UPVC管材在给排水项目中应用及粘接工艺优化

王东勋

(北京积水潭医院，北京 100035)

近年来，建筑材料的探索和制作工艺一直都处于发展中，其中，给排水工程中所需的材料也被不断优化。UPVC(Unplasticized Polyvinyl Chloride)材料具有很强的耐腐蚀性，不会生锈，且内部十分光滑，具有极小的流动阻力。正因如此，考虑到给排水工程中的经济、可靠性以及技术等问题，UPVC管材在给排水项目中的应用越来越宽广[1]。然而，UPVC还包括一些缺点。例如，UPVC材料没有较高的热稳定性和韧度，所以需要对其进行改造才可以应用到实际工程中[2]。综上所述，要想使得UPVC管材的功能实现高效发挥，就需要按照实际工程及其环境特点，在UPVC管材的制作过程中尝试引入各类试剂，以使得UPVC管材的功能得到全面加强。

据学者们研究发现，UPVC管材之所以能够在给排水工程中发挥明显的经济作用，并且对一些资源稀缺的国家可以起到一定的缓冲作用，是因为其具有几个方面的优势。一是UPVC管材具有较强的耐腐蚀性和流体传输功能[3]；二是UPVC的造价成本低，用途大，应用广泛；三是UPVC管材具有便携性，易操作，因此它能够被频繁地用于给排水系统中[4]。

综上所述，UPVC管材的发展及其在给水排项目中的应用已经取得了一定的发展，但由于UPVC管材本身的不足，使得其应用于给水排水工程时仍存在一些问题。基于此，将UPVC进行优化就显得尤为重要。另外，学者们发现，将多功能复合增强剂MCRA(Multifunctional Compound Reinforcing Agent)融入到管材中能够起到不错的效果。因此，将多功能复合增强剂MCRA融入UPVC管材中，并设置实验对其性能进行研究，这将对给排水工程的选材优化以及功能提升产生一定的意义。

1 材料与方法

1.1 UPVC 管材粘接工艺

UPVC管是PVC塑料管的一种，未添加塑化剂的PVC原料称为UPVC或PVCU；所以，UPVC是PVC管的升级版。没有添加塑化剂PVC原料中的氯会全部挥发掉，也就是说UPVC的水管没有残余氯释放。而添加塑化剂的PVC原料，有许多残余的氯无法挥发掉，所以普通PVC的水管会有残余氯释放。此外，UPVC可以说是PVC的延伸优化产品，其性能优于PVC；但仍然存在色彩偏暗和收缩比偏大的问题，接口处也同样是用胶粘接。UPVC管材的粘接流程：(1) 管材粘接前，应用干布将承口侧和插口外侧擦拭处理，当表面粘有油污时需用丙酮擦拭干净；(2)管材断面应平整、垂直管轴线并进行倒角处理；粘接前应画好插入标线并进行试插，试插深度只能插到原定深度的1/3～1/2，间隙过大时严禁使用粘接方法；(3) 涂抹粘结剂时，应先涂抹承口内侧，后涂抹插口外侧，涂抹承口时应顺轴由里向外均匀涂抹适量，不得漏涂或涂抹过量(200 g/m2)；(4) 粘结剂涂抹后，宜在20 s内对准轴线用力推挤一次连续到所画标线，将管材或管件旋转小于等于90°，并在1 min内保持施加的外力不变，保持接口的直度和位置正确；(5) 粘接完毕后及时将挤出的多余粘结剂擦净，在固化时间内不得受力或强行加载；(6) 粘接接头时不得在雨中或水中施工，不得在温度5 ℃以下操作；(7) 连接程序：准备→清理工作面→试插→刷粘结剂→粘接→养护。

在大部分情况下，UPVC管适用于电线管道和排污管道，其中排污管最常见，所以生活中我们经常把UPVC管直接叫做UPVC排污管。

1.1.1UPVC与PVC的异同

1) 材料不同

虽然2种材料都是由聚氯乙烯制成；但是PVC含有增塑剂，UPVC不仅不含增塑剂也不含有PVC的双酚A。

2) 硬度不同

PVC硬度不如UPVC的硬度好，UPVC被认为更坚固，一般能够抵抗各种操作压力和温度。

3) 使用场景不同

PVC广泛用于替代灌溉系统，废水管道和水池系统的旧铁管、水泥管等。另外，常用于电缆，绝大部分PVC可以提供额外的绝缘层。

UPVC因耐化学腐蚀而闻名，在许多情况下还是木材的理想替代品。例如，它可以用于制造更耐用的窗框，并且与木材相比能够更好地承受元件。常规PVC不能用于创建窗框，这是因为UPVC不会分解；但普通PVC会分解。

1.1.2UPVC塑料管材的分类和特征

现有的UPVC管材形式多样，可以在各类工程中发挥所需要的作用。现阶段，市面上的UPVC管材包括普通UPVC管材、消音式管材和芯层发泡型管材[5]；上述的后2种管材都是基于UPVC管材的高级产品。然而，随着给排水工程的要求越来越高，UPVC也在不断的进行革新。例如，消音式管材专用于排水立管，通过自身独有的结构，提高管道内部的气体输送能力，以此增强水的流通效果，同时将排水时产生的噪音进行弱化，使得水管功能得到提升[6]。芯层发泡型管材亦是如此，不但具有消音功能，还能利用管材内部的小气孔使得水管具有保温效果[7]。

1.1.3UPVC管材应用时存在的问题

在建筑给排水工程中，应用UPVC管材所存在的问题如图1所示。

图1 应用UPVC管材所存在的问题Fig.1 Problems existing in the application of UPVC pipes

噪音控制：现阶段，UPVC管材在给排水工程中应用力度较大，但是因为给排水系统在运作时其产生的声音较大，对周围环境造成干扰。所以，在研究UPVC管材时，管材排水噪音大这一问题亟需解决。按照环保部门的相关数据可知，日常冲水的声音大约是55 dB，而该分贝的噪声足以影响到居民的正常生活。因此，排水管道在设计时，需要与居民住所相隔一定的距离，而且尽量不和墙面相靠；解决管道节点位置时，应该提前布置好支墩、软垫等材料。综上所述，UPVC管材要想实现高效的消音降噪，就需要严格把关管线的安设、管材种类的选取和结点问题的解决[8]。

防火控制：UPVC管材的耐火性、耐高温性并不是很理想，当环境温度接近90 ℃时，UPVC管材就会出现变形。所以，在将UPVC管材应用到给排水工程中，就需要对UPVC管材采取防火保护。首先，在给排水工程进行准备工作时，应当让UPVC管道和烟道、防火墙等消防区域避免存在相交，因此应该将UPVC管材安设在没有危险的墙体角落；其次，当环境要求UPVC管材要穿插在楼层时，为了避免火灾，也应该在管材上安设阻火圈以及防火套等设备；最后，还应该适当把握UPVC管道的分布规模，以及注意加强制造排水管道的安全环境[9]。

管材特质选择：一般的UPVC管材其实际承压能力大约是0.5 MPa，然而，如果管材的承压能力较弱，则必然会具有较大的安全风险。这就要求在给排水工程进行时，需要对管材破损的问题进行一定的预防。而造成UPVC管材出现破损的原因大都是因为管材在不同的温度环境中，其膨胀系数发生变化而导致的。因此需要对管材的伸缩量进行高度控制，并且在特殊位置添加伸缩节。首先，如果漏乘高度小于4 m，那么每层都应该添加伸缩节；其次，为保证伸缩节能够均匀分布，则每隔2 m，排水管线就需要伸缩节；最后，还需要重点把握伸缩节的位置安设。这就需要工作人员根据理论知识进行合理的规划。综上所述，当UPVC管材出现各种功能问题时，需要合理规划伸缩节的设置，以此加强建筑排水管道的可靠性和安全性[10]。

机械强度以及质量控制：当管材缺少增强剂的辅助作用时，此时UPVC管材的机械强度较小、易破损。在将UPVC管材应用到给排水的应用过程中，应该安设固定支架来减小UPVC管材本身的质量，此举可以提高管道的安全性。此外，在目前的建筑材料市场中，管材质量的高效管制还未完全实现，因此管材的质量会存在不稳定性。而在给排水系统中，管材是其最基础的部分，因此必须对管材的质量严加把关[11]。

1.2 给排水工程在医院中的应用

一般来讲，医院中的给排水工程包括室内排水、室外排水、室外雨水排放以及污染物排放4个方面。其中，室内排水是指采用清洁区、污染区、半污染区3区分流和污废水合流形式，通气管在屋面做消毒处理[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闭形式，并间隔一定距离设通气管，并且在特定地点设置化粪池和预消毒池，后排水至现有污水处理站处理，现有污水处理站主体工艺采用二级生物处理，设计出水能达到《医疗机构水污染物排放标准》(GB 18466—2005)中的综合医疗机构水污染物排放标准[13]。室外雨水排放是指将院区场地雨水就近排入院区已有雨水管道，就近排入市政雨水管道[14]。污染物的排放是指将污染区与清洁区的污水在室内分别收集排放，室外排水管道管径较大，污染风险较小，可在室外合流排放；接入化粪池前进行了预消毒[15]。以上说明，医院的给排水工程是比较复杂的。

1.3 给排水工程运用新型材料的必要性

根据上述可知，医院中的给排水工程是必然需要存在的。然而，除了医院，城市的各类建设项目均需要污水的排放，而污水的排放则由给排水系统来进行，因此，污水排放在环境建设中发挥着重要的作用[16]。污水源于工业、生活以及雨水等，利用给排水系统能够将污水排放到特殊的地点，并在该地点完成回收利用等工作，以此达到水资源的可持续利用[17]。给排水工程主要由管网、出水口以及污水处理厂等部分组成，利用给排水工程可以有效解决城市内涝、水环境污染以及水资源节能化等问题[18]。

在给排水工程中，根据工程环境的实际状况，选取合适的建筑材料以及高效的手段，不仅能够保障整个工程的质量，还能高效的把握工程的实现过程[19]。现阶段，学者们不断研究建筑材料，得到了许多的新型材料，然后将材料与排水管材相结合，实现了传统管材到新型管材的优化，使得给排水节能化、环保化以及健康化[20]。

2 结果与分析

2.1 MCRA性能

MCRA增强剂和活性钙的各项性能，具体结果如表1所示。

表1 MCRA增强剂的各项性能Tab.1 Properties of MCRA reinforcing agent

由表1可知，活性钙的疏水率为0%，说明活性钙的吸附性强，水分子无法通过钙质材料；且活性钙的酸碱度和吸油率均大于MCRA材料。

2.2 试样性能

2.2.1试样的表观性能

在初始化配方中分别融入22 份活性钙和22 份MCRA增强剂，得到干混料的表观性能，具体结果如图2所示。

图2 干混料的表观性能Fig.2 Apparent properties of dry mix

由图2可以看出，将同样份数的活性钙和MCRA增强剂进行混合后，得到不同的干混料样品，其白度、干流性、稳定时间以及表观密度等性质并未有大的差距；这说明2种材料的稳定性较好。

2.2.2不同试验样品的力学性能

通过对干混料进行混练和压板操作得到 1、2号样品；2个样品的物理性能结果如图3所示。

图3 2个样品的物理性能Fig.3 Physical properties of 2 samples

从图3可以看出，当环境温度处于-10 ℃时，MCRA-UPVC的粘连处产生的撕裂数量大于活性钙-UPVC材料。当环境温度处于23 ℃时，MCRA-UPVC 复合材料的粘连处出现撕裂后，会产生均匀的变形；而活性钙-UPVC材料则呈现出不均匀的变形状况。

2.3 MCRA应用效果

2.3.1优化后的UPVC材料物理性能

某厂家在初始配方中原有40份活性钙中额外添加8份MCRA增强剂，得到优化后的UPVC材料物理性能，结果如图4所示。

从图4可以看出，融入MCRA增强剂后的材料其拉伸强度和伸长率没有太大变化；但在23 ℃、-10 ℃的环境温度下，融入MCRA增强剂后的材料其承受能力有一定的加强。此外，融入MCRA增强剂后的材料其压板白度也有一定的提升。

图4 优化后的UPVC材料物理性能Fig.4 Physical properties of optimized UPVC material

2.3.2优化后的UPVC材料的流变性能

对加入MCRA增强剂的UPVC材料的流变效果进行分析，结果如图5所示。

图5 加入MCRA增强剂的UPVC材料的流变效果Fig.5 Rheological effect of UPVC materials with MCRA reinforcing agent

从图5可以看出，添加MCRA增强剂后，平衡扭矩基本没有什么变化；而在塑化扭矩方面有一定的变化。这说明，新配方的表观黏度程度有所减小，整体的塑化能力有一定的加强，热稳定性也有所加强。

2.3.3维卡软化温度测量结果

为了进一步验证融入MCRA增强剂的UPVC材料的高温变形情况，将其和普通PVC以及未加入MCRA的UPVC材料进行维卡软化温度的对比；维卡软化温度实测结果如图6所示。

图6 维卡软化温度实测结果Fig.6 Measured vicat softening temperature

从图6可以看出，添加MCRA增强剂的UPVC材料的维卡软化平均温度为76 ℃，普通PVC的维卡软化平均温度为81 ℃，未加入MCRA增强剂的UPVC材料维卡软化平均温度为78 ℃。以上数据说明加入MCRA增强剂的UPVC材料在高温条件下更耐受，不易变形。

2.4 给排水工程中UPVC管材的改进

2.4.1基于承载负荷的排水改进

在建筑给排水系统中，水体是以膜流状态进行流通的，UPVC管道内壁和水体的亲和度是管道优化设计的重要影响因素。因此，想要实现建筑给排水的优化设计，必须结合实际应用管材与水体的界面张力，明确不同UPVC管道的类别、型号以及负荷能力，不能仅凭经验与主观经验臆断。

在建筑的给排水工程中，水的流动是以膜流形态完成的，因此，UPVC管材内部和水接触时的亲和程度决定了管道承载负荷的大小，也影响着管道内水流通的整体效果。所以，如果要对给排水工程进行改进，就需要以管道和水之间张力大小的实际情况为基础，然后对各种UPVC管道的型号及其性能有所了解，切记不能凭经验自主判断使用。

2.4.2基于内部压力的排水改进

现阶段，在一些高层排水系统中，往往会因为管道内水体产生的压力而使得管道底部的水封膜被破坏。按照实际情况，膜流量减少的污水会具有与流速成正比的气体量，然后在排水立管内产生不正常的压力。为了把控膜流的流速和立管的内压，UPVC塑料管的形状能够在规定的高度均匀地改变，以提高其性能，比如弯曲效率的处理和UPVC管内表面积的扩大。

2.4.3基于高度的排水优化设计

UPVC管道中的气体量、立管高度和流体速度是存在一定联系的。根据《建筑给水排水规范》(GB 55020—2021)中提到的关于通风立管设置的内容，建筑给排水用UPVC塑料排水管的优化设计应按照对应管径来设置不同高度的流量临界值；然后利用临界值重置，以此完成更好的建筑排水管道改进。

3 结语

UPVC管材在建筑给排水中的应用目前还在初级认知过程，同时，学者们也在对UPVC 管材进行持续的研究与优化。鉴于建筑节能的理念，应扩大环保型UPVC管的应用范围。为保证UPVC多项性能的进一步提高，在UPVC管材中掺入MCRA增强剂，采用新型功能材料，增强UPVC管材在建筑给排水工程中的应用效果。实验结果表明，MCRA的加入一方面可以增强管材的力学性能和表面亮度；另一方面还可以有效减小微卡软化温度，使得管材能更加耐高温，且使用寿命得到一定的延长。不足之处在于对UPVC管材进行优化后，对其在实际项目中的应用研究较少，后续将加大应用力度，对UPVC管材的功能采取进一步的研究，从而为给排水项目所需材料的不断优化和提升提供理论保障。