳纤维布242，在第三层环向碳纤维布的外侧表面上涂覆有一层2mmDXE弹性涂层。

当PCCP管线内工作压力P_w，1.0MPa＜P_w≦1.5MPa时，本发明的补强防渗复合里衬组合结构包括2L+4R+3mm的DXE弹性涂层：PCCP断丝管内侧表面上依次粘贴有第一层纵向碳纤维布241，在第一层纵向碳纤维布241的表面上依次粘贴有第一层和第二层环向碳纤维布242，在第二层环向碳纤维布242表面上依次粘贴有第二层纵向碳纤维布241，在第二层纵向碳纤维布241的表面上依次粘贴有第三层和第四层环向碳纤维布242，在第四层碳纤维布242的表面上涂覆有一层3mmDXE弹性涂层25。

当PCCP管线内工作压力P_w，1.5MPa＜P_w≦2.0MPa时，补强防渗复合里衬组合结构包括2L+5R+3mm的DXE弹性涂层：首先在PCCP断丝管内侧表面上粘贴有第一层纵向碳纤维布241，在第一层纵向碳纤维布241上依序粘贴有第一层和第二层环向碳纤维布242后，再在第二层环向碳纤维布242上粘贴有第二层纵向碳纤维布241，然后在第二层纵向碳纤维布241依序粘贴第三层、第四层以及第五层环向碳纤维布242，最后在第五层环向碳纤维布242的外表面上涂覆一层3mm的DXE弹性涂层25。

本发明的PCCP断丝管内部补强加固方法以及补强防渗复合里衬组合结构具有以下有益效果：

本发明的PCCP断丝管内部补强加固方法，充分利用碳纤维的抗拉强度大、承载能力强以及DXE弹性涂层防渗效果优异和适应变形能力强的特点，在断丝管管芯混凝土内侧表面粘贴1-2层纵向碳纤维布(纵向指平行于管线轴线方向)和2-5层环向碳纤维布(环向指垂直于管线轴线方向)，多层碳纤维布和浸渍胶形成碳纤维增强复合板(CFRP)；然后在CFRP表面涂刷1mm-5mm的DXE弹性涂层，起到防渗作用，对CFRP表面起到很好的防护作用。CFRP和DXE弹性涂层在断丝管内壁形成补强防渗复合里衬组合结构，其与PCCP断丝管联合作用，承受管线中的荷载，从管线内部解决了断丝管承载能力不足的技术难题。

本发明PCCP断丝管内部补强加固方法，充分利用各材料的自身特点，不需要沿管线外部开挖，施工方法简便快速、投资节省、防渗效果优异、抗冲磨性能好、无毒环保，可用于饮用水工程断丝管补强加固施工。本发明充分发挥补强防渗复合里衬组合结构的各种材料的性能优势，进行最佳组合，其组成结构搭配合理，PCCP断丝管整体结构补强效果好。

以上所述，为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，本领域技术人员利用上述揭示的内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。