结合预应力钢筒混凝土管（PCCP）产品标准、混凝土结构耐久性设计相关标准和文献，分析了PCCP的工程结构属性、服役环境、结构特点，强调了PCCP耐久性设计的必要性，归纳了PCCP耐久性设计的基本内容，总结了与耐久性相关的PCCP管体结构、环境作用条件、管体混凝土材料、工艺构造以及附加防腐措施等方面的技术要求，提出了不同环境条件下PCCP的耐久性设计思路。

0 前言

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下简称PCCP）是指在预应力钢筋混凝土管体中嵌有防渗钢筒的复合结构压力输水管。作为最早从国外引进技术的压力管产品，PCCP在我国的水利、市政等领域得到了广泛应用。PCCP的性能优越，但由于长期对耐久性不够重视，监管不到位等因素，近年来有关PCCP使用寿命、耐腐蚀性能等问题一直困绕着建设单位、设计院、工程监理以及生产企业。

基于此，本文从PCCP结构、材料、构造等方面对其耐久性设计进行分析，归纳总结完整的耐久性设计思路，助力PCCP性能和市场信心的提升。

1 PCCP耐久性设计的必要性

1.1 工程结构属性

GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》中将结构耐久性定义为：“在环境作用和正常维护、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力”。各种能使结构满足耐久性要求的设计和措施，都可称作耐久性设计。PCCP作为输水管线工程的主体结构，平稳运行和安全使用均关系着国计民生，输水工程的设计应符合相关耐久性要求。PCCP作为工厂化预制、标准化生产的产品，不能忽略了其工程结构属性，其设计同样应该符合工程结构对耐久性设计的相关要求。

1.2 服役环境

PCCP在我国被大量用于输水管线，也有不少用于污水排水管线的工程案例。从铺设方式上看，我国PCCP管线绝大多数为埋地管线，少数为露天铺设管线，也有穿越河床、湖沼的管线；从应用地域上看，在东北严寒地区、西北沙漠地带、西南高山谷地、东南滨海沿岸、中部黄土高原都有PCCP的应用。管线所涉及的管外环境作用类别和作用等级各不相同，其中，地下环境作用类别主要有氯盐、硫酸盐、镁盐、碳酸盐等腐蚀类型；地上环境作用主要有碳化、冻融、生物作用等类型。根据GB/T 50476—2019的分级方式，PCCP服役的环境作用主要有A级（轻微）、B级（轻度）、C级（中度）、D级（严重）、E级（非常严重）。在排污管线中，PCCP还需考虑管内污水的腐蚀作用，其作用类型主要是以硫酸盐为主的化学侵蚀，作用等级介于C级～E级之间。由此可见，PCCP的服役环境为各种腐蚀类型和等级的复杂环境，所以，有必要对其进行耐久性设计。

1.3 结构特点

PCCP结构主要具有以下3个特点：

（1）承压能力主要由直径为5～7 mm，沿管体环向布置的预应力钢丝提供。管体混凝土不配普通钢筋，主要由预应力钢丝提供承压骨架，并与钢筒共同组成管体的主要承压结构。

（2）钢筒厚度一般为1.5 mm，主要作为结构防渗体系。

（3）砂浆保护层可以起到保护预应力钢丝不受外界侵蚀的作用，其厚度不得低于25 mm。

根据结构特点，PCCP可以分为L型和E型 ，见图1。由此可知，环向预应力钢丝是PCCP结构安全的核心，在进行PCCP耐久性设计时应在考虑服役环境和结构安全等级基础上，将预应力钢丝和砂浆保护层的耐久性设计作为关键。

2 PCCP耐久性设计的基本内容

PCCP结构的耐久性设计应根据GB/T 50476—2019的规定进行，一般包含以下基本设计内容：

（1）明确结构的安全等级、设计使用年限、环境类别及作用等级。

（2）提出对结构材料的耐久性质量要求。

（3）选择有利于减轻环境作用的结构形式、布置方式及构造措施。

（4）确定满足耐久性要求的钢筋保护层厚度和混凝土裂缝控制要求。

（5）基于上述耐久性设计要求进行结构设计。

（6）在严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略。

（7）明确结构在使用阶段的维护、修理和检测要求。

3 PCCP耐久性设计应注意的问题

3.1 结构安全等级、设计使用年限和结构重要性系数

由于对工程结构属性的忽略，PCCP结构的安全等级、设计使用年限和结构重要性系数γ0在设计中往往被弱化，但上述参数是体现工程结构性能和安全可靠度的基本参数，其对保证PCCP结构安全、耐久性具有重要影响。具体到PCCP结构，所影响的并不是简单的"结构配筋量变化"问题，还涉及到结构构造措施、耐久性设计指标、材料性能指标等不同要求。因此，在PCCP设计时同样应重视以上基本参数的确定。

PCCP作为输水管线的主体结构， 其安全等级和设计使用年限应与工程设计指标一致，其安全等级应按一级考虑；设计使用年限除特别重要的管线需按100年考虑外，可按50年考虑（PCCP设计时应与工程设计文件取值一致）；结构重要性系数的取值会直接影响结构计算结果，根据CECS 140∶2011《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》中5.2.2条的规定：“管道结构重要性系数取1.1，当设计为双线或有调蓄设施时可取1.0，当用作排水管时可取1.0”。除此之外，PCCP设计时的结构重要性系数取值还应根据工程设计文件的要求确定。

3.2 环境类别和环境作用等级

环境类别是指能对结构耐久性能产生影响的环境因素种类。环境作用等级是指环境因素对结构或材料产生影响的强弱程度。环境类别和环境作用等级是工程结构耐久性设计的两个基本参数，是确定耐久性设计措施的基础。GB/T 50476—2019、CCES 01—2004《 混凝土结构耐久性设计与施工指南》对结构面临的环境类别和环境作用等级分类有明确的规定，在进行PCCP耐久性设计时，应从工程勘察设计文件中查找相关的腐蚀性评价数据（例如：土壤的pH值、电阻率、氯离子浓度、硫酸根离子浓度、气候特点等），按上述标准的规定进行分类。在大多数应用环境中，PCCP服役的主要环境类别和环境作用等级见表1。

已有资料显示，埋设在普通土壤中数十年的混凝土管材，其混凝土强度和钢筋的受保护效果等指标仍良好。在无腐蚀性土壤环境（Ⅰ-B）中的PCCP耐久性好于同类地区的地上PCCP。管线埋设在湿润且近乎恒温的地下环境中有利于混凝土材料强度的充分发展和密实度的提高。同时，混凝土在地下环境中的碳化速度远小于地上环境。埋设于腐蚀性土壤中的PCCP，应严格根据其环境类别和环境作用等级进行系统的耐久性设计。

3.3 管体材料的耐久性要求

3.3.1 PCCP保护层砂浆

PCCP保护层砂浆的主要作用是作为预应力钢丝的保护层。对保护层砂浆的耐久性指标进行合理性分析也是确保PCCP耐久性的关键。GB/T 19685—2017《预应力钢筒混凝土管》中的PCCP保护层砂浆性能要求与GB 50010—2010《混凝土结构设计规范（2015版）》和GB/T 50476—2019的异同见表2。

由表2可知，GB/T 19685—2017要求的PCCP砂浆保护层主要性能参数（厚度、强度、渗透性）满足一般环境条件下设计使用年限50年对应的预应力结构耐久性要求，当设计使用年限为100年时，净保护层厚度不应小于30 mm。

当PCCP服役于C级、D级的盐类和化学腐蚀环境中时，在不采取附加防腐措施的前提下，PCCP砂浆保护层的耐久性设计应注重增加保护层的厚度和抗离子渗透性能。其中，保护层厚度不应低于表2所列要求。抗离子渗透性能宜采用氯离子渗透系数DRCM值作为设计指标，并应满足表2所列的相应要求。此外，为保证砂浆抗氯离子渗透性能满足要求，宜建立砂浆保护层吸水率与氯离子渗透系数DRCM值之间的对应关系。

3.3.2 管体内壁混凝土

PCCP输送介质多为江河原水，无腐蚀性。同时，一般工作状态为满流，管内长期处于无氧环境，可按GB 50010—2010规定的Ⅰ类环境考虑。此时，管子内壁混凝土无需单独考虑耐久性要求。如输送介质为污水，根据GB/T 50479—2019中的7.2.6条，需按污水管道的环境类别进行管内壁混凝土的耐久性设计（污水管道环境类别可按Ⅴ-E类考虑）。表3为PCCP管体混凝土在不同条件下的主要耐久性指标。

针对Ⅴ-E类环境，可通过限制混凝土的材料成分以及增加混凝土密实性来提升其耐久性，具体措施如下：

（1）混凝土中掺入矿物掺合料。

（2）限制水泥中C3A的含量。

（3）对掺合料的材料成分提出相关要求。

笔者认为，从产品质量控制和实现性能目标的角度考虑，输送污水的PCCP混凝土应满足相应的抗硫酸盐性能指标，可参考GB/T 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》中对硫酸盐强腐蚀环境下预应力混凝土管桩的要求，输送污水的PCCP管体内壁混凝土抗硫酸盐性能指标KS150≥0.85。

3.3.3 管体混凝土材料的其他耐久性要求

PCCP管体混凝土材料的其他耐久性要求应根据设计使用年限、服役环境和结构类型来确定。GB/T50476—2019的相关规定如下：①氯离子含量应按预应力混凝土的要求执行，不大于0.06%；②碱含量应结合混凝土骨料是否具有碱集料反应活性来考虑，PCCP作为地下输水管道时，服役环境相对湿度往往大于75%，即使骨料无活性，混凝土碱含量也不应超过3.0 kg/m3。

3.4 管体裂缝

根据CECS 140∶2011的计算原则，PCCP在正常使用状态下的管顶、管底控制截面受拉边缘可能会出现拉应力，且管侧控制截面受拉边缘拉应力可能会超过保护层砂浆抗拉强度标准值，但根据管材荷载试验和实际工程经验可知，在正常使用状态下，PCCP管体内、外壁控制截面均不会出现内眼可见的裂缝。由此认为，PCCP在正常使用状态下的结构裂缝宽度满足GB/T 50476—2017规定的有粘结预应力构件在环境作用等级D级以内的控制要求。但考虑生产质量控制的要求时，PCCP管体的裂缝控制要求（符合GB/T 19685—2017的工艺性裂缝要求）不能满足某些腐蚀性环境下的耐久性要求，具体分析见表4。

结合服役环境，由表4可知，对满足GB/T 19685—2017规定的PCCP管体工艺性裂缝耐久性分析如下：

（1）在环境作用等级不超过D级（严重腐蚀）的土壤环境中，满足“不出现可见裂缝”规定的砂浆保护层在裂缝控制指标上能够满足耐久性要求；在E级（非常严重）或F级（极端严重）的环境作用等级下，PCCP砂浆保护层即使“不出现可见裂缝”，也无法满足相应的耐久性要求，此时必须对保护层采取专门的附加防腐措施。

（2）当PCCP输送无腐蚀性介质时，需要根据GB/T 50476—2017的规定，PCCP无需进行相关的裂缝耐久性设计。

（3）当PCCP输送腐蚀性介质时，除根据GB/T 50476—2017的规定进行裂缝控制外，还应按环境作用等级为E级的钢筋混凝土构件进行控制，或者在管内壁采取专门的附加防腐措施。

3.5 附加防腐措施分析

PCCP的附加防腐措施目前主要有防腐涂层、阴极保护和内衬防腐片材等方法，工程中可单独或组合使用。具体原理如下：

（1）防腐涂层（环氧煤沥青涂层）。其原理为利用涂层的隔离作用阻断腐蚀介质向管体内部迁移的途径，可依据GB/T 35490—2017《预应力钢筒混凝土管防腐蚀技术》进行设计。根据不同的规定，其使用年限如下：①根据GB/T 50476—2019的规定，表面涂层措施的最低保护年限为10年；②根据JTS 153—2015《水运工程结构耐久性设计标准》的规定，最小干膜总厚度为400～500 μm的环氧涂层体系在不同腐蚀条件下、混凝土表面湿润环境中的设计保护年限可达20年；③根据GB/T 35490—2017的规定，埋地PCCP外表面环境与上述JTS 153—2015的规定相似，环氧煤沥青涂层厚度在600～900 μm，估算其最小保护年限可达20～30年。实际使用过程中，应重视环氧煤沥青材料的质量和施工质量的监控，避免由于涂层质量隐患造成PCCP耐久性的降低。

（2）阴极保护体系。其原理为通过外加电流或比铁更活泼的金属的消耗，给钢筋持续施加一定密度的阴极电流，将其阴极化到一定程度，使钢筋本身的氧化极反应停止或降低至非常小的程度，从而实现延缓或停止电化学腐蚀进程的目的。根据不同的规定，其使用年限如下：①根据GB/T 50476—2019规定，阴极保护措施的最低保护年限为30年；②根据JTS 153—2015的规定，阴极保护措施的设计保护年限不宜低于30年；③PCCP的阴极保护系统设计应根据腐蚀条件、设计使用年限要求进行设计，阴极保护系统的设计保护年限不低于30年，可按管线设计使用年限50年或更长年限设计。在实际使用过程中，应重视对管材钢筋腐蚀情况及阴极保护系统在管线服役期间运行情况的监控，以便掌握管材的腐蚀状态并及时作出反应措施，避免“欠保护”和“过保护”的问题。

（3）内衬防腐片材。其原理为利用混凝土表面衬砌的片材层的隔离作用阻断腐蚀介质向管体混凝土内部迁移的途径。根据CECS 17∶2000《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》的规定，PVC类管道的设计使用年限不低于50年。因此，基于材料对腐蚀介质的耐受性角度，PVC或PE类片材层的保护年限可与管材结构使用年限相同，即不低于50年。使用过程中应考虑片材层与管体混凝土的黏结性能、接口处理质量等问题对片材层或管体耐久性造成的影响。

表面涂层或片材内衬层是通过阻断腐蚀介质到达管材结构表面以实现防腐效果，PCCP腐蚀顺序为“涂层或片材被腐蚀→砂浆保护层或混凝土被腐蚀→钢材被腐蚀”。PCCP作为预应力构件，应以“钢筋开始锈蚀”作为耐久性极限状态，因此，PCCP的耐久性设计使用年限宜为“涂层或片材保护年限＋混凝土或砂浆保护层”的保护年限。

4 结语

PCCP作为预应力混凝土压力管材，由于其工程属性、复杂的服役环境以及预应力结构特点，在其设计过程中应贯彻耐久性设计思想。以此进一步发挥其在社会经济和民生中的的重大作用，提升其技术性能和市场认可度。