新型塑料检查井专用料的开发与应用研究

郭 林,李 艳,胡俊强,杨建华

(1.四川仁智油田技术服务股份有限公司,四川绵阳621000;2.昆明普尔顿管业有限公司,云南昆明650109)

0 前言

检查井又称“窨井”,一般设在埋地排水管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处、跌水处以及直线管段上每隔一定距离处,主要用途是便于对管道进行定期的检查、清洁和疏通等维护工作。根据使用功能,检查井可分为雨水井、污水井、水封井及跌水井等。传统检查井为砖砌结构,管道系统中两种不同材质的连接难以做到完全密封,同时还由于井体与排水管间会产生不均匀沉降,造成管道和检查井连接处经常出现渗漏并污染地下水。有研究显示,造成流沙地区管道坍塌的首要原因是接口渗漏,其次是检查井的损坏。另外,传统检查井施工周期长和作业面大、故障率高、使用寿命短等问题一直未得到根本解决,形成了先进的管材技术和落后的检查井技术共存的严重不协调局面,不仅使塑料管道系统的优势得不到有效发挥,同时又为建筑地下排水管网埋下了严重隐患。在当前构建“节约型、环保型”社会的形势下,此问题显得尤为严重和突出,因此传统检查井已经不能适应现代基础建设的发展要求[1]。

近几年,随着塑料排水管在道路排水系统、市政管道、小区室外雨污水排水系统中的推广运用,塑料排水管已成为排水管网中的主流管道,对室外排水工程品质的提升起到了很大作用。而与此同时,传统的砖砌检查井在很大程度上成为小区排水管网中的质量和污染隐患,与塑料检查井相比较,其弊病已越来越突出。建设部2004年(218)号文件公布,明确禁止使用黏土实心砖,“十一·五”技术公告要求塑料管道应优先采用塑料检查井,因此,塑料检查井以其绿色、环保、节能、节地等诸多优势成为替代砖砌检查井的主要产品之一[2]。

1 塑料检查井现状

1.1 塑料检查井分类

根据检查井的筒体尺寸、构造以及使用途径来看,检查井可以分为以下几类:

(1)建筑小区用塑料检查井。尺寸一般在1000 mm以下,形式多,构造比较复杂;

(2)市政工程用检查井。多为大型检查井(又称人孔),构造较简单,尺寸一般在1000 mm以上;

(3)厂矿、企业排污用检查井。尺寸在700～1200 mm,用于化工、制药等高污染企业污水工程。

1.2 生产和使用现状

塑料检查井属于一种预制型检查井。最早开始在欧美等发达国家应用,大多采用聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(PE-HD)为原材料,制备方式主要为模压方式。在使用中采用预留接口与管道连接,不用时则封闭,并通过切割或分节组合方式调节施工使用高度。由于塑料检查井在强度上有一定不足,不能承担车辆荷载,所以其主要还是应用在住宅小区内、非承压地段的管道连接和检查[3]。

在国内,目前塑料检查井基本上都采用普通PE-HD缠绕管或钢带增强管等通过焊接方式制备或PVC注射成型,虽然好于传统检查井,但还是存在制备麻烦、焊接部位强度缺陷和强度(环刚度)低和施工不便的问题。近来有厂家采用聚丙烯(PP)为原料通过模具注塑来制备检查井。这种检查井组装方便,结构比较合理。实际检测和使用中,普通的PP塑料检查井又存在着强度和成本的问题。这些问题是塑料检查井大规模推广使用中的一个瓶颈问题。因此开发出一种高性能并具有较低成本的塑料检查井专用料成为了解决塑料检查井应用难题的关键工作。

2 新型塑料检查井专用料开发

当前在塑料检查井生产上主要以PE-HD、PVC或粉化PE料为原材料,存在的问题是原材料加工性能差,强度低,终端产品在模量、韧性和成本方面的等综合性价比不高。针对这些问题,四川仁智油田技术服务股份有限公司结合塑料检查井加工、应用特点和市场发展趋势,对检查井的原材料和加工工艺做了长时间的研究开发。采用复合共混增强技术对现有塑料检查井原材料进行了性能改进,显著提高了检查井原材料本身的力学性能,开发出了一系列塑料检查井专用料。可以通过注塑、浇注模压等加工方式来制备各种类型或不同使用要求的塑料检查井,具有优良力学性能,不仅可用于小区排水,也可用于有载荷要求的路政施工。

2.1 制备工艺

对普通检查井原料的改性主要是提高其加工和力学方面的性能,并根据实际使用情况降低产品成本。四川仁智油田技术服务股份有限公司的塑料检查井制备工艺包括原料活化处理、混合、反应挤出3个环节。生产工艺流程如图1所示。

图1 检查井专用料生产工艺流程图Fig.1 Process chart for the preparation of the special material

(1) 活化处理与混合

活化处理环节是对增强、增韧材料做类似于表面活化处理或分子官能团化处理,有利于提高体系的相容性,使增强、增韧效果得到显著提高。实验表明,在108℃下将活化处理剂分3次加入,并采用1000 r/min的高速搅拌方式对无机刚性材料进行表面活化处理可以显著提高增强材料与体系的相容性,从而使材料的强度提高1倍以上。处理后的原料在混和器内进行中等强度(100～400 r/min)的混合,以确保体系达到宏观混合均匀,有利于后续加工的稳定性。

(2) 挤出工艺

塑料检查井专用料以双螺杆挤出机为主要加工设备。影响产品性能的主要因素有加工温度、主机转速和螺杆组合3个工艺参数。

加工温度是重要参数,温度设置不仅要确保物料的熔化和混合,并还需注意不利影响,如副反应和物料降解等。在挤出加工过程中,温度实行临界设置,即设置在140～165℃,熔融段设置为145～150℃,这是由实验使用的PP本身特性决定的,有利于塑化共混,而又不至于发生热氧化降解,机头温度一般控制在160℃以上,以确保出料顺畅,不至于产生较大熔体压力引发负面效应发生。螺杆转速则控制在180～280 r/min。这种设置可以使增强材料的尺寸控制在2 mm以上,确保其有足够的尺寸效应,同时兼顾生产效率。过高的主机转速固然可以提高产量但因高转速产生的高剪切和高热效应将使PP发生严重分解,增强材料尺寸也远小于2 mm,得到的专用料的诸多性能(熔体流动速率、强度等)都无法满足使用要求。螺杆组合则是影响产品性能和产量的另一重要因素。螺杆组合有两个功能,一是取得最佳的混合和分散能力,二是控制体系的混合强度。在共混改性材料的生产中,不同组分间的分散程度和效果是影响产品性能的关键。同时混合分散的强度也对组分分散和尺寸起到决定作用。这两个功能是通过螺杆组合来实现的。塑料检查井专用料的性能除了跟材料本身特性有关外,不同组分间的混合分散程度是决定性能的又一个重要因素。因此在螺杆组合的设计上采用低强度高分散能力的组合,即12～14组啮合螺杆均匀分布在塑化区段。

通过上述实验中的加工温度部分区段采用了临界设置并结合了特殊设计的螺杆组合,使共混体系在分散程度和组分尺寸上充分符合增强增韧需要,并通过最终造粒得到高性能的塑料检查井专用树脂。

2.2 专用料性能测试

通过实验对比,检查井专用料在熔体流动速率、强度、耐候性测试及检查井性能上比普通料具有明显的优势。对比测试结果如表1所示。

表1 专用料及普通料性能对比Tab.1 Comparison of the specialmaterial and general ones

2.3 专用料特点

(1)技术性能。通过原材料选择、配方设计和共混增强技术的使用,与普通同类树脂相比,塑料检查井专用料具有优良的弯曲模量、弯曲强度,相关技术指标提高3倍以上,耐候能力强。通过客户生产试验表明,本产品注塑生产的塑料检查井(直径1000 mm)环刚度达到3.0以上。性能优良,完全可以替代现有检查井生产原料,性价比高;

(2)加工性能。可以通过注塑、模压、浇注等方式进行塑料检查井的成型加工。具有熔融塑化速度快,成型性好、收缩率低和外观良好及成型周期短的优点;

(3)使用性能。可根据不同施工地域要求进行产品设计,替代普通塑料检查井原料,解决强度、成本等问题。成型加工对设备无特殊要求,不产生额外设备投资,具有原料来源广泛、流程简洁、工艺稳定、可操作性高的特点。

3 应用分析

3.1 应用范围

(1)建筑小区(居住区、公共建筑区、厂区等)范围内埋地塑料排水不下井操作的塑料排水检查井;

(2)一般土质、软土土质、季节性冻土土质和湿陷性黄土土质条件下的塑料排水检查井;

(3)具有一定地面荷载市政道路施工用检查井;

(4)通过模具的调整,该专用料还可以用于农村地区集水器、沼气池和化粪池等大型中空容器制备。

3.2 应用评价

目前国内对于塑料检查井的标准只有一个企业标准(CJT 233—2006建筑小区排水用塑料检查井)对塑料检查井的原材料提出了相应技术要求,国家标准则还在制定中。本专用料性能远高于CJT 233-2006的要求,从客户的使用追踪来看,专用料在强度、施工应用上表现突出[4]。

(1)高强度。易于运输和安装,性能可靠,承载能力强,加筋产品具备负载良好的能力;

(2)高韧性。具有良好的抗裂和抗冲击能力;

(3)耐候性能。耐候测试熔体流动速率变化率＜30%;

(4)检查井内壁光滑流畅。雨污排放率是传统检查井的1～3倍;

(5)高性价比。成本相比于同类塑料检查井降低20%以上。

图2为该专用料制备得到的两种类型的塑料检查井的主体结构。

随着我国城镇化的深入推进和城市雨污分流改造的持续实施,城市地下排水管网得以快速发展和不断完善,国内每年仅排水用检查井市场需求在400万套以上,塑料检查井产业具有良好的市场前景,该产品具有较好的市场推广价值。

图2 专用料制备的2种塑料检查井的主体结构Fig.2 The main structure of two kinds of p lastics manhole producted with the specialmaterial

4 结语

(1)采用分3次加入活化处理剂,并高速搅拌的方式对无机刚性材料进行表面活化处理可以显著提高增强材料与体系的相容性,使PP的强度提高1倍以上;

(2)专用料的熔体流动速率、弯曲模量、弯曲强度、缺口冲击强度以及所得制品的环刚度和耐候性均比普通料有显著提高,适合塑料检查井的使用。

[1] 张祥中,林廷献.塑料排水检查井在住宅小区的应用前景[J].中国给水排水,2008,(6):99-101.

[2] 陆威臣.排水用塑料检查井的设计应用探讨[J].给水排水,2008,(增刊):158-161.

[3] 朱保罗,唐建国.塑料排水检查井应用尝试和体会[J].给水排水,2004,(6):100-101.

[4] 中华人民共和国建设部.CJT 233—2006建筑小区排水用塑料检查井[S].北京:中国标准出版社,2006.