給排水管材檢測參數(shù)意義探討

武允超

（安徽省水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠 233000）

1 PVC、PP 管的概念及特性

1.1 PVC 及PVC 管概念及特性

PVC（聚氯乙烯）為熱塑性樹脂，PVC 管是指以聚氯乙烯（PVC）樹脂為主要原料，經(jīng)工藝成型的聚氯乙烯管狀材料，常用于建筑、市政給排水管道，主要分為PVC-U、PVC-M、PVC-O 三種管材。其技術(shù)起源于德國，是德國于1933 年研發(fā)的，我國從20世紀(jì)60 年代開始研制使用PVC 管材，由PVC 制成的管材具有耐寒、耐腐蝕、價(jià)格低廉等特征。

1.2 PP 及PP 管概念及特性

PP 管材指以聚丙烯（PP）為主要原料，經(jīng)工藝成型的聚丙烯管狀材料，是歐洲于20 世紀(jì)90 年代研發(fā)的。PP 管在建筑工程中常用于冷熱水飲水管、采暖系統(tǒng)等，主要分為PP-R（無規(guī)共聚聚丙烯）、PP-H（均聚聚丙烯）、PP-B（嵌段共聚聚丙烯）三種管材。PP 材料為半結(jié)晶型非極性聚合材料，密度約為0.89～0.91g/cm3，在五大通用樹脂中最輕。與傳統(tǒng)的金屬管相比，具有很高的耐彎折性能且不存在環(huán)境因素導(dǎo)致的應(yīng)力開裂的問題，耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性均較好，不會(huì)污染水源，可在120℃下長期使用。但是同時(shí)也存在收縮率較高、低溫抗沖擊性能差、不耐磨、耐老化差等缺點(diǎn)。工程上多使用PP-R，采用乙烯與PP 共聚，增強(qiáng)PP 的韌性與耐低溫性能。

2 管材的檢測指標(biāo)

PVC 與PP 管材的諸多優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于建筑、市政工程的給排水方面，所以管材本身的強(qiáng)度、韌性、耐內(nèi)水壓、耐腐蝕等性能極為重要，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也針對(duì)管材的用途及特點(diǎn)設(shè)置了相關(guān)檢測參數(shù)與指標(biāo)，本文就現(xiàn)行規(guī)范常見的檢測參數(shù)作出詳細(xì)說明，闡述了各個(gè)檢測參數(shù)對(duì)于管材物化性能的代表意義。

常見的PVC、PP 管檢測指標(biāo)見表1。

2.1 密度

密度是管材最基本的物理性能指標(biāo)之一。PVC 管材是以PVC 為主要原料，加入必要的添加劑作為輔料，通過主料與輔料經(jīng)過混合—攪拌—過篩—擠出—定型等工藝步驟生產(chǎn)。檢測試驗(yàn)中一般采用液體浸漬法，通過測量管材試件在空氣中和蒸餾水中的質(zhì)量差進(jìn)行密度計(jì)算。檢測此項(xiàng)指標(biāo)是考察PVC 管材在擠出過程中是否密實(shí)，添加的輔料是否合格的一個(gè)間接證明。

2.2 拉伸性能

從管材上沿縱向平行于管軸線取條并加工成總長為115mm的啞鈴型試樣，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行等速拉伸，通過試驗(yàn)機(jī)及引伸計(jì)讀數(shù)測得試樣的拉伸性能。拉伸性能是管材的重要力學(xué)性能，包含拉伸屈服應(yīng)力及斷裂伸長率兩個(gè)指標(biāo)，是管材的力學(xué)強(qiáng)度及韌性的度量。拉伸性能差的管材，強(qiáng)度低、脆，在外力作用下易破裂。

2.3 縱向回縮率

通過測量管材在特定溫度的烘箱或液體中放置特定時(shí)間，冷卻至室溫后其長度的變化率，檢測在熱影響下，管材沿縱向收縮的百分比。是熱塑性管材在熱源影響下沿縱向塑性變形的穩(wěn)定性指標(biāo)，它考察的是管材對(duì)日光照射（光照強(qiáng)烈地區(qū)）、環(huán)境溫度變化（早晚溫差大的地區(qū)）及其他熱源影響的承受能力。縱向回縮率越小，管材的尺寸熱穩(wěn)定性越強(qiáng)，適用性越廣，使用年限也越長。

表1 建筑工程用PVC、PP 管常見物理性能檢測參數(shù)

2.4 維卡軟化溫度

維卡軟化試驗(yàn)是維卡爾于1894 年提出，1910 年最先由德國正式建立的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過程是把邊長為10mm 的加工試件放在液體或加熱箱中，勻速升高加熱裝置的溫度，測定標(biāo)準(zhǔn)壓針在50±1N 力的作用下，記錄壓針頭刺入試樣1mm 時(shí)的溫度，即為維卡軟化溫度（用VST 表示），單位為℃。我國于1970 年采用這一方法測定熱塑性塑料的熱性能，1979 年建立國家標(biāo)準(zhǔn)。

非晶態(tài)高分子材料的軟化實(shí)質(zhì)上是玻璃化轉(zhuǎn)變，溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)，材料為柔性狀態(tài)；低于玻璃化轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)，材料為剛性狀態(tài)。維卡軟化溫度是表示材料耐熱性能的重要質(zhì)量指標(biāo)，表征材料在溫度升高時(shí)保持其物理機(jī)械性質(zhì)的能力，是材料使用時(shí)期望的軟化溫度，適用于衡量熱塑性硬質(zhì)或半硬質(zhì)材料，不適用于衡量熱固性材料和軟質(zhì)材料。維卡軟化點(diǎn)高，管材的耐熱性能好。

2.5 二氯甲烷浸漬試驗(yàn)（PVC-U 管材）

聚氯乙烯在擠出生產(chǎn)的過程是PVC 粒子經(jīng)粉碎、晶體熔融形成二維網(wǎng)絡(luò)，即塑化的過程。塑化度，是PVC 粒子熔融程度的標(biāo)志，未經(jīng)塑化的PVC 樹脂，可溶于如二氯甲烷等有機(jī)溶劑，使管材表面出現(xiàn)脫落、起皮、起絮等現(xiàn)象。PVC 塑化后形成貫穿整個(gè)制品的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)制品的力學(xué)性能。因此塑化度在一定程度上會(huì)影響管材的力學(xué)性能，塑化度過低，管材力學(xué)性能也很低。塑化度不均，也會(huì)導(dǎo)致管材整體質(zhì)量不均，易出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。

二氯甲烷浸漬試驗(yàn)是將PVC 管材切割為指定長度，根據(jù)它的壁厚將其一個(gè)端面切割為一定角度的斜面，將試樣在二氯甲烷恒溫水浴中浸漬（30±1）min 來測試試樣在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫度下的破壞程度，是管材生產(chǎn)過程中簡便的質(zhì)量控制，也是衡量管材塑化程度和均一性的指標(biāo)。即二氯甲烷浸漬試驗(yàn)檢測兩個(gè)方面，管材塑化度和管材均一性。

2.6 液壓試驗(yàn)

液壓試驗(yàn)指標(biāo)通常用于給水管，排水管不做此項(xiàng)檢測。是測量管材在一定溫度下的耐內(nèi)水壓性能的指標(biāo)，試驗(yàn)過程是將試樣經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)后，在規(guī)定的恒定靜液壓（內(nèi)水壓）下，在規(guī)定的溫度下，保持一個(gè)規(guī)定的時(shí)間或直至試樣發(fā)生破壞、滲漏。適用于試樣內(nèi)部為水，外部為水（水—水試驗(yàn)）、空氣（水—空氣試驗(yàn)）及其他液體（水—其他液體試驗(yàn)）的耐內(nèi)壓性能試驗(yàn)。液壓試驗(yàn)是給水管性能最直觀的體現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果的好壞直接表征著管材的使用壽命。

2.7 落錘沖擊試驗(yàn)

落錘沖擊試驗(yàn)是在沖擊負(fù)荷作用下測定材料的抗沖擊強(qiáng)度，用來衡量材料在受外力沖擊狀態(tài)下的韌性和對(duì)斷裂的抵抗力。在PVC 管材檢測中，采用時(shí)針旋轉(zhuǎn)法，以規(guī)定質(zhì)量和尺寸的落錘從規(guī)定高度自由落體，依次沖擊試驗(yàn)樣品沿管徑等分的不同部位，觀察管材有無破壞及裂紋來測定熱塑性塑料管材耐外沖擊性能，整批產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其沖擊破壞總數(shù)除以沖擊總數(shù)即為真實(shí)沖擊率（TIR），以百分?jǐn)?shù)表示。檢測標(biāo)準(zhǔn)采用區(qū)間估計(jì)法，即在進(jìn)行一定數(shù)量的子樣沖擊試驗(yàn)后，根據(jù)子樣的數(shù)據(jù)特性，按一定置信度（90%）和分布規(guī)律推定批量管材的真實(shí)沖擊率可能落在的區(qū)間。

2.8 環(huán)剛度、環(huán)柔性

排水管道為非承壓管道，無內(nèi)壓負(fù)載，破壞形式一般為外壓荷載造成管材變形過大導(dǎo)致破裂。排水管本身承受外壓載荷的能力很大程度上決定了管材的使用壽命。管材環(huán)向彎曲剛度指標(biāo)是指管道抵抗環(huán)向負(fù)載變形的能力，簡稱環(huán)剛度。外壓荷載主要為覆土重量，塑料排水管道的最大和最小覆土厚度通常受外壓荷載的控制，其最大變形往往控制在5%以內(nèi)。因此將管材外加壓荷，使其勻速變形到一定的量所測得力值來確定環(huán)剛度，即用管試樣橫截面內(nèi)徑變形量為3%的力值計(jì)算環(huán)剛度；用管材試樣截面外徑方向變形量為30%時(shí)，觀察管材有無破裂、外壁有無反向彎曲等來判定環(huán)柔度。環(huán)剛度越高及環(huán)柔性越好，管材在外壓荷載的情況下就越不容易破裂。

2.9 PP 管材氧化誘導(dǎo)時(shí)間

聚丙烯（PP）不均一的空間構(gòu)型以及結(jié)構(gòu)中的三級(jí)碳原子上的氫對(duì)氧化較為敏感，容易受到紫外線、熱氧、光作用發(fā)生氧化降解，造成性能下降。因此，使用氧化誘導(dǎo)時(shí)間來作為聚丙烯管的質(zhì)量控制指標(biāo)。氧化誘導(dǎo)時(shí)間是穩(wěn)定化材料耐氧化分解的一種度量，就是將管材的使用環(huán)境（氧氣、氮?dú)?、室溫）人為的加以改變，以提高氧氮濃度?0 倍的環(huán)境溫度（PP 管為210℃）為手段，在這種極端條件下，看材料發(fā)生自動(dòng)催化氧化所需的時(shí)間（等同于加速氧化降解試驗(yàn)）。氧化誘導(dǎo)時(shí)間通過量熱法測定，以min 表示。氧化誘導(dǎo)時(shí)間（OIT）越長，管道使用壽命就越長。

3 展望

高分子塑料經(jīng)過多年的發(fā)展，在建筑行業(yè)，已與木材、鋼材、水泥合稱為四大基礎(chǔ)建材。PVC（聚氯乙烯）與PP（聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、PE（聚乙烯）、ABS（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物）并稱五大通用樹脂，由通用樹脂制成的塑料管材具有的重量輕、費(fèi)用低、施工簡便、化學(xué)穩(wěn)定性好等種種優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和建筑業(yè)中。國外發(fā)達(dá)國家塑料管材應(yīng)用起步早，產(chǎn)量大，使用較普遍，而我國從20 世紀(jì)60 年代材開始研制使用各種塑料管材，市場遠(yuǎn)未飽和，加之我國“十四五”規(guī)劃中要求統(tǒng)籌推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。因此可見在將來，塑料管材的應(yīng)用前景將會(huì)越來越廣闊。由于市場魚龍混雜，要求我們對(duì)管材的質(zhì)量要嚴(yán)格把控，對(duì)各種管材的指標(biāo)代表的性能稔熟于胸，努力建設(shè)質(zhì)量合格的建筑材料市場。