UPVC管材在給排水項目中應(yīng)用及粘接工藝優(yōu)化

王東勛

(北京積水潭醫(yī)院，北京 100035)

近年來，建筑材料的探索和制作工藝一直都處于發(fā)展中，其中，給排水工程中所需的材料也被不斷優(yōu)化。UPVC(Unplasticized Polyvinyl Chloride)材料具有很強的耐腐蝕性，不會生銹，且內(nèi)部十分光滑，具有極小的流動阻力。正因如此，考慮到給排水工程中的經(jīng)濟、可靠性以及技術(shù)等問題，UPVC管材在給排水項目中的應(yīng)用越來越寬廣[1]。然而，UPVC還包括一些缺點。例如，UPVC材料沒有較高的熱穩(wěn)定性和韌度，所以需要對其進行改造才可以應(yīng)用到實際工程中[2]。綜上所述，要想使得UPVC管材的功能實現(xiàn)高效發(fā)揮，就需要按照實際工程及其環(huán)境特點，在UPVC管材的制作過程中嘗試引入各類試劑，以使得UPVC管材的功能得到全面加強。

據(jù)學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，UPVC管材之所以能夠在給排水工程中發(fā)揮明顯的經(jīng)濟作用，并且對一些資源稀缺的國家可以起到一定的緩沖作用，是因為其具有幾個方面的優(yōu)勢。一是UPVC管材具有較強的耐腐蝕性和流體傳輸功能[3]；二是UPVC的造價成本低，用途大，應(yīng)用廣泛；三是UPVC管材具有便攜性，易操作，因此它能夠被頻繁地用于給排水系統(tǒng)中[4]。

綜上所述，UPVC管材的發(fā)展及其在給水排項目中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，但由于UPVC管材本身的不足，使得其應(yīng)用于給水排水工程時仍存在一些問題?；诖?，將UPVC進行優(yōu)化就顯得尤為重要。另外，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，將多功能復(fù)合增強劑MCRA(Multifunctional Compound Reinforcing Agent)融入到管材中能夠起到不錯的效果。因此，將多功能復(fù)合增強劑MCRA融入UPVC管材中，并設(shè)置實驗對其性能進行研究，這將對給排水工程的選材優(yōu)化以及功能提升產(chǎn)生一定的意義。

1 材料與方法

1.1 UPVC 管材粘接工藝

UPVC管是PVC塑料管的一種，未添加塑化劑的PVC原料稱為UPVC或PVCU；所以，UPVC是PVC管的升級版。沒有添加塑化劑PVC原料中的氯會全部揮發(fā)掉，也就是說UPVC的水管沒有殘余氯釋放。而添加塑化劑的PVC原料，有許多殘余的氯無法揮發(fā)掉，所以普通PVC的水管會有殘余氯釋放。此外，UPVC可以說是PVC的延伸優(yōu)化產(chǎn)品，其性能優(yōu)于PVC；但仍然存在色彩偏暗和收縮比偏大的問題，接口處也同樣是用膠粘接。UPVC管材的粘接流程：(1) 管材粘接前，應(yīng)用干布將承口側(cè)和插口外側(cè)擦拭處理，當(dāng)表面粘有油污時需用丙酮擦拭干凈；(2)管材斷面應(yīng)平整、垂直管軸線并進行倒角處理；粘接前應(yīng)畫好插入標(biāo)線并進行試插，試插深度只能插到原定深度的1/3～1/2，間隙過大時嚴(yán)禁使用粘接方法；(3) 涂抹粘結(jié)劑時，應(yīng)先涂抹承口內(nèi)側(cè)，后涂抹插口外側(cè)，涂抹承口時應(yīng)順軸由里向外均勻涂抹適量，不得漏涂或涂抹過量(200 g/m2)；(4) 粘結(jié)劑涂抹后，宜在20 s內(nèi)對準(zhǔn)軸線用力推擠一次連續(xù)到所畫標(biāo)線，將管材或管件旋轉(zhuǎn)小于等于90°，并在1 min內(nèi)保持施加的外力不變，保持接口的直度和位置正確；(5) 粘接完畢后及時將擠出的多余粘結(jié)劑擦凈，在固化時間內(nèi)不得受力或強行加載；(6) 粘接接頭時不得在雨中或水中施工，不得在溫度5 ℃以下操作；(7) 連接程序：準(zhǔn)備→清理工作面→試插→刷粘結(jié)劑→粘接→養(yǎng)護。

在大部分情況下，UPVC管適用于電線管道和排污管道，其中排污管最常見，所以生活中我們經(jīng)常把UPVC管直接叫做UPVC排污管。

1.1.1UPVC與PVC的異同

1) 材料不同

雖然2種材料都是由聚氯乙烯制成；但是PVC含有增塑劑，UPVC不僅不含增塑劑也不含有PVC的雙酚A。

2) 硬度不同

PVC硬度不如UPVC的硬度好，UPVC被認(rèn)為更堅固，一般能夠抵抗各種操作壓力和溫度。

3) 使用場景不同

PVC廣泛用于替代灌溉系統(tǒng)，廢水管道和水池系統(tǒng)的舊鐵管、水泥管等。另外，常用于電纜，絕大部分PVC可以提供額外的絕緣層。

UPVC因耐化學(xué)腐蝕而聞名，在許多情況下還是木材的理想替代品。例如，它可以用于制造更耐用的窗框，并且與木材相比能夠更好地承受元件。常規(guī)PVC不能用于創(chuàng)建窗框，這是因為UPVC不會分解；但普通PVC會分解。

1.1.2UPVC塑料管材的分類和特征

現(xiàn)有的UPVC管材形式多樣，可以在各類工程中發(fā)揮所需要的作用?，F(xiàn)階段，市面上的UPVC管材包括普通UPVC管材、消音式管材和芯層發(fā)泡型管材[5]；上述的后2種管材都是基于UPVC管材的高級產(chǎn)品。然而，隨著給排水工程的要求越來越高，UPVC也在不斷的進行革新。例如，消音式管材專用于排水立管，通過自身獨有的結(jié)構(gòu)，提高管道內(nèi)部的氣體輸送能力，以此增強水的流通效果，同時將排水時產(chǎn)生的噪音進行弱化，使得水管功能得到提升[6]。芯層發(fā)泡型管材亦是如此，不但具有消音功能，還能利用管材內(nèi)部的小氣孔使得水管具有保溫效果[7]。

1.1.3UPVC管材應(yīng)用時存在的問題

在建筑給排水工程中，應(yīng)用UPVC管材所存在的問題如圖1所示。

圖1 應(yīng)用UPVC管材所存在的問題Fig.1 Problems existing in the application of UPVC pipes

噪音控制：現(xiàn)階段，UPVC管材在給排水工程中應(yīng)用力度較大，但是因為給排水系統(tǒng)在運作時其產(chǎn)生的聲音較大，對周圍環(huán)境造成干擾。所以，在研究UPVC管材時，管材排水噪音大這一問題亟需解決。按照環(huán)保部門的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，日常沖水的聲音大約是55 dB，而該分貝的噪聲足以影響到居民的正常生活。因此，排水管道在設(shè)計時，需要與居民住所相隔一定的距離，而且盡量不和墻面相靠；解決管道節(jié)點位置時，應(yīng)該提前布置好支墩、軟墊等材料。綜上所述，UPVC管材要想實現(xiàn)高效的消音降噪，就需要嚴(yán)格把關(guān)管線的安設(shè)、管材種類的選取和結(jié)點問題的解決[8]。

防火控制：UPVC管材的耐火性、耐高溫性并不是很理想，當(dāng)環(huán)境溫度接近90 ℃時，UPVC管材就會出現(xiàn)變形。所以，在將UPVC管材應(yīng)用到給排水工程中，就需要對UPVC管材采取防火保護。首先，在給排水工程進行準(zhǔn)備工作時，應(yīng)當(dāng)讓UPVC管道和煙道、防火墻等消防區(qū)域避免存在相交，因此應(yīng)該將UPVC管材安設(shè)在沒有危險的墻體角落；其次，當(dāng)環(huán)境要求UPVC管材要穿插在樓層時，為了避免火災(zāi)，也應(yīng)該在管材上安設(shè)阻火圈以及防火套等設(shè)備；最后，還應(yīng)該適當(dāng)把握UPVC管道的分布規(guī)模，以及注意加強制造排水管道的安全環(huán)境[9]。

管材特質(zhì)選擇：一般的UPVC管材其實際承壓能力大約是0.5 MPa，然而，如果管材的承壓能力較弱，則必然會具有較大的安全風(fēng)險。這就要求在給排水工程進行時，需要對管材破損的問題進行一定的預(yù)防。而造成UPVC管材出現(xiàn)破損的原因大都是因為管材在不同的溫度環(huán)境中，其膨脹系數(shù)發(fā)生變化而導(dǎo)致的。因此需要對管材的伸縮量進行高度控制，并且在特殊位置添加伸縮節(jié)。首先，如果漏乘高度小于4 m，那么每層都應(yīng)該添加伸縮節(jié)；其次，為保證伸縮節(jié)能夠均勻分布，則每隔2 m，排水管線就需要伸縮節(jié)；最后，還需要重點把握伸縮節(jié)的位置安設(shè)。這就需要工作人員根據(jù)理論知識進行合理的規(guī)劃。綜上所述，當(dāng)UPVC管材出現(xiàn)各種功能問題時，需要合理規(guī)劃伸縮節(jié)的設(shè)置，以此加強建筑排水管道的可靠性和安全性[10]。

機械強度以及質(zhì)量控制：當(dāng)管材缺少增強劑的輔助作用時，此時UPVC管材的機械強度較小、易破損。在將UPVC管材應(yīng)用到給排水的應(yīng)用過程中，應(yīng)該安設(shè)固定支架來減小UPVC管材本身的質(zhì)量，此舉可以提高管道的安全性。此外，在目前的建筑材料市場中，管材質(zhì)量的高效管制還未完全實現(xiàn)，因此管材的質(zhì)量會存在不穩(wěn)定性。而在給排水系統(tǒng)中，管材是其最基礎(chǔ)的部分，因此必須對管材的質(zhì)量嚴(yán)加把關(guān)[11]。

1.2 給排水工程在醫(yī)院中的應(yīng)用

一般來講，醫(yī)院中的給排水工程包括室內(nèi)排水、室外排水、室外雨水排放以及污染物排放4個方面。其中，室內(nèi)排水是指采用清潔區(qū)、污染區(qū)、半污染區(qū)3區(qū)分流和污廢水合流形式，通氣管在屋面做消毒處理[12]。室外排水是指采用雨、污分流制。室外污水管道至消毒池前采用密閉形式，并間隔一定距離設(shè)通氣管，并且在特定地點設(shè)置化糞池和預(yù)消毒池，后排水至現(xiàn)有污水處理站處理，現(xiàn)有污水處理站主體工藝采用二級生物處理，設(shè)計出水能達到《醫(yī)療機構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18466—2005)中的綜合醫(yī)療機構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[13]。室外雨水排放是指將院區(qū)場地雨水就近排入院區(qū)已有雨水管道，就近排入市政雨水管道[14]。污染物的排放是指將污染區(qū)與清潔區(qū)的污水在室內(nèi)分別收集排放，室外排水管道管徑較大，污染風(fēng)險較小，可在室外合流排放；接入化糞池前進行了預(yù)消毒[15]。以上說明，醫(yī)院的給排水工程是比較復(fù)雜的。

1.3 給排水工程運用新型材料的必要性

根據(jù)上述可知，醫(yī)院中的給排水工程是必然需要存在的。然而，除了醫(yī)院，城市的各類建設(shè)項目均需要污水的排放，而污水的排放則由給排水系統(tǒng)來進行，因此，污水排放在環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用[16]。污水源于工業(yè)、生活以及雨水等，利用給排水系統(tǒng)能夠?qū)⑽鬯欧诺教厥獾牡攸c，并在該地點完成回收利用等工作，以此達到水資源的可持續(xù)利用[17]。給排水工程主要由管網(wǎng)、出水口以及污水處理廠等部分組成，利用給排水工程可以有效解決城市內(nèi)澇、水環(huán)境污染以及水資源節(jié)能化等問題[18]。

在給排水工程中，根據(jù)工程環(huán)境的實際狀況，選取合適的建筑材料以及高效的手段，不僅能夠保障整個工程的質(zhì)量，還能高效的把握工程的實現(xiàn)過程[19]?，F(xiàn)階段，學(xué)者們不斷研究建筑材料，得到了許多的新型材料，然后將材料與排水管材相結(jié)合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)管材到新型管材的優(yōu)化，使得給排水節(jié)能化、環(huán)?；约敖】祷痆20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 MCRA性能

MCRA增強劑和活性鈣的各項性能，具體結(jié)果如表1所示。

表1 MCRA增強劑的各項性能Tab.1 Properties of MCRA reinforcing agent

由表1可知，活性鈣的疏水率為0%，說明活性鈣的吸附性強，水分子無法通過鈣質(zhì)材料；且活性鈣的酸堿度和吸油率均大于MCRA材料。

2.2 試樣性能

2.2.1試樣的表觀性能

在初始化配方中分別融入22 份活性鈣和22 份MCRA增強劑，得到干混料的表觀性能，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 干混料的表觀性能Fig.2 Apparent properties of dry mix

由圖2可以看出，將同樣份數(shù)的活性鈣和MCRA增強劑進行混合后，得到不同的干混料樣品，其白度、干流性、穩(wěn)定時間以及表觀密度等性質(zhì)并未有大的差距；這說明2種材料的穩(wěn)定性較好。

2.2.2不同試驗樣品的力學(xué)性能

通過對干混料進行混練和壓板操作得到 1、2號樣品；2個樣品的物理性能結(jié)果如圖3所示。

圖3 2個樣品的物理性能Fig.3 Physical properties of 2 samples

從圖3可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度處于-10 ℃時，MCRA-UPVC的粘連處產(chǎn)生的撕裂數(shù)量大于活性鈣-UPVC材料。當(dāng)環(huán)境溫度處于23 ℃時，MCRA-UPVC 復(fù)合材料的粘連處出現(xiàn)撕裂后，會產(chǎn)生均勻的變形；而活性鈣-UPVC材料則呈現(xiàn)出不均勻的變形狀況。

2.3 MCRA應(yīng)用效果

2.3.1優(yōu)化后的UPVC材料物理性能

某廠家在初始配方中原有40份活性鈣中額外添加8份MCRA增強劑，得到優(yōu)化后的UPVC材料物理性能，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，融入MCRA增強劑后的材料其拉伸強度和伸長率沒有太大變化；但在23 ℃、-10 ℃的環(huán)境溫度下，融入MCRA增強劑后的材料其承受能力有一定的加強。此外，融入MCRA增強劑后的材料其壓板白度也有一定的提升。

圖4 優(yōu)化后的UPVC材料物理性能Fig.4 Physical properties of optimized UPVC material

2.3.2優(yōu)化后的UPVC材料的流變性能

對加入MCRA增強劑的UPVC材料的流變效果進行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 加入MCRA增強劑的UPVC材料的流變效果Fig.5 Rheological effect of UPVC materials with MCRA reinforcing agent

從圖5可以看出，添加MCRA增強劑后，平衡扭矩基本沒有什么變化；而在塑化扭矩方面有一定的變化。這說明，新配方的表觀黏度程度有所減小，整體的塑化能力有一定的加強，熱穩(wěn)定性也有所加強。

2.3.3維卡軟化溫度測量結(jié)果

為了進一步驗證融入MCRA增強劑的UPVC材料的高溫變形情況，將其和普通PVC以及未加入MCRA的UPVC材料進行維卡軟化溫度的對比；維卡軟化溫度實測結(jié)果如圖6所示。

圖6 維卡軟化溫度實測結(jié)果Fig.6 Measured vicat softening temperature

從圖6可以看出，添加MCRA增強劑的UPVC材料的維卡軟化平均溫度為76 ℃，普通PVC的維卡軟化平均溫度為81 ℃，未加入MCRA增強劑的UPVC材料維卡軟化平均溫度為78 ℃。以上數(shù)據(jù)說明加入MCRA增強劑的UPVC材料在高溫條件下更耐受，不易變形。

2.4 給排水工程中UPVC管材的改進

2.4.1基于承載負(fù)荷的排水改進

在建筑給排水系統(tǒng)中，水體是以膜流狀態(tài)進行流通的，UPVC管道內(nèi)壁和水體的親和度是管道優(yōu)化設(shè)計的重要影響因素。因此，想要實現(xiàn)建筑給排水的優(yōu)化設(shè)計，必須結(jié)合實際應(yīng)用管材與水體的界面張力，明確不同UPVC管道的類別、型號以及負(fù)荷能力，不能僅憑經(jīng)驗與主觀經(jīng)驗臆斷。

在建筑的給排水工程中，水的流動是以膜流形態(tài)完成的，因此，UPVC管材內(nèi)部和水接觸時的親和程度決定了管道承載負(fù)荷的大小，也影響著管道內(nèi)水流通的整體效果。所以，如果要對給排水工程進行改進，就需要以管道和水之間張力大小的實際情況為基礎(chǔ)，然后對各種UPVC管道的型號及其性能有所了解，切記不能憑經(jīng)驗自主判斷使用。

2.4.2基于內(nèi)部壓力的排水改進

現(xiàn)階段，在一些高層排水系統(tǒng)中，往往會因為管道內(nèi)水體產(chǎn)生的壓力而使得管道底部的水封膜被破壞。按照實際情況，膜流量減少的污水會具有與流速成正比的氣體量，然后在排水立管內(nèi)產(chǎn)生不正常的壓力。為了把控膜流的流速和立管的內(nèi)壓，UPVC塑料管的形狀能夠在規(guī)定的高度均勻地改變，以提高其性能，比如彎曲效率的處理和UPVC管內(nèi)表面積的擴大。

2.4.3基于高度的排水優(yōu)化設(shè)計

UPVC管道中的氣體量、立管高度和流體速度是存在一定聯(lián)系的。根據(jù)《建筑給水排水規(guī)范》(GB 55020—2021)中提到的關(guān)于通風(fēng)立管設(shè)置的內(nèi)容，建筑給排水用UPVC塑料排水管的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)按照對應(yīng)管徑來設(shè)置不同高度的流量臨界值；然后利用臨界值重置，以此完成更好的建筑排水管道改進。

3 結(jié)語

UPVC管材在建筑給排水中的應(yīng)用目前還在初級認(rèn)知過程，同時，學(xué)者們也在對UPVC 管材進行持續(xù)的研究與優(yōu)化。鑒于建筑節(jié)能的理念，應(yīng)擴大環(huán)保型UPVC管的應(yīng)用范圍。為保證UPVC多項性能的進一步提高，在UPVC管材中摻入MCRA增強劑，采用新型功能材料，增強UPVC管材在建筑給排水工程中的應(yīng)用效果。實驗結(jié)果表明，MCRA的加入一方面可以增強管材的力學(xué)性能和表面亮度；另一方面還可以有效減小微卡軟化溫度，使得管材能更加耐高溫，且使用壽命得到一定的延長。不足之處在于對UPVC管材進行優(yōu)化后，對其在實際項目中的應(yīng)用研究較少，后續(xù)將加大應(yīng)用力度，對UPVC管材的功能采取進一步的研究，從而為給排水項目所需材料的不斷優(yōu)化和提升提供理論保障。