塑料管材在建筑給排水中的應(yīng)用

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(shì)，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(jìn)展，并對(duì)其特性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。對(duì)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(shí)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(zhǎng)等特點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

塑料管材 給排水 研究進(jìn)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?xì)夤艿阮I(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(zhǎng)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(guó)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(chǎng)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(guó)塑料管道產(chǎn)業(yè)正從生產(chǎn)大國(guó)向生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)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(diǎn)及其研究進(jìn)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(qiáng)。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(shí)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(qiáng)度和硬度，即使在不增強(qiáng)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(qiáng)、耐老化、使用壽命長(zhǎng)、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(duì)UPVC性能的影響。結(jié)果表明：炭黑用量過少（小于6 phr）時(shí)，UPVC的導(dǎo)電能力減弱；炭黑用量過多（大于10 phr）時(shí)，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(shí)，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(kuò)展、高速裂紋擴(kuò)展以及疲勞裂紋擴(kuò)展的斷裂機(jī)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(qiáng)筋，可提高管的環(huán)向剛度和耐壓強(qiáng)度；但管材在熔融擠出時(shí)的流動(dòng)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(qiáng)，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(yùn)輸、維修方便。PPR管分為熱水管和冷水管，加熱到一定溫度時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)期使用會(huì)因熱脹冷縮而使管體變形。

2015年6月，中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司生產(chǎn)的管材專用PPR T4401在國(guó)家化學(xué)建筑材料測(cè)試中心通過了PPR 100級(jí)認(rèn)證。PPR T4401的熔體流動(dòng)速率為0.5 g/10 min，具有優(yōu)異的加工流動(dòng)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(qiáng)、溫度適用范圍大且力學(xué)性能優(yōu)越。在長(zhǎng)期連續(xù)工作壓力下，輸送水溫可達(dá)95 ℃。PB的生產(chǎn)廠家少，價(jià)格昂貴，是其他品種價(jià)格的1倍以上。PB管材具有極強(qiáng)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(duì)保溫材料的要求較低；PPR管在溫差為50 ℃時(shí)的熱膨脹力是PB管的3倍，說明在熱水中使用時(shí)，PB管的膨脹量比PPR小[15]。我國(guó)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(guó)外對(duì)PB原料的壟斷，推動(dòng)我國(guó)管材市場(chǎng)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(píng)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(diǎn)介紹了液相本體法合成高等規(guī)PB的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的合成技術(shù)，對(duì)我國(guó)PB管材市場(chǎng)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?xì)夤艿赖?。它具有以下特點(diǎn)：1）使用溫度范圍寬， 可在-70～90 ℃長(zhǎng)期使用；2）抗壓強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)；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(qiáng)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(shí)，改性PE-X的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)，在100 ℃恒溫198 h后，強(qiáng)度保持率達(dá)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(huì)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(huì)有重金屬析出污染。ABS管的流動(dòng)摩擦力小，極大減小了流體阻力，其黏合強(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(duì)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(zhǎng)。HDPE屬于惰性材料，耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)，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(duì)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(chǔ)存和施工過程中會(huì)出現(xiàn)HDPE外護(hù)層開裂現(xiàn)象。蔣林林等[20]從HDPE的物理性能，外護(hù)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(diǎn)，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(hù)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(qiáng)HDPE外護(hù)層保護(hù)等解決措施。

2　新型管材的研究進(jìn)展

針對(duì)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(shí)，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(shí)，管內(nèi)壁粗糙系數(shù)為0.009～0.011。Borowska等[9]對(duì)建筑給排水管的老化問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紫外光輻照促進(jìn)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(qiáng)度增大，但拉伸和彎曲性能下降。Katsuhisa等[23]研究了聚硅烷對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）熔體流動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明：200 ℃時(shí)，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(zhǎng)期使用。姜麗琴[25]發(fā)明的耐腐蝕復(fù)合管的強(qiáng)度高、耐壓性能強(qiáng)。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(hù)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(hù)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(diǎn)。

3　結(jié)語(yǔ)

UPVC管材最經(jīng)濟(jì)，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(shí)易變軟，因此不適合做熱水管；PPR管材由于其優(yōu)越的性價(jià)比，廣泛應(yīng)用在室內(nèi)給水工程；PB管材因價(jià)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(shì)。國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)管材專用樹脂的研發(fā)力度，相互配合， 促進(jìn)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(shí)際情況選擇最合適的管材。

[1] 許慶開.塑料管材在給排水領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用[J].山西建筑，2009，35（10）：168.

[2] 佚名.中國(guó)塑料管道產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“三品”時(shí)代[J].國(guó)外塑料，2012，30（8）：63.

[3] 張小妮. 建筑給排水常用塑料管材選用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（11）：70-71.

[4] 楊春玲. 新型管材在建筑給水工程中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2012（5）：96.

[5] 劉繼純，張肖楠，王偉曉，等. 阻燃抗靜電耐沖擊UPVC管材料的研制[J].合成樹脂及塑料，2010，25（1）：10-12.

[6] 王振中，楊邦成，呂婧. UPVC材料的斷面形貌分析[J].2015（8）：12-14.

[7] 段靜波，雷勇軍. 線粘彈性材料中三維裂紋問題的加料有限元法[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：6-11.

[8] 姜宇. 給排水管道施工中新型管材的選用及研究進(jìn)展[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，32（13）：45-47.

[9] Borowska A，Sterzynski T，Piszczek K. Estimation of degradation of PVC-U subjected to photooxid accelerated aging[J]. Polymer，2010，55（4）：306-313.

[10] 嚴(yán)立萬. 建筑給水用透明PVC 管材研制[J].國(guó)外塑料，2011，29（4）：48-49.

[11] 薛永華. 建筑室內(nèi)給排水管材的發(fā)展及其應(yīng)用[J].山西建筑，2013，39（24）：24.

[12] 李志峰，莫明，馮凱，等. 無規(guī)共聚聚丙烯管材樹脂結(jié)構(gòu)及性能分析[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2014，25（4）：38-41.

[13] 馮凱，王強(qiáng)，李志峰，等. 管材專用PPR樹脂的熱氧穩(wěn)定性能[J].合成樹脂及塑料，2013，30（4）：62-64.

[14] 郭江波. 聚丁烯PB管在某保障房工程中的應(yīng)用[J].山西建筑，2014，40（15）：105-106.

[15] 李軍，任合剛，鄒恩廣，等.管材級(jí)聚丁烯樹脂的發(fā)展前景分析[J].煉油與化工，2014，25（4）：1-2.

[16] 孫寶余，賀愛華.高等規(guī)聚丁烯-1合成工藝研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2015（2）：1-8.

[17] 畢婷婷. 硅烷交聯(lián)POE改性聚乙烯的配方和工藝研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[18] 孫偉紅，熊偉.芻議幾種輸水工程管材的規(guī)格與性能[J].黑龍江水利科技，2014，42（5）：50-51.

[19] 侯景林.市政排水工程中HDPE管的應(yīng)用探討[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，33（23）：56-57.

[20] 蔣林林，韓文禮，張紅磊，等.高密度聚乙烯外護(hù)保溫管的開裂原因[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（7）：557-559.

[21] 奚斌，周濟(jì)人，黃才安，等.新型管材內(nèi)壁粗糙系數(shù)的試驗(yàn)研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，12（1）：76-78.

[22] Ahmad M，Rahmat A R，Hassan A.Mechanical properties of unplasticised PVC（PVC-U） containing rice husk and an impact modifier[J].Polymers & Polymer Composites，2010，18（9）：527-536.

[23] Katsuhisa T，Aiko I，Shigeya N，et al. Effect of adding polysilane on melt-flow properties of ultra-high molecular weight PE[J]. Polymer，2012，126（2）：403-409.

[24] 王健軍，張高峰，郭彪.一種內(nèi)襯承插式復(fù)合管材：中國(guó)，102116393[P]. 2011-07-06.

[25] 姜麗琴.耐腐蝕復(fù)合管材：中國(guó)，201277388[P]. 2009-07-22.

[26] 朱勝金. 一種新型鋼塑復(fù)合纏繞波紋管：中國(guó)，201916611[P]. 2011-08-03.

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(jí)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?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)、建筑施工。聯(lián)系電話：13792027718。