PVC-O管材在非开挖工程中应用的可行性分析

陈敏,卢昱文，周志鹏，鲍岳祥

(1.浙江华丰新材料股份有限公司，浙江 杭州 311400;2.浙江中财管道科技股份有限公司，浙江 新昌 312500)

随着城市的快速发展，城市人口急剧增加，原有管线设计容量和输送能力已不能满足发展要求，管线需要新建、增加或改建。为了避免交通堵塞、环境破坏，同时避让建筑、穿越河流，越来越多的施工采用非开挖技术。非开挖技术即非开挖地下管线施工技术，国外简称为TT(Trenchless Technology),它是指在地表不开挖的情况下，利用岩土钻掘方法来铺设管道。目前，国内外非开挖技术通常采用水平导向钻进法和顶管法。有一定柔性的塑料管材(如HDPE、MPP)以水平导向钻进法为主，刚性管材(如大口径钢筋水泥管、钢管)以顶管法为主。根据CECS 382—2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》的要求，影响非开挖施工的主要因素是管材所能承受的拖拉力和抗压性, 即管材轴向的拉伸强度和环向的刚度。

双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管材采用拉伸取向工艺，对挤出生产的PVC-U管坯进行轴向和环向的拉伸取向，使PVC长分子链从无序排列变为有序排列，由各向同性转变为各向异性，可使管材的轴向拉伸强度、环向强度、韧性大大增加[1]。笔者对PVC-O管材应用于非开挖施工的可行性进行了分析。

1 试验部分

1.1 主要原料

PVC,SG-1000,宁夏英力特化工股份有限公司；Ca/Zn复合稳定剂，638R，百尔罗赫塑料添加剂(江苏)有限公司；加工改性剂,ACR-90,山东瑞丰高分子材料股份有限公司；轻质碳酸钙，浙江省建德市正发碳酸钙有限公司；润滑剂，HB-600C，成都宏博奥新材料有限公司。

1.2 主要仪器设备

(1)生产设备。

高速混合机，RH500-1800，麦科威(昆山)机械有限公司；一步法连续双轴取向设备，自制。

(2)检测设备。

电子万能试验机，0～20 kN，承德金建检测仪器有限公司；电子万能试验机，50～300 kN，承德东海试验机制造有限公司；落锤冲击试验机，JJFWI-111，承德金建检测仪器有限公司。

1.3 制样工艺

(1)配方。

PVC，100份；轻质碳酸钙，3份；稳定剂，4份；ACR，2份；润滑剂，0.3份。

(2)混料。

按配方称量后投入高速混合机，热混到120 ℃放入冷却锅，冷却至40 ℃出料。

(3)挤出管材。

生产工艺流程为：挤出管坯→冷却定型→牵引→加热(取向温度)→双轴拉伸→冷却→牵引→切割。

双轴取向工艺参数：环向扩张比约为1∶2，轴向拉伸比约为1∶1.25，取向温度为90～98 ℃，牵引速度见表1。

表1 牵引速度

1.4 性能测试

(1)拉伸性能。

按照GB/T 8804.2—2003《热塑性塑料管材 拉伸性能测定 第2部分：硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVC-C)和高抗冲聚氯乙烯(PVC-HI)管材》测试拉伸强度、断裂伸长率，拉伸速度为5 mm/min。

(2)环向拉伸强度。

按照ASTM D2290-16《Standard Test Method for Apparent Hoop Tensile Strength of Plasitic or Reiforced Plastic Pipe》 测试。

(3)落锤冲击试验。

按照GB/T 14152—2001《热塑性塑料管材耐外冲击性能试验方法 时针旋转法》进行落锤冲击试验，试验温度为0 ℃，冲击高度为2 m,落锤质量为15 kg,锤头规格为d25。

(4)环刚度。

按照GB/T 9647—2015《热塑性塑料管材环刚度的测定》测试。

(5)韧性破坏试验。

试验1：将长1 m、规格为100 mm×4.5 mm的PVC-O管材固定于地面，用5.4 kg的铁锤人工用力锤击，观察管材的破坏情况。

试验2：将卡车装满货物，总质量在10 t左右，驾驶其碾压长6 m、规格为150 mm×6 mm的PVC-O管材，观察管材的破坏情况。

(6)粘接强度试验。

非开挖用PVC-O管材采用承插式套筒连接。套筒与管材用快速固化、高强度的胶水粘接。套筒的厚度比管材厚约10%。为了测试管材与套筒粘接强度，把粘接好的管材与套筒，沿着轴向方向切一定宽度的样条，采用0～20 kN的电子万能试验机进行拉伸试验，当样条断裂时试验结束，见图1；同时，采用50～300 kN的电子万能试验机对粘接好的管材与套筒整体进行拉伸试验，当管材破裂时试验结束，见图2。

图1 样条的粘接强度试验Fig.1 Test of adhesion strength of strip samples

图2 整管的粘接强度试验Fig.2 Test of adhesion strength of whole tubes

(7)弯曲试验。

根据CECS 382—2014的要求，塑料管材出入土的角度在20°左右。因此，先用套筒将2根长9 m、规格为175 mm×7 mm的PVC-O管材粘接在一起，以套筒处为受力点，将PVC-O管材弯曲成20°～30°，观察套筒与管材是否出现剥离和断裂，见图3。

图3 弯曲试验Fig.3 Bending test

2 结果与讨论

2.1 基本性能

PVC-O管材的拉伸性能、环向拉伸强度、落锤冲击性能和环刚度等性能见表2，其中落锤冲击后的PVC-O管材照片见图4,落锤只在管材表面砸出了一个小坑。

表2 PVC-O管材的基本性能

注：PVC-O管材的弹性模量为4 000 MPa。

图4 落锤冲击后的PVC-O管材Fig.4 PVC-O pipes subjected to drop weight test

ISO 16422：2014《给水用承压双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管材及连接件》中的主要技术要求以及浙江华丰新材料股份有限公司(以下简称浙江华丰)制定的非开挖PVC-O管材的企业标准中的性能指标见表3。

表3 PVC-O管材的性能指标

从表2、表3可以看出：ISO 16422：2014是针对给水管材而制定的，而浙江华丰制定的企业标准是针对非开挖施工而制定的，因此后者的要求更高；笔者制备的PVC-O管材的拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量均高于ISO 16422：2014的技术要求，同时也满足企业标准的要求；按照ISO 16422：2014对材料等级的划分，非开挖用PVC-O管材的材料等级至少为400等级。

2.2 韧性破坏试验

PVC-O管材经分子取向后，会形成薄片分层结构。当因缺陷或点负载产生径向裂纹时，分层结构会阻止裂纹在管壁中通过，因此PVC-O管材被称为“打不破的管材”[2]。拉伸测试时，拉断后的试样就出现了分层现象，见图5。

图5 PVC-O管材的分层现象Fig.5 Delamination in PVC-O pipes

韧性破坏试验的结果见图6～图7。由图6可知：人工锤击后的PVC-O管材完好无损，甚至没有产生凹陷。由图7可知：PVC-O管材被碾压至内壁贴合，但仍未破裂。

图6 人工锤击后的PVC-O管材Fig.6 PVC-O pipes subjected to manual hammering

图7 卡车碾压的PVC-O管材Fig.7 PVC-O pipes crushed by a truck

2.3 粘接强度试验

样条和整筒的粘接强度试验结果见图8～图9。

图8 样条的粘接强度试验结果Fig.8 Adhesion strength test results of strip samples

图9 整筒的粘接强度试验结果Fig.9 Adhesion strength test results of whole tubes

由图8～图9可知：2次试验均未出现管材与套筒剥离的现象；由于套筒厚度大于管材厚度，每次拉伸断裂处都在管材上。

2.4 弯曲试验

弯曲试验结果表明：套筒与管材均未出现剥离和断裂。

3 性能对比

常用于非开挖施工的塑料管道有给水、通信、排水排污用的PE管材，以及用于电力保护的MPP管材，其与PVC-O管材的性能对比见表4。

表4 PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能对比

从表4可以看出：PVC-O管材的拉伸强度是PE管材的2.7倍、MPP管材的2.5倍，即同样的外径、壁厚下所承受的拖拉力是PE管材的2.7倍、MPP管材的 2.5倍；PVC-O管材的弹性模量是PE管材的5倍、MPP管材的3.6倍，即同样的外径、壁厚下，PVC-O管材的环刚度是PE管材的5倍、MPP管材的3.6倍； PVC-O管材的密度是PE管材的1.4倍、MPP管材的1.5倍，但由于PVC-O管材在同样外径、壁厚下所承受的拖拉力和抗压性远远高于PE、MPP管材，因此在同样的施工要求下，PVC-O管材的壁厚和外径可以减小，从而抵消密度大带来的不利因素。

常用规格的PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能对比见表5。

表5 常用规格的PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能对比

注：米重指长度为1 m管材的质量。

从表5可以看出：PVC-O管材除了拖拉力高于PE、MPP管材外，米重也更小，那么施工时管材承受的拖拉力也更小。PVC-O管材的原料成本低于PE、MPP管材，再加上其米重小，而管材是按长度来进行定价销售的，因此对于管材生产厂家来说，PVC-O管材具有明显的成本优势。曹洪波采用有限单元法对管道结构的变形、应力进行了计算，认为当管材的环刚度≥12.5 kN/m2时，其在非开挖施工中是安全可靠的[3]。表5中非开挖用PVC-O管材的环刚度远大于12.5 kN/m2，因此其应用于非开挖施工是没有问题的。

4 结语

非开挖用PVC-O管材的性能完全满足非开挖施工的要求，已在国内多个非开挖工程中得到应用，其具有抗拉、抗压、抗冲击、施工速度快、成本低等优点。PVC-O管材的原料消耗比HDPE、MPP管材少，能源消耗和碳排放量更低，是一种有利于可持续发展的产品。但大口径PVC-O管材的取向难度较大，同时套筒的配套难度增加，这是PVC-O管材的发展过程中需要解决的问题。