閆榮春，王 安

塑料管材在建筑給排水中的應(yīng)用

閆榮春，王 安

（山東水利職業(yè)學(xué)院，山東省日照市 276826）

結(jié)合目前建筑給排水管材的發(fā)展形勢，綜述了建筑給排水中常用管材的種類、應(yīng)用及新型管材的研究進展，并對其特性及優(yōu)缺點進行了詳細的闡述。對比分析了塑料管材與傳統(tǒng)管材的性能，并論述了目前塑料管材在應(yīng)用上存在的問題。分析得出，無論建筑給排水管材如何變化，都必須結(jié)合實際情況選擇最合適的管材。與傳統(tǒng)給排水管材相比，新型管材具有良好的抗沖擊性能、耐化學(xué)藥品腐蝕性以及使用壽命長等特點，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

塑料管材 給排水 研究進展

塑料管因安全、環(huán)保而廣泛應(yīng)用于建筑給排水、城鎮(zhèn)給排水以及燃氣管等領(lǐng)域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量將以年均8.5%的速率增加，而亞洲需求量的年均增長率為9.7%[1-2]。常用塑料管的原料包括硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）、高密度聚乙烯（HDPE）、交聯(lián)聚乙烯（PE-X）、均聚聚丙烯（PPR）、聚丁烯（PB）、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）等[3]。我國目前已經(jīng)建立了以聚氯乙烯（PVC），PPR，聚乙烯（PE）為主的塑料管道加工和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，這三類材料占據(jù)了塑料管道的主要份額。PVC的配套產(chǎn)業(yè)鏈最為完善，占據(jù)了50%以上的市場份額。根據(jù)使用溫度和耐熱性能，UPVC，PE，ABS僅能用于冷水管，而PE-X，PPR，PB則可用作熱水管。目前，我國塑料管道產(chǎn)業(yè)正從生產(chǎn)大國向生產(chǎn)強國邁進，市場對塑料管道企業(yè)提出了更高的要求。本文主要綜述了塑料管材在建筑給排水中的應(yīng)用。

1　各種塑料管材的特點及其研究進展

1.1UPVC與PVC管材

UPVC管材的化學(xué)穩(wěn)定性好、耐化學(xué)藥品腐蝕性強。UPVC管內(nèi)壁光滑、安全衛(wèi)生、水流阻力小[4]；但UPVC管在低溫條件下較脆，在溫度較高時易變軟，因此不適合做熱水管，也不適用于寒冷地區(qū)。與其他管材相比，UPVC管材具有較高的模量、強度和硬度，即使在不增強的情況下也能滿足普通有壓液體的輸送要求；UPVC管的耐化學(xué)藥品腐蝕性強、耐老化、使用壽命長、安裝維修方便、外形美觀、成本較低。UPVC管材的彎曲應(yīng)力和彎曲模量較高，承受外部荷載的性能較好，因此在相同的使用條件下用料最少。劉繼純等[5]制備了具有阻燃、抗靜電和耐沖擊的UPVC，分析了炭黑用量和表面處理對UPVC性能的影響。結(jié)果表明：炭黑用量過少（小于6 phr）時，UPVC的導(dǎo)電能力減弱；炭黑用量過多（大于10 phr）時，UPVC的抗沖擊性能變差，阻燃性能下降。炭黑未經(jīng)過表面處理且用量為10 phr左右時，UPVC的綜合性能最優(yōu)。王振中等[6-7]探討了UPVC在準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴展、高速裂紋擴展以及疲勞裂紋擴展的斷裂機理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：UPVC在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的斷裂形式為韌性斷裂，在沖擊荷載作用下的斷裂形式為脆性斷裂，在疲勞階段的斷裂形式為偏韌性斷裂。

PVC徑向加筋管的管外壁帶有徑向加強筋，可提高管的環(huán)向剛度和耐壓強度；但管材在熔融擠出時的流動性及熱穩(wěn)定性較差，不適于制備大口徑管[8-9]。PVC是非晶形聚合物，透明性較好，透光率約80%。嚴(yán)立萬[10]將PVC及助劑按比例制成PVC給水管，管內(nèi)水流情況可視，方便檢修。

1.2PPR管材

PPR的化學(xué)穩(wěn)定性好，耐化學(xué)藥品腐蝕性強，力學(xué)性能優(yōu)異。PPR管內(nèi)壁光滑，阻力小，不易積垢，質(zhì)輕，運輸、維修方便。PPR管分為熱水管和冷水管，加熱到一定溫度時，同材質(zhì)的管與管件在幾秒鐘內(nèi)就可以完全融為一體，解決了管道連接處漏水的問題[11]。PPR管的最高使用溫度為95℃，長期使用溫度為70 ℃，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.21 W/（m·℃），約為鋼管的1/200，保溫性能良好；但PPR管的膨脹系數(shù)是鋼管的12倍，長期使用會因熱脹冷縮而使管體變形。

2015年6月，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司生產(chǎn)的管材專用PPR T4401在國家化學(xué)建筑材料測試中心通過了PPR 100級認(rèn)證。PPR T4401的熔體流動速率為0.5 g/10 min，具有優(yōu)異的加工流動性和剛韌平衡性，并且具備典型的無規(guī)共聚物序列結(jié)構(gòu)[12]。馮凱等[13]研究PPR的熱氧穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，隨著自然存放時間的延長，PPR在低溫條件下更易發(fā)生分解，加工穩(wěn)定性降低。

1.3PB管材

PB管安全無毒，可直接應(yīng)用于飲用水輸送，其耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、可塑性強、溫度適用范圍大且力學(xué)性能優(yōu)越。在長期連續(xù)工作壓力下，輸送水溫可達95 ℃。PB的生產(chǎn)廠家少，價格昂貴，是其他品種價格的1倍以上。PB管材具有極強的溫度適應(yīng)能力，在-30～110 ℃均可使用[14]。與PPR管相比，PB管的導(dǎo)熱系數(shù)小，對保溫材料的要求較低；PPR管在溫差為50 ℃時的熱膨脹力是PB管的3倍，說明在熱水中使用時，PB管的膨脹量比PPR小[15]。我國應(yīng)充分利用乙烯和催化裂解裝置富產(chǎn)碳四的巨大資源，以打破國外對PB原料的壟斷，推動我國管材市場的發(fā)展。

高等規(guī)PB的環(huán)向應(yīng)力承受能力高、水流壓力損失小、抗蠕變性能優(yōu)異，施工性能與PPR相近，因此廣泛用于熱水管及其連接件。孫寶余等[16]評述了合成高等規(guī)PB的Ziegler-Natta催化劑體系和茂金屬催化劑體系的組成及其催化1-丁烯聚合的特征，并綜述了高等規(guī)PB的聚合工藝，重點介紹了液相本體法合成高等規(guī)PB的優(yōu)缺點。隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，開展合成高等規(guī)PB所用催化劑體系及聚合工藝的研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合成技術(shù)，對我國PB管材市場的發(fā)展具有重要意義。

1.4PE-X管材

PE-X管材主要應(yīng)用于建筑冷熱水供水管道、采暖管道和燃氣管道等。它具有以下特點：1）使用溫度范圍寬， 可在-70～90 ℃長期使用；2）抗壓強度高，使用壽命長；3）耐化學(xué)藥品腐蝕性好，能耐大多數(shù)的酸、堿和其他化學(xué)品，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能優(yōu)良。畢婷婷[17]采用硅烷水解交聯(lián)方法，制備了高強度聚烯烴彈性體改性的PE-X軟管材料，并研究了其力學(xué)性能及熱性能。結(jié)果表明：當(dāng)過氧化二異丙苯的用量為基體樹脂質(zhì)量的0.05%，硅烷偶聯(lián)劑用量為基體樹脂質(zhì)量的3.00%時，改性PE-X的各項性能達到最優(yōu)，在100 ℃恒溫198 h后，強度保持率達94%。

1.5ABS管材

ABS管材的耐酸、耐堿及耐壓性能優(yōu)良，抗沖擊性能好，受溫度、濕度的影響較小，且低溫條件下不會脆化，可用于室外或北方較寒冷的地區(qū)。在原料制作及管材生產(chǎn)過程中，無須添加任何穩(wěn)定劑，不會有重金屬析出污染。ABS管的流動摩擦力小，極大減小了流體阻力，其黏合強度高，避免了一般管道存在的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象[18]。

1.6HDPE管材

HDPE埋地排水管投資較小，在排水管領(lǐng)域倍受青睞，典型代表有HDPE實壁排水管、HDPE雙壁波紋管、HDPE纏繞結(jié)構(gòu)壁管、HDPE鋼肋復(fù)合螺旋管等。HDPE管的特點是：1）密封性與抗?jié)B漏性能好。2）水力特性好。HDPE管的粗糙系數(shù)為0.009～0.010，小于鋼筋砼管的0.013～0.014，說明對于同口徑的鋼筋砼管和HDPE管，HDPE管通過的流量更大。3）安裝方便。4）使用壽命長。HDPE屬于惰性材料，耐化學(xué)藥品腐蝕性強，可在高酸、高堿、污水等環(huán)境使用，使用壽命超過50年。5）撓曲度較好。對地基不均勻沉降具有一定的抵御能力，且管道接口較少，抗?jié)B漏性能好[19]。

在寒冷地區(qū)，預(yù)制直埋式保溫管在儲存和施工過程中會出現(xiàn)HDPE外護層開裂現(xiàn)象。蔣林林等[20]從HDPE的物理性能，外護管原料及配方，擠出溫度、冷卻速率等成型工藝，聚氨酯保溫層的預(yù)制過程，保溫彎管的結(jié)構(gòu)特點，環(huán)境溫度以及施工過程等方面，全面分析了可能導(dǎo)致HDPE外護保溫管開裂的原因，提出了選用適宜原料、嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)、控制聚氨酯泡沫投料量以及加強HDPE外護層保護等解決措施。

2　新型管材的研究進展

針對傳統(tǒng)管材耐化學(xué)藥品腐蝕性、耐高溫性、耐壓性差等問題，奚斌等[21]分析了采用新工藝生產(chǎn)的HDPE雙重壁管的內(nèi)壁粗糙系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雷諾數(shù)小于2 500時，HDPE管的內(nèi)壁粗糙系數(shù)宜為0.011～0.012；當(dāng)雷諾數(shù)大于2 500時，管內(nèi)壁粗糙系數(shù)為0.009～0.011。Borowska等[9]對建筑給排水管的老化問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)紫外光輻照促進了UPVC管的老化。Ahmad等[22]研究含有稻殼、沖擊改性劑的UPVC的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，沖擊改性劑含量增加，復(fù)合材料的沖擊強度增大，但拉伸和彎曲性能下降。Katsuhisa等[23]研究了聚硅烷對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）熔體流動性能的影響，結(jié)果表明：200 ℃時，聚硅烷可抑制UHMWPE在熔化過程中轉(zhuǎn)矩的增加。王健軍等[24]發(fā)明了一種承壓層與磨損層相互分離的內(nèi)襯承插式復(fù)合管，其工作層內(nèi)襯在承壓層內(nèi)，承壓層采用剛性或柔性連接，內(nèi)襯層可更換，該復(fù)合管可長期使用。姜麗琴[25]發(fā)明的耐腐蝕復(fù)合管的強度高、耐壓性能強。朱勝金[26]發(fā)明的新型鋼塑復(fù)合纏繞波紋管由鋼帶、壓制塑料保護層、PE螺旋波紋管制成。PE螺旋波紋管表面設(shè)有鋼帶，鋼帶上面設(shè)有表面壓制塑料保護層，在熔融狀態(tài)下纏繞成為一體。該方法提高了管的環(huán)剛度，增加了其使用壽命，具有成本低、質(zhì)量輕、防漏、防裂、防變形等特點。

3　結(jié)語

UPVC管材最經(jīng)濟，多用于排水工程中，但UPVC管在低溫條件下較脆，在溫度較高時易變軟，因此不適合做熱水管；PPR管材由于其優(yōu)越的性價比，廣泛應(yīng)用在室內(nèi)給水工程；PB管材因價格較高，很少在給水工程中應(yīng)用。HDPE管材適應(yīng)現(xiàn)代綠色生活的需求，成為現(xiàn)代乃至未來排水管材發(fā)展的趨勢。國內(nèi)應(yīng)加強管材專用樹脂的研發(fā)力度，相互配合， 促進塑料管在給排水管道工程中的推廣應(yīng)用，為建筑給排水工程提供更為優(yōu)質(zhì)的新型管材。無論建筑給排水管材如何變化，都必須結(jié)合實際情況選擇最合適的管材。

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Application of plastic pipes in building water supply and drainage

Yan Rongchun，Wang An
（Shandong Water Conservancy Vocational College，Rizhao 276826， China）

Combined with current development status of pipes， the types and application of the pipes and research progress of novel pipes in building water supply and drainage were summarized and the characters， advantages and disadvantages of the pipes were also elaborated. The author compared the properties of the plastic pipes and traditional pipes and discussed the problems of plastic pipes in application. No matter how the building water supply and drainage pipes changed， the selection of appropriate pipes should be combined with the actual conditions. The novel pipes have the characters of good impact resistance，chemical-resistant property and long service time，so they have wide application prospect.

plastic pipe；water supply and drainage；research progress

TQ 321/328

A

1002-1396（2015）06-0085-04

2015-06-25；

2015-09-16。

閆榮春，男，1967年生，碩士，高級工程師，1989年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)工業(yè)與民用建筑專業(yè)，主要研究方向為建筑結(jié)構(gòu)、建筑施工。聯(lián)系電話：13792027718。