新型塑料檢查井專用料的開發(fā)與應(yīng)用研究

郭 林,李 艷,胡俊強(qiáng),楊建華

(1.四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司,四川綿陽621000;2.昆明普爾頓管業(yè)有限公司,云南昆明650109)

0 前言

檢查井又稱“窨井”,一般設(shè)在埋地排水管道交匯處、轉(zhuǎn)彎處、管徑或坡度改變處、跌水處以及直線管段上每隔一定距離處,主要用途是便于對(duì)管道進(jìn)行定期的檢查、清潔和疏通等維護(hù)工作。根據(jù)使用功能,檢查井可分為雨水井、污水井、水封井及跌水井等。傳統(tǒng)檢查井為磚砌結(jié)構(gòu),管道系統(tǒng)中兩種不同材質(zhì)的連接難以做到完全密封,同時(shí)還由于井體與排水管間會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,造成管道和檢查井連接處經(jīng)常出現(xiàn)滲漏并污染地下水。有研究顯示,造成流沙地區(qū)管道坍塌的首要原因是接口滲漏,其次是檢查井的損壞。另外,傳統(tǒng)檢查井施工周期長和作業(yè)面大、故障率高、使用壽命短等問題一直未得到根本解決,形成了先進(jìn)的管材技術(shù)和落后的檢查井技術(shù)共存的嚴(yán)重不協(xié)調(diào)局面,不僅使塑料管道系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)得不到有效發(fā)揮,同時(shí)又為建筑地下排水管網(wǎng)埋下了嚴(yán)重隱患。在當(dāng)前構(gòu)建“節(jié)約型、環(huán)保型”社會(huì)的形勢(shì)下,此問題顯得尤為嚴(yán)重和突出,因此傳統(tǒng)檢查井已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展要求[1]。

近幾年,隨著塑料排水管在道路排水系統(tǒng)、市政管道、小區(qū)室外雨污水排水系統(tǒng)中的推廣運(yùn)用,塑料排水管已成為排水管網(wǎng)中的主流管道,對(duì)室外排水工程品質(zhì)的提升起到了很大作用。而與此同時(shí),傳統(tǒng)的磚砌檢查井在很大程度上成為小區(qū)排水管網(wǎng)中的質(zhì)量和污染隱患,與塑料檢查井相比較,其弊病已越來越突出。建設(shè)部2004年(218)號(hào)文件公布,明確禁止使用黏土實(shí)心磚,“十一·五”技術(shù)公告要求塑料管道應(yīng)優(yōu)先采用塑料檢查井,因此,塑料檢查井以其綠色、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)地等諸多優(yōu)勢(shì)成為替代磚砌檢查井的主要產(chǎn)品之一[2]。

1 塑料檢查井現(xiàn)狀

1.1 塑料檢查井分類

根據(jù)檢查井的筒體尺寸、構(gòu)造以及使用途徑來看,檢查井可以分為以下幾類:

(1)建筑小區(qū)用塑料檢查井。尺寸一般在1000 mm以下,形式多,構(gòu)造比較復(fù)雜;

(2)市政工程用檢查井。多為大型檢查井(又稱人孔),構(gòu)造較簡單,尺寸一般在1000 mm以上;

(3)廠礦、企業(yè)排污用檢查井。尺寸在700～1200 mm,用于化工、制藥等高污染企業(yè)污水工程。

1.2 生產(chǎn)和使用現(xiàn)狀

塑料檢查井屬于一種預(yù)制型檢查井。最早開始在歐美等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用,大多采用聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(PE-HD)為原材料,制備方式主要為模壓方式。在使用中采用預(yù)留接口與管道連接,不用時(shí)則封閉,并通過切割或分節(jié)組合方式調(diào)節(jié)施工使用高度。由于塑料檢查井在強(qiáng)度上有一定不足,不能承擔(dān)車輛荷載,所以其主要還是應(yīng)用在住宅小區(qū)內(nèi)、非承壓地段的管道連接和檢查[3]。

在國內(nèi),目前塑料檢查井基本上都采用普通PE-HD纏繞管或鋼帶增強(qiáng)管等通過焊接方式制備或PVC注射成型,雖然好于傳統(tǒng)檢查井,但還是存在制備麻煩、焊接部位強(qiáng)度缺陷和強(qiáng)度(環(huán)剛度)低和施工不便的問題。近來有廠家采用聚丙烯(PP)為原料通過模具注塑來制備檢查井。這種檢查井組裝方便,結(jié)構(gòu)比較合理。實(shí)際檢測(cè)和使用中,普通的PP塑料檢查井又存在著強(qiáng)度和成本的問題。這些問題是塑料檢查井大規(guī)模推廣使用中的一個(gè)瓶頸問題。因此開發(fā)出一種高性能并具有較低成本的塑料檢查井專用料成為了解決塑料檢查井應(yīng)用難題的關(guān)鍵工作。

2 新型塑料檢查井專用料開發(fā)

當(dāng)前在塑料檢查井生產(chǎn)上主要以PE-HD、PVC或粉化PE料為原材料,存在的問題是原材料加工性能差,強(qiáng)度低,終端產(chǎn)品在模量、韌性和成本方面的等綜合性價(jià)比不高。針對(duì)這些問題,四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司結(jié)合塑料檢查井加工、應(yīng)用特點(diǎn)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì),對(duì)檢查井的原材料和加工工藝做了長時(shí)間的研究開發(fā)。采用復(fù)合共混增強(qiáng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有塑料檢查井原材料進(jìn)行了性能改進(jìn),顯著提高了檢查井原材料本身的力學(xué)性能,開發(fā)出了一系列塑料檢查井專用料?？梢酝ㄟ^注塑、澆注模壓等加工方式來制備各種類型或不同使用要求的塑料檢查井,具有優(yōu)良力學(xué)性能,不僅可用于小區(qū)排水,也可用于有載荷要求的路政施工。

2.1 制備工藝

對(duì)普通檢查井原料的改性主要是提高其加工和力學(xué)方面的性能,并根據(jù)實(shí)際使用情況降低產(chǎn)品成本。四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司的塑料檢查井制備工藝包括原料活化處理、混合、反應(yīng)擠出3個(gè)環(huán)節(jié)。生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 檢查井專用料生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Process chart for the preparation of the special material

(1) 活化處理與混合

活化處理環(huán)節(jié)是對(duì)增強(qiáng)、增韌材料做類似于表面活化處理或分子官能團(tuán)化處理,有利于提高體系的相容性,使增強(qiáng)、增韌效果得到顯著提高。實(shí)驗(yàn)表明,在108℃下將活化處理劑分3次加入,并采用1000 r/min的高速攪拌方式對(duì)無機(jī)剛性材料進(jìn)行表面活化處理可以顯著提高增強(qiáng)材料與體系的相容性,從而使材料的強(qiáng)度提高1倍以上。處理后的原料在混和器內(nèi)進(jìn)行中等強(qiáng)度(100～400 r/min)的混合,以確保體系達(dá)到宏觀混合均勻,有利于后續(xù)加工的穩(wěn)定性。

(2) 擠出工藝

塑料檢查井專用料以雙螺桿擠出機(jī)為主要加工設(shè)備。影響產(chǎn)品性能的主要因素有加工溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺桿組合3個(gè)工藝參數(shù)。

加工溫度是重要參數(shù),溫度設(shè)置不僅要確保物料的熔化和混合,并還需注意不利影響,如副反應(yīng)和物料降解等。在擠出加工過程中,溫度實(shí)行臨界設(shè)置,即設(shè)置在140～165℃,熔融段設(shè)置為145～150℃,這是由實(shí)驗(yàn)使用的PP本身特性決定的,有利于塑化共混,而又不至于發(fā)生熱氧化降解,機(jī)頭溫度一般控制在160℃以上,以確保出料順暢,不至于產(chǎn)生較大熔體壓力引發(fā)負(fù)面效應(yīng)發(fā)生。螺桿轉(zhuǎn)速則控制在180～280 r/min。這種設(shè)置可以使增強(qiáng)材料的尺寸控制在2 mm以上,確保其有足夠的尺寸效應(yīng),同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率。過高的主機(jī)轉(zhuǎn)速固然可以提高產(chǎn)量但因高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的高剪切和高熱效應(yīng)將使PP發(fā)生嚴(yán)重分解,增強(qiáng)材料尺寸也遠(yuǎn)小于2 mm,得到的專用料的諸多性能(熔體流動(dòng)速率、強(qiáng)度等)都無法滿足使用要求。螺桿組合則是影響產(chǎn)品性能和產(chǎn)量的另一重要因素。螺桿組合有兩個(gè)功能,一是取得最佳的混合和分散能力,二是控制體系的混合強(qiáng)度。在共混改性材料的生產(chǎn)中,不同組分間的分散程度和效果是影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。同時(shí)混合分散的強(qiáng)度也對(duì)組分分散和尺寸起到?jīng)Q定作用。這兩個(gè)功能是通過螺桿組合來實(shí)現(xiàn)的。塑料檢查井專用料的性能除了跟材料本身特性有關(guān)外,不同組分間的混合分散程度是決定性能的又一個(gè)重要因素。因此在螺桿組合的設(shè)計(jì)上采用低強(qiáng)度高分散能力的組合,即12～14組嚙合螺桿均勻分布在塑化區(qū)段。

通過上述實(shí)驗(yàn)中的加工溫度部分區(qū)段采用了臨界設(shè)置并結(jié)合了特殊設(shè)計(jì)的螺桿組合,使共混體系在分散程度和組分尺寸上充分符合增強(qiáng)增韌需要,并通過最終造粒得到高性能的塑料檢查井專用樹脂。

2.2 專用料性能測(cè)試

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比,檢查井專用料在熔體流動(dòng)速率、強(qiáng)度、耐候性測(cè)試及檢查井性能上比普通料具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 專用料及普通料性能對(duì)比Tab.1 Comparison of the specialmaterial and general ones

2.3 專用料特點(diǎn)

(1)技術(shù)性能。通過原材料選擇、配方設(shè)計(jì)和共混增強(qiáng)技術(shù)的使用,與普通同類樹脂相比,塑料檢查井專用料具有優(yōu)良的彎曲模量、彎曲強(qiáng)度,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)提高3倍以上,耐候能力強(qiáng)。通過客戶生產(chǎn)試驗(yàn)表明,本產(chǎn)品注塑生產(chǎn)的塑料檢查井(直徑1000 mm)環(huán)剛度達(dá)到3.0以上。性能優(yōu)良,完全可以替代現(xiàn)有檢查井生產(chǎn)原料,性價(jià)比高;

(2)加工性能?？梢酝ㄟ^注塑、模壓、澆注等方式進(jìn)行塑料檢查井的成型加工。具有熔融塑化速度快,成型性好、收縮率低和外觀良好及成型周期短的優(yōu)點(diǎn);

(3)使用性能?？筛鶕?jù)不同施工地域要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),替代普通塑料檢查井原料,解決強(qiáng)度、成本等問題。成型加工對(duì)設(shè)備無特殊要求,不產(chǎn)生額外設(shè)備投資,具有原料來源廣泛、流程簡潔、工藝穩(wěn)定、可操作性高的特點(diǎn)。

3 應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用范圍

(1)建筑小區(qū)(居住區(qū)、公共建筑區(qū)、廠區(qū)等)范圍內(nèi)埋地塑料排水不下井操作的塑料排水檢查井;

(2)一般土質(zhì)、軟土土質(zhì)、季節(jié)性凍土土質(zhì)和濕陷性黃土土質(zhì)條件下的塑料排水檢查井;

(3)具有一定地面荷載市政道路施工用檢查井;

(4)通過模具的調(diào)整,該專用料還可以用于農(nóng)村地區(qū)集水器、沼氣池和化糞池等大型中空容器制備。

3.2 應(yīng)用評(píng)價(jià)

目前國內(nèi)對(duì)于塑料檢查井的標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(CJT 233—2006建筑小區(qū)排水用塑料檢查井)對(duì)塑料檢查井的原材料提出了相應(yīng)技術(shù)要求,國家標(biāo)準(zhǔn)則還在制定中。本專用料性能遠(yuǎn)高于CJT 233-2006的要求,從客戶的使用追蹤來看,專用料在強(qiáng)度、施工應(yīng)用上表現(xiàn)突出[4]。

(1)高強(qiáng)度。易于運(yùn)輸和安裝,性能可靠,承載能力強(qiáng),加筋產(chǎn)品具備負(fù)載良好的能力;

(2)高韌性。具有良好的抗裂和抗沖擊能力;

(3)耐候性能。耐候測(cè)試熔體流動(dòng)速率變化率＜30%;

(4)檢查井內(nèi)壁光滑流暢。雨污排放率是傳統(tǒng)檢查井的1～3倍;

(5)高性價(jià)比。成本相比于同類塑料檢查井降低20%以上。

圖2為該專用料制備得到的兩種類型的塑料檢查井的主體結(jié)構(gòu)。

隨著我國城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)和城市雨污分流改造的持續(xù)實(shí)施,城市地下排水管網(wǎng)得以快速發(fā)展和不斷完善,國內(nèi)每年僅排水用檢查井市場(chǎng)需求在400萬套以上,塑料檢查井產(chǎn)業(yè)具有良好的市場(chǎng)前景,該產(chǎn)品具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

圖2 專用料制備的2種塑料檢查井的主體結(jié)構(gòu)Fig.2 The main structure of two kinds of p lastics manhole producted with the specialmaterial

4 結(jié)語

(1)采用分3次加入活化處理劑,并高速攪拌的方式對(duì)無機(jī)剛性材料進(jìn)行表面活化處理可以顯著提高增強(qiáng)材料與體系的相容性,使PP的強(qiáng)度提高1倍以上;

(2)專用料的熔體流動(dòng)速率、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度以及所得制品的環(huán)剛度和耐候性均比普通料有顯著提高,適合塑料檢查井的使用。

[1] 張祥中,林廷獻(xiàn).塑料排水檢查井在住宅小區(qū)的應(yīng)用前景[J].中國給水排水,2008,(6):99-101.

[2] 陸威臣.排水用塑料檢查井的設(shè)計(jì)應(yīng)用探討[J].給水排水,2008,(增刊):158-161.

[3] 朱保羅,唐建國.塑料排水檢查井應(yīng)用嘗試和體會(huì)[J].給水排水,2004,(6):100-101.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.CJT 233—2006建筑小區(qū)排水用塑料檢查井[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.