简介： 我国给排水管道管材包括混凝土管（钢筋混凝土和混凝土）、PE 管、钢管、 球墨铸铁管等，其中混凝土具有力学性能好、成本低、可用性广、易于生产等优点，是给排水管道的主要材料之一。
我国给排水管道管材包括混凝土管（钢筋混凝土和混凝土）、PE 管、钢管、 球墨铸铁管等，其中混凝土具有力学性能好、成本低、可用性广、易于生产等优点，是给排水管道的主要材料之一。然而混凝土管道容易在给排水管道特有的腐蚀性环境中发生老化，进而引发结构和功能性失效。
超高延性水泥基复合材料（ECC 材料）以微 观力学理论为基础，改变了水泥基材料本身的脆性开裂模式，大大提高了水泥基 材料的韧性，使之成为可能改善现有非开挖管道修复用水泥基材料局限性的新型水泥基复合材料。
01给排水管道的材质和病害情况
混凝土管道容易在给排水管道特有的腐蚀性环境中引发结构和功能性失效。结构性缺陷主要包括：开裂、变形、错口、腐蚀、异物穿入、沉积、障碍物和渗漏等。这些结构性缺陷会导致管道本体结构的损伤，影响管道强度、刚度和使用寿命。其中开裂是最为常见的问题，混凝土的脆性、复杂的运营环境、过度的外部荷载、内部压力、温度波动等都会导致混凝土管道的开裂破坏。裂缝包括周向的、纵向的或沿接缝方向，这些裂缝会导致管道的泄漏和结构破坏。除结构性缺陷外，混凝土管道还会存在大量功能性缺陷，包括结垢、残墙、坝根、树根和浮渣等，这些缺陷会使得管道过水断面发生变化，影响其服务功能。
02管道非开挖修复技术顺应环保政策
据调查显示，2001年以前建设的给排水管道大部已接近使用年限，另外发现由于各类扰动因素和运营维护的缺失，早期建设的给排水管道已出现各类缺陷，引发一系列工程问题，包括管道爆裂、城市洪水、地面塌陷、交通中断和水污染（图 1），并带来巨大的经济损失和环境破坏问题。为此，非开挖修复技术开始逐渐进入人们的视野。
图 1 由管道缺陷引发的地面塌陷（a）和城市内涝（b）
非开挖管道修复技术极大的缩减了管道修复的综合成本和施工效率，同时又大幅提高了施工的安全性和对周边环境的保护作用。目前我国正对现 有的地下管线进行着全面的普查、重新规划和全面改造[25]。而非开挖管道修复技 术作为被联合国环境议程（United Nation's Environmental Program-UNEP）认可的 地下设施的环境友好技术（Environmentally Sound Technology -EST)将成为管道修 复领域内响应国家道路和城市环境保护政策的主流技术。
03 现有管道修复水泥基材料的局限性
在非开挖管道修复方法中，喷筑法基于既有结构施工成型，因地制宜，适用于有压和无压管道以及各类方形或者异形管道，相较于其他方法来说，能最大限度的摆脱环境对工法的限制。
然而现有管道修复水泥基材料在非开挖管道喷筑修复工程应用中面临着多方面的 局限性，主要体现在：（1）内衬材料拉应力不足且协同变形能力不足（2）水泥基材料在特殊腐蚀性环境中耐久性不足（3）喷筑作业影响下材料物理力学性能折减。归根结底，这些局限性其实都与混凝土/砂浆材料的脆性特性紧密相关，非常有限的延性使之在拉应力作用下容易产生裂缝，在腐蚀性环境下和喷射作业的影响下这些局限性会更加突出。
04 国内对 ECC 应用的研究进行的如火如荼
除了管道修复用水泥基材料的脆性失效引发的相关问题，我国用于基础设施建设的大量低质量混凝土同样存在脆性开裂后耐久性严重降低的现象，类似的现象引起的不断修复或者重建工作是对资源极大的浪费。超高延性水泥基复合材料（可弯曲混凝土）的出现为这一问题带来了有效的解决方法。可弯曲混凝土是通过合理搭配水泥基材料的基质和纤维的界面特性以及其之间的相互作用，从而使得整体复合材料在受力过程中表现出应变 - 硬化特性的非传统混凝土材料。
图 2 ECC 材料初裂准则和稳态开裂准则示意图
该材料在开裂时需要满足初裂准则和稳态开裂准则，如图2所示。ECC 材料因其与传统混凝土截然不同的高延性、应变硬化性能、抗渗性和自 愈合能力，被越来越多的应用于各类工程实践中，并取得了良好的效果。除此之外，装配式结构等新型工程建设施工概念也与 ECC 擦出了火花。这无不说明 ECC 材料作为新型超高延性水泥基复合材料，在工业界的各类工程应用中具有巨大的应用前景，其独有的应变硬化特性也可能成为解决工程中脆性破坏及其相关问题的突破口。特别是在对抗拉性能、抗裂性能和抗渗性能要求较高的地下管道非开挖修复中，对以 ECC 材料为基础的新型非开挖管道修复技术的研究将为该行业提供重要的指导和参考。
05 非开挖管道修复用 ECC 材料配合比研究
内衬材料与管道主体结构协同变形能力对管道结构修复来说十分重要。因此作为适用于非开挖管道修复的 ECC 材料，应该具有合适的力学强度和应变硬化性能。
适用于非开挖管道修复的新型 ECC 材料配合比：粉煤灰/水泥质量比为 3.5，水灰比为 0.25 的 ECC 材料抗压强度超过 35MPa，极限应变超过4%，符合非开挖管道修复对 ECC 材料物理力学性能要求。
ECC 材料除了具有良好的抗渗和抗裂性，在管道独特的腐蚀性环境中具有得天独厚的耐久性优势，比起同基质无纤维砂浆试样在模拟排水管道腐蚀性环境中表现出更强的耐久性，得益于其高延性的特点，经历腐蚀循环后 ECC 材料腐蚀层的机械完整性也更高。以其作为非开挖管道修复材料，能够延长地下管道的使用寿命。
目前我国有关水泥基材料非开挖管道喷筑修复的研究尚处于起步阶段，随着工程技术的不断发展和进步，传统混凝土性能已经不能满足工程建设的需要；需要性能更加优越的材料为其带来进步和发展的空间。
