塑料管材在建筑给排水中的应用

闫荣春，王 安

塑料管材在建筑给排水中的应用

闫荣春，王 安

（山东水利职业学院，山东省日照市 276826）

结合目前建筑给排水管材的发展形势，综述了建筑给排水中常用管材的种类、应用及新型管材的研究进展，并对其特性及优缺点进行了详细的阐述。对比分析了塑料管材与传统管材的性能，并论述了目前塑料管材在应用上存在的问题。分析得出，无论建筑给排水管材如何变化，都必须结合实际情况选择最合适的管材。与传统给排水管材相比，新型管材具有良好的抗冲击性能、耐化学药品腐蚀性以及使用寿命长等特点，因此具有广阔的应用前景。

塑料管材 给排水 研究进展

塑料管因安全、环保而广泛应用于建筑给排水、城镇给排水以及燃气管等领域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量将以年均8.5%的速率增加，而亚洲需求量的年均增长率为9.7%[1-2]。常用塑料管的原料包括硬质聚氯乙烯（UPVC）、高密度聚乙烯（HDPE）、交联聚乙烯（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]。我国目前已经建立了以聚氯乙烯（PVC），PPR，聚乙烯（PE）为主的塑料管道加工和应用产业，这三类材料占据了塑料管道的主要份额。PVC的配套产业链最为完善，占据了50%以上的市场份额。根据使用温度和耐热性能，UPVC，PE，ABS仅能用于冷水管，而PE-X，PPR，PB则可用作热水管。目前，我国塑料管道产业正从生产大国向生产强国迈进，市场对塑料管道企业提出了更高的要求。本文主要综述了塑料管材在建筑给排水中的应用。

1　各种塑料管材的特点及其研究进展

1.1UPVC与PVC管材

UPVC管材的化学稳定性好、耐化学药品腐蚀性强。UPVC管内壁光滑、安全卫生、水流阻力小[4]；但UPVC管在低温条件下较脆，在温度较高时易变软，因此不适合做热水管，也不适用于寒冷地区。与其他管材相比，UPVC管材具有较高的模量、强度和硬度，即使在不增强的情况下也能满足普通有压液体的输送要求；UPVC管的耐化学药品腐蚀性强、耐老化、使用寿命长、安装维修方便、外形美观、成本较低。UPVC管材的弯曲应力和弯曲模量较高，承受外部荷载的性能较好，因此在相同的使用条件下用料最少。刘继纯等[5]制备了具有阻燃、抗静电和耐冲击的UPVC，分析了炭黑用量和表面处理对UPVC性能的影响。结果表明：炭黑用量过少（小于6 phr）时，UPVC的导电能力减弱；炭黑用量过多（大于10 phr）时，UPVC的抗冲击性能变差，阻燃性能下降。炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，UPVC的综合性能最优。王振中等[6-7]探讨了UPVC在准静态裂纹扩展、高速裂纹扩展以及疲劳裂纹扩展的断裂机理。结果发现：UPVC在准静态荷载作用下的断裂形式为韧性断裂，在冲击荷载作用下的断裂形式为脆性断裂，在疲劳阶段的断裂形式为偏韧性断裂。

PVC径向加筋管的管外壁带有径向加强筋，可提高管的环向刚度和耐压强度；但管材在熔融挤出时的流动性及热稳定性较差，不适于制备大口径管[8-9]。PVC是非晶形聚合物，透明性较好，透光率约80%。严立万[10]将PVC及助剂按比例制成PVC给水管，管内水流情况可视，方便检修。

1.2PPR管材

PPR的化学稳定性好，耐化学药品腐蚀性强，力学性能优异。PPR管内壁光滑，阻力小，不易积垢，质轻，运输、维修方便。PPR管分为热水管和冷水管，加热到一定温度时，同材质的管与管件在几秒钟内就可以完全融为一体，解决了管道连接处漏水的问题[11]。PPR管的最高使用温度为95℃，长期使用温度为70 ℃，其导热系数为0.21 W/（m·℃），约为钢管的1/200，保温性能良好；但PPR管的膨胀系数是钢管的12倍，长期使用会因热胀冷缩而使管体变形。

2015年6月，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司生产的管材专用PPR T4401在国家化学建筑材料测试中心通过了PPR 100级认证。PPR T4401的熔体流动速率为0.5 g/10 min，具有优异的加工流动性和刚韧平衡性，并且具备典型的无规共聚物序列结构[12]。冯凯等[13]研究PPR的热氧稳定性发现，随着自然存放时间的延长，PPR在低温条件下更易发生分解，加工稳定性降低。

1.3PB管材

PB管安全无毒，可直接应用于饮用水输送，其耐高温、化学稳定性好、可塑性强、温度适用范围大且力学性能优越。在长期连续工作压力下，输送水温可达95 ℃。PB的生产厂家少，价格昂贵，是其他品种价格的1倍以上。PB管材具有极强的温度适应能力，在-30～110 ℃均可使用[14]。与PPR管相比，PB管的导热系数小，对保温材料的要求较低；PPR管在温差为50 ℃时的热膨胀力是PB管的3倍，说明在热水中使用时，PB管的膨胀量比PPR小[15]。我国应充分利用乙烯和催化裂解装置富产碳四的巨大资源，以打破国外对PB原料的垄断，推动我国管材市场的发展。

高等规PB的环向应力承受能力高、水流压力损失小、抗蠕变性能优异，施工性能与PPR相近，因此广泛用于热水管及其连接件。孙宝余等[16]评述了合成高等规PB的Ziegler-Natta催化剂体系和茂金属催化剂体系的组成及其催化1-丁烯聚合的特征，并综述了高等规PB的聚合工艺，重点介绍了液相本体法合成高等规PB的优缺点。随着我国建筑业的发展，开展合成高等规PB所用催化剂体系及聚合工艺的研究，开发具有自主知识产权的合成技术，对我国PB管材市场的发展具有重要意义。

1.4PE-X管材

PE-X管材主要应用于建筑冷热水供水管道、采暖管道和燃气管道等。它具有以下特点：1）使用温度范围宽， 可在-70～90 ℃长期使用；2）抗压强度高，使用寿命长；3）耐化学药品腐蚀性好，能耐大多数的酸、碱和其他化学品，耐环境应力开裂性能优良。毕婷婷[17]采用硅烷水解交联方法，制备了高强度聚烯烃弹性体改性的PE-X软管材料，并研究了其力学性能及热性能。结果表明：当过氧化二异丙苯的用量为基体树脂质量的0.05%，硅烷偶联剂用量为基体树脂质量的3.00%时，改性PE-X的各项性能达到最优，在100 ℃恒温198 h后，强度保持率达94%。

1.5ABS管材

ABS管材的耐酸、耐碱及耐压性能优良，抗冲击性能好，受温度、湿度的影响较小，且低温条件下不会脆化，可用于室外或北方较寒冷的地区。在原料制作及管材生产过程中，无须添加任何稳定剂，不会有重金属析出污染。ABS管的流动摩擦力小，极大减小了流体阻力，其黏合强度高，避免了一般管道存在的跑、冒、滴、漏现象[18]。

1.6HDPE管材

HDPE埋地排水管投资较小，在排水管领域倍受青睐，典型代表有HDPE实壁排水管、HDPE双壁波纹管、HDPE缠绕结构壁管、HDPE钢肋复合螺旋管等。HDPE管的特点是：1）密封性与抗渗漏性能好。2）水力特性好。HDPE管的粗糙系数为0.009～0.010，小于钢筋砼管的0.013～0.014，说明对于同口径的钢筋砼管和HDPE管，HDPE管通过的流量更大。3）安装方便。4）使用寿命长。HDPE属于惰性材料，耐化学药品腐蚀性强，可在高酸、高碱、污水等环境使用，使用寿命超过50年。5）挠曲度较好。对地基不均匀沉降具有一定的抵御能力，且管道接口较少，抗渗漏性能好[19]。

在寒冷地区，预制直埋式保温管在储存和施工过程中会出现HDPE外护层开裂现象。蒋林林等[20]从HDPE的物理性能，外护管原料及配方，挤出温度、冷却速率等成型工艺，聚氨酯保温层的预制过程，保温弯管的结构特点，环境温度以及施工过程等方面，全面分析了可能导致HDPE外护保温管开裂的原因，提出了选用适宜原料、严格控制生产过程中的工艺参数、控制聚氨酯泡沫投料量以及加强HDPE外护层保护等解决措施。

2　新型管材的研究进展

针对传统管材耐化学药品腐蚀性、耐高温性、耐压性差等问题，奚斌等[21]分析了采用新工艺生产的HDPE双重壁管的内壁粗糙系数，结果发现：当雷诺数小于2 500时，HDPE管的内壁粗糙系数宜为0.011～0.012；当雷诺数大于2 500时，管内壁粗糙系数为0.009～0.011。Borowska等[9]对建筑给排水管的老化问题进行了研究，发现紫外光辐照促进了UPVC管的老化。Ahmad等[22]研究含有稻壳、冲击改性剂的UPVC的力学性能发现，冲击改性剂含量增加，复合材料的冲击强度增大，但拉伸和弯曲性能下降。Katsuhisa等[23]研究了聚硅烷对超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）熔体流动性能的影响，结果表明：200 ℃时，聚硅烷可抑制UHMWPE在熔化过程中转矩的增加。王健军等[24]发明了一种承压层与磨损层相互分离的内衬承插式复合管，其工作层内衬在承压层内，承压层采用刚性或柔性连接，内衬层可更换，该复合管可长期使用。姜丽琴[25]发明的耐腐蚀复合管的强度高、耐压性能强。朱胜金[26]发明的新型钢塑复合缠绕波纹管由钢带、压制塑料保护层、PE螺旋波纹管制成。PE螺旋波纹管表面设有钢带，钢带上面设有表面压制塑料保护层，在熔融状态下缠绕成为一体。该方法提高了管的环刚度，增加了其使用寿命，具有成本低、质量轻、防漏、防裂、防变形等特点。

3　结语

UPVC管材最经济，多用于排水工程中，但UPVC管在低温条件下较脆，在温度较高时易变软，因此不适合做热水管；PPR管材由于其优越的性价比，广泛应用在室内给水工程；PB管材因价格较高，很少在给水工程中应用。HDPE管材适应现代绿色生活的需求，成为现代乃至未来排水管材发展的趋势。国内应加强管材专用树脂的研发力度，相互配合， 促进塑料管在给排水管道工程中的推广应用，为建筑给排水工程提供更为优质的新型管材。无论建筑给排水管材如何变化，都必须结合实际情况选择最合适的管材。

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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。

闫荣春，男，1967年生，硕士，高级工程师，1989年毕业于黑龙江科技大学工业与民用建筑专业，主要研究方向为建筑结构、建筑施工。联系电话：13792027718。