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缠绕玻璃钢夹砂管与预应力水泥...
行业知识

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1.前言
玻璃纤维增强塑料夹砂管(Glass Fiber Reinforced Plastic Mortar Pipe,简称frpM管,亦称玻璃钢夹砂管)由于其具有自重轻、内壁光滑水流摩阻小、耐腐蚀性能好、渗漏率低、对输送介质无二次污染、运输施工方便、运行费用低、工程综合造价低等诸多优良特性,因而在市政的给水排水工程、水利水电工程等系统得到越来越广泛地应用。在此,将根据作者所掌握的有关情况介绍玻璃钢夹砂管在国内的应用现状,相关技术标准的制订情况,应用中出现的问题及解决途径。

2. 国内的应用现状
2.1开槽埋设玻璃钢夹砂管应用现状
我国在上世纪八十年代后期开始玻璃钢夹砂管的开发工作,到1994年前后引进玻璃钢夹砂管生产线后,使我国具有了一定的玻璃钢夹砂管的生产能力。尽管玻璃钢夹砂管具有众多的优良特性,但其为用户接受是需要一个过程的,同时在国内应用的玻璃钢夹砂管或多或少出现过一些问题,如接口密封问题、玻璃钢夹砂管的挠曲水平达不到规定的要求、施工中回填土密实度低而引起管体破坏等,影响了玻璃钢夹砂管的推广使用。通过各方面的努力,1996年玻璃钢夹砂管在江苏淮阴市自来水公司得到成功使用,并获得好评。随后在江苏的常熟、江宁、太仓,福建的石狮、福清,辽宁、浙江、上海、山东、安徽、黑龙江、吉林、云南、四川、广西、广东、河南、新疆、天津、河北、山西、甘肃等地的给水工程中得到大量应用。应用在给水系统的玻璃钢夹砂管的主要性能参数如下:管道直径:200~3 100mm;管刚度:2500~10 000N/m2;工作压力:0.4~1.0MPa,单个工程(新疆库尔勒引水工程,管道直径1100mm)铺设玻璃钢夹砂管的长度超过100km。下面详细介绍2个典型的给水工程。
1. 常熟市给水工程
常熟市自来水公司在1996年开始先试用了一些中小口径的玻璃钢夹砂管,管道直径在300~600mm之间,管刚度:2 500~3 750N/m2,工作压力:0.4~0.6MPa。通过试用,该公司在1997年开始建造的三水厂引水工程中改变了原来准备采用DN 1400钢管的设想,而采用了玻璃钢夹砂管。在至1998年完成的工程中采用的玻璃钢夹砂管管道直径:1 200mm;管刚度:3750N/m2(定长缠绕工艺生产的玻璃钢夹砂管),5000N/m2(离心浇铸工艺生产的玻璃钢夹砂管);工作压力:0.6MPa;管线长度:18km。其中过桥管、道路下等采用钢管,该工程由上海市政工程设计研究院设计。
在工程中出现了离心浇铸工艺生产的玻璃钢夹砂管管口开裂的情况,后经处理在工程使用了2km。施工安装完毕后全线打压成功,运行至今没有出现过问题。
实际使用情况也进一步证实了玻璃钢夹砂管的优点,如水流摩阻小、沿程水头损失小,运行费用低,水质改善,运输施工安装方便,而且进度快。
在这以后,常熟市自来水公司在三水厂二期工程及市内及郊区、农村的给水管网的新建改建过程中大量使用玻璃钢夹砂管。截止2000年底,在常熟市给水系统共使用的管径范围在200-1400mm内的玻璃钢夹砂管的总长度超过500km,因此常熟市自来水公司获得了建设部颁发的推广应用奖。在这之后常熟市污水系统也开始使用玻璃钢夹砂管,在常熟市所使用的玻璃钢夹砂管总长度超过1000km。
常熟市的玻璃钢夹砂管的应用相当成功,当然应用中也出现过一些问题,主要原因有管材质量方面的,也有管道施工方面的。如埋设在某厂门口的一根DN600的玻璃钢夹砂管,管顶覆土仅0.6m,而且是在下坡路下,没有采取加覆混凝土板等措施,由于进出车辆较为频繁,因此在使用了一年时间后出现管道损坏情况,不合格管材也在工程中引发了一些事故,但DN1200的主管线运行至今十多年,没出现过问题。
2.新疆某倒虹吸DN3100玻璃钢夹砂管道工程
新疆水利厅在1995年开始酝酿从地处北疆某河引水至乌鲁木齐,全线引水工程的总长度达510km。全线主要采用明渠引水,其中两处洼地采用倒虹管。经多次国内外的考察,玻璃钢夹砂管、钢管和PCCP管的比较和反复论证,最后决定在小洼槽内使用DN3100的玻璃钢夹砂管道。该管线长度5.6km,双线,除管配件外,总使用玻璃钢夹砂管10.8km,工程在2002年开工,由河北中意玻璃钢有限公司总承包,并负责管材的生产和管道的安装工作,由陕西省工程局负责土方工程。采用的玻璃钢夹砂管的主要性能指标为:管刚度:7500 N/m2;工作压力: 0.46MPa;单管长度: 12 m。管道基础是250mm厚的中粗砂和碎石层,再加50mm厚的中粗砂层;采用戈壁料进行回填,管顶覆土厚度为2.50m。
在2002年,完成了120m(10节管)的试验段工作。同济大学复合材料研究所作为建设方的专家顾问单位,参加了原材料的技术指标的确定,生产过程的控制、产品性能检测、安装、施工及验收规程的起草工作。试验段在2003年4月通过1.5倍工作压力的水压试验。在此基础上,由建设方牵头,同济大学和河北中意玻璃钢有限公司共同制定了原材料技术要求、生产工艺的控制方法。并会同新疆水利设计院,一同制订了针对该工程的施工验收规程。经过河北中意玻璃钢有限公司和新疆永昌复合材料股份有限公司2003到2005年6月的生产和施工,完成了该工程。分段(1km)水压试验均一次成功,在水压试验中,压力表在48h以上的时间内无明显压降,管道初始竖向变形在1%以内。现全线投入使用已有5年时间,运行情况正常。照片1为DN3100玻璃钢夹砂管。照片2为DN3100玻璃钢夹砂管在安装中。

DN3100玻璃钢夹砂管道工程的圆满完成,应该说建设方的严格管理起了关键的作用。为保证工程质量,建设方决定先作试验段。在此基础上,建设方邀请了建设部给水排水设备产品质量监督检验中心玻璃纤维增强塑料夹砂管分中心进行全程监造(这在国内玻璃钢夹砂管生产中为首次),并每100根管中抽出一根作破坏性检验,这样从原材料到生产工艺、到检验各个环节都达到相关要求,从而保证了产品质量。在施工过程中同样严格要求,由试验段总结得出的施工要求在大面积施工中同样要求严格执行,以保证回填的密实度,从而很好地控制了管道的初始变形,管道初始竖向变形平均不到0.7%。
整个工程在业主组织协调下,在工程结构设计、管道管壁结构设计、原材料选择、生产过程、产品检验、施工质量等方面均进行了严格控制,达到了良好的效果,工程质量得到了保证。该工程的管理模式值得新建玻璃钢夹砂管工程的借鉴。
2005年在上海长江引水三期工程(DN2200玻璃钢夹砂管)和2006年至2009年深圳市北线引水工程(DN2600和DN3000玻璃钢夹砂管)均采用上述管理模式,工程质量得到了保证,工程使用情况良好。
另外,由于管材价格的因素,玻璃钢夹砂管在早期的应用主要是在给水领域。自2000年上海完成了上海市市政工程管理局科技发展资金项目《缠绕式增强塑料夹砂管在上海市污水治理二期工程中应用的试验研究》并制定了上海市标准《玻璃纤维增强塑料夹砂排水管道施工及验收规程》后,玻璃钢夹砂管道在上海、江苏的扬州、昆山、常熟、常州,福建的厦门、浙江、江西、天津、广东、新疆、湖南、内蒙古、辽宁、山东、云南、河北等地的城镇排水系统开始得到越来越广泛的应用。应用在排水系统的玻璃钢夹砂管道的主要性能参数如下:管道直径:200~2600mm;管刚度:5000~10000N/m2;工作压力:0.1~0.4MPa。
我国玻璃钢夹砂管的应用有近十五年的历史,管道直径从200mm到3000mm以上,最高使用压力超过2.0MPa,产品和施工质量较好的工程使用至今运行正常;而有一些工程或是管材的质量问题、或是施工质量问题,造成工程出现渗水、漏水,甚至爆管,有个别工程需要每年均进行一定次数的维修,也有个别工程甚至全线无法投入运行。

2.2 玻璃钢夹砂管顶管应用现状
近年来,随着铁路、交通水利等城市建设的蓬勃开展,尤其是城市排水系统的大力建设,顶管法施工技术在我国得到了广泛的应用。由于该方法具有无需隔断交通、拆迁工作量小、对周边环境影响小、受气候影响小等特点,因此成为各城市尤其是大中城市建设的首选方案。
国内首次进行玻璃钢顶管始于1999年,玻璃钢夹砂顶管首先在西安市环城河污水截流工程中得到应用。在西安护城河月亮桥下,管道DN1800、环刚度为7500N/m2,共44米顶管工程获得成功。随后在西安及其附近等地得到推广应用,包括DN1000~DN2600不同口径的顶管工程得到较普遍的应用。由于西安地质大部分情况良好,土壤自拱性好,地下水位低,容许一定程度的超挖,因此管与土的摩阻力较小,对玻璃钢顶管管材的力学性能要求不高。照片3为使用施工现场。
    照片3  DN1800玻璃钢夹砂顶管使用施工现场                                                                                    
2000年,在浙江临海、金华等地先后有多个工程采用玻璃钢夹砂管进行顶进施工,管道直径在800mm~1200mm,总共长度超过20km。
2003年,在广州南洲路污水主干管工程中使用定长缠绕工艺生产的大口径玻璃钢管道,并采用泥水平衡的机头掘进。该工程的DN2500顶管全长为2735m, DN2270顶管全长为2145m。
2004年后在广东、浙江、上海、江苏等地很多工程中采用玻璃钢夹砂顶管,最大管径接近3000mm,也有大口径的压力顶管工程投入运行。但在广东等地多个玻璃钢夹砂顶管工程中出现了管口损坏等问题,有的工程最后换用其它材质的管道,这样在广东等地很少再采用玻璃钢夹砂顶管。目前,采用定长缠绕工艺生产的玻璃钢夹砂顶管在工程中使用量明显低于前几年。

3.标准化情况
玻璃钢夹砂管的相关标准一共有三大类,具体包括工程结构设计规程,产品标准和施工验收规程。其中首先应根据工程结构设计规程进行工程结构设计,确定满足工程要求的玻璃钢夹砂管的规格,包括公称直径、压力等级和刚度等级,以及施工验收要求。管道生产企业应根据工程所需要的玻璃钢夹砂管规格,进行管道的铺层设计以满足玻璃钢夹砂管产品标准的要求,在生产完成后通过检验运往工程进行施工时,应满足设计和施工验收规程的要求。
3.1 国内标准化进展
我国的玻璃钢夹砂管标准化始于1995年,建设部下达关于玻璃钢夹砂管产品的中国城镇建设行业标准的起草任务,并展开工程结构设计规程和施工验收规程的起草工作;建材行业也批准了关于玻璃钢夹砂管的产品标准的起草项目。到1998年,发布了城镇建设行业和建材行业的3个玻璃钢夹砂管的产品标准。2001年发布了施工验收规程,2005年发布了工程结构设计规程。到2007年,发布了玻璃钢夹砂管产品的国家标准。
3.2 标准基本情况
1. 工程结构设计规程
《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》(CECS190:2005)
这是我国现行的中国工程建设标准化协会标准。通过该规程的设计,在满足强度和变形控制条件的前提下所应选择的玻璃钢夹砂管的规格(包括公称直径、压力等级和刚度等级)以及对施工的要求,应包括沟槽断面形式,回填材料种类及回填密实度要求等。
类似的规程还有,美国水工协会的M45手册,以及美国水工协会的早期产品标准的附录的翻译版,即中国建材行业标准《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》(JC/T 838-1998)的附录D,该标准现已作废。
2. 产品标准
《玻璃纤维增强塑料夹砂管》(GB/T 21238-2007)
这是我国现行的国家标准,对定长缠绕、连续缠绕、和离心浇铸三种工艺生产的玻璃钢夹砂管的产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、管件、标志、运输和贮存等进行了规定。其中技术要求包含了尺寸、巴氏硬度、固化度、环刚度、轴向和环向拉伸强度、初始挠曲性及长期性能等方面的要求。
《玻璃纤维增强塑料夹砂管》(CJ/T 3079-1998)、《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》(JC/T 838-1998)、《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》(JC/T 695离心浇铸玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂夹砂管-1998),这是中国城镇建设行业和中国建材行业的3个产品标准,在我国的玻璃钢夹砂管行业的发展中发挥了巨大作用。目前,这两个标准已经废止。
3. 施工验收规程
(1)《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》(CECS129:2001)
现行的施工验收规程是中国工程建设标准化协会标准。对于玻璃钢夹砂管的施工验收要求首先应满足设计要求,同时满足施工验收规程要求。施工验收规程中对玻璃钢夹砂管的施工方法、施工过程控制、验收等都做出了明确规定。
(2)《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268-2008)
这是我国的国家标准,在1997年版的基础上,增加了对于玻璃钢夹砂管的施工验收要求,其中关于玻璃钢夹砂管施工要求中部分规定和指标比CECS129:2001要求严格,因此在玻璃钢夹砂管的施工验收方面应同时按照上述两个标准要求执行;对于同一项目,应按指标要求高的执行。
另外,上海市工程建设规范:《玻璃纤维增强塑料夹砂排水管道工程施工及验收规程》( DGJ08-234-2001)对整个安装施工过程均有较为具体的要求。
国外的相应标准规范已经过多次修订,国内的标准在技术要求上不低于国外标准、规范的相应要求,一些项目的要求指标甚至超过国外的。经过国内多年的实践总结,就国内相应标准、规范的技术要求是合理可靠的,而且只要按照相应的标准、规范实施玻璃钢夹砂管的工程是完全可以成功的。

4. 使用中存在问题及对策
而在我国过去十多年的应用过程中,出现很多工程质量问题,为在使用玻璃钢夹砂管时保证工程质量,应在安全、可靠而又合理、经济的工程结构设计的基础上,进行管材铺层设计、生产,确保管材质量,同时按照工程结构设计要求和施工规程规定组织安装施工、达到控制要求,这样能保证玻璃钢夹砂管工程取得成功。
4.1 存在的主要问题
玻璃钢夹砂管道工程均需要进行严格的工程结构设计,在国内较早使用阶段,由于国内没有结构设计规范,而按国外规范设计又缺少管材的长期性能数据,因此,有些工程没有通过工程结构设计,另外,出于经济性方面的考虑,管材的初始环向拉伸强度的安全系数取得较低(按4倍执行),而由于生产玻璃钢夹砂管的原材料及生产工艺等方面的影响,从目前国内一些企业完成的长期性能测试结果来看要略低于国外产品的测试结果,另外在施工方面,经常出现过大的竖向变形,造成管道在工作阶段受有过大的外压载荷使管道破坏,造成工程质量问题。因此,在工程结构设计方面主要存在两大问题,即安全合理的初始环向拉伸安全系数和合理的回填材料及竖向变形控制要求。
管材方面主要存在原材料选择问题、玻璃纤维用量问题和生产工艺问题。有一些生产企业采用低性能的廉价树脂、高碱玻璃纤维来生产玻璃钢夹砂管,而且生产工艺不能保证树脂砂浆层的密实,这样的玻璃钢夹砂管性能远远偏离产品标准要求,但在多个工程中发现了这样的管材。
在施工方面,往往由于施工单位很习惯于混凝土管的施工,通常不注意回填密实度,这样会造成过大的管道竖向变形而引起管材破坏。
4.2 对策
4.2.1工程结构设计方面
玻璃钢夹砂管在我国已有十多年的应用历史,在国内多年应用的基础上完成的《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》(CECS190:2005)是国内玻璃钢夹砂管工程结构设计应遵循的规范,考虑到安全可靠而又合理经济地使用玻璃钢夹砂管,建议在设计时取玻璃钢夹砂管的长期竖向变形不超过3%。
4.2.2 管材质量
为保证管材质量,应注意以下几个方面:
1. 原材料
按照产品标准要求,应对生产中应用的原辅材料的技术指标应作出相应的规定:应采用无碱玻璃纤维;结构层树脂:拉伸强度:³60MPa;拉伸弹性模量:³3.0GPa;断裂伸长率:³2.5%;热变形温度:³70℃。规定原材料生产厂家应对所有原材料进行检测并合格后方可投入使用,对于重要原材料如玻璃纤维和树脂应经第三方抽检合格后方可使用。
2. 生产监控
对于管材的生产过程,宜请专业单位进行监造,以确保主要原材料的足量使用。
3. 产品验收
产品出厂前必须经过严格的检验。除了应对每根管进行非破损检验外,每批管(一般100根为一批)应随机抽一根进行破坏性检验,以确保管材质量。
实际上,在确定管材生产企业时,应选择生产规模较大、应用业绩较多、技术力量强、资金情况良好的企业来承担管材生产业务。
4.2.3 施工方面
玻璃钢夹砂管施工中应按设计要求,选择好合适的回填材料,严格控制回填密实度,只要达到了密实度的要求,才能控制住管道的竖向变形,也就控制了管道的管壁拉应力水平,这样在内水压作用后管壁的最大拉应力水平不会过高,能够安全运行。另外,在密封胶圈材料的选择、接口连接设计、与建筑物连接处防不均匀沉降等方面也应慎重处理。
4.2.4 工程管理方面
实际上,任何工程要取得成功,工程建设单位的组织管理是最根本的保证。工程结构设计应是可靠的、合理的,若选择的设计单位缺少玻璃钢夹砂管工程方面的经验,则应咨询有关专业单位。管材的生产过程也应加强管理,以保证使用的原材料和生产过程达到要求,可以聘请专业单位进行监造。施工阶段可以先进行试验段或称先行段施工,并达到设计和施工规程要求,并使相关人员对玻璃钢夹砂管的特点有相应认识,然后进行大面积施工。在各个实施阶段,一旦出现问题可能影响工程质量,建设管理单位应态度鲜明的要求改正,只有这样,才可以保证工程质量。

5.结语
通过对我国十多年玻璃钢夹砂管应用情况的分析和讨论,可得到以下几点结论。
1. 尽管在过去的应用中出现了或多或少的问题,但目前国内大多数玻璃钢夹砂管工程还是很成功的。玻璃钢夹砂管其耐腐蚀性能好、内壁光滑水流摩阻小等优点,随着使用时间的推移将进一步显现出其优越性,因此玻璃钢夹砂管应能有更加广泛的应用。
2. 玻璃钢夹砂管的标准包括有工程结构设计规程、产品标准和施工验收规程三方面。目前的各规程、标准能满足我国的玻璃钢夹砂管工程建设的要求,能保证工程建设的质量,也是安全合理的。
3. 当然,要使用好玻璃钢夹砂管应从工程结构设计、管材质量和施工等方面入手。通过工程结构设计,选定合适的管材(规格)和合理的回填要求;管材质量方面应控制原材料、工艺过程和检验;施工方面是选择合适的回填材料并保证有一定的密实度。
欢乐水果机 4. 工程组织管理的严肃性和认真态度是工程质量得到保证的基本要求。相关人员缺少相应专业知识可以通过咨询、聘请有关专业单位来解决,可以通过试验段或先行段来认识,但对于工程中出现的问题,必须认真解决的态度一定得鲜明。

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