PVC-O管材在非開挖工程中應(yīng)用的可行性分析

陳敏,盧昱文，周志鵬，鮑岳祥

(1.浙江華豐新材料股份有限公司，浙江 杭州 311400;2.浙江中財管道科技股份有限公司，浙江 新昌 312500)

隨著城市的快速發(fā)展，城市人口急劇增加，原有管線設(shè)計容量和輸送能力已不能滿足發(fā)展要求，管線需要新建、增加或改建。為了避免交通堵塞、環(huán)境破壞，同時避讓建筑、穿越河流，越來越多的施工采用非開挖技術(shù)。非開挖技術(shù)即非開挖地下管線施工技術(shù)，國外簡稱為TT(Trenchless Technology),它是指在地表不開挖的情況下，利用巖土鉆掘方法來鋪設(shè)管道。目前，國內(nèi)外非開挖技術(shù)通常采用水平導(dǎo)向鉆進法和頂管法。有一定柔性的塑料管材(如HDPE、MPP)以水平導(dǎo)向鉆進法為主，剛性管材(如大口徑鋼筋水泥管、鋼管)以頂管法為主。根據(jù)CECS 382—2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》的要求，影響非開挖施工的主要因素是管材所能承受的拖拉力和抗壓性, 即管材軸向的拉伸強度和環(huán)向的剛度。

雙軸取向聚氯乙烯(PVC-O)管材采用拉伸取向工藝，對擠出生產(chǎn)的PVC-U管坯進行軸向和環(huán)向的拉伸取向，使PVC長分子鏈從無序排列變?yōu)橛行蚺帕?，由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋裕墒构懿牡妮S向拉伸強度、環(huán)向強度、韌性大大增加[1]。筆者對PVC-O管材應(yīng)用于非開挖施工的可行性進行了分析。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PVC,SG-1000,寧夏英力特化工股份有限公司；Ca/Zn復(fù)合穩(wěn)定劑，638R，百爾羅赫塑料添加劑(江蘇)有限公司；加工改性劑,ACR-90,山東瑞豐高分子材料股份有限公司；輕質(zhì)碳酸鈣，浙江省建德市正發(fā)碳酸鈣有限公司；潤滑劑，HB-600C，成都宏博奧新材料有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

(1)生產(chǎn)設(shè)備。

高速混合機，RH500-1800，麥科威(昆山)機械有限公司；一步法連續(xù)雙軸取向設(shè)備，自制。

(2)檢測設(shè)備。

電子萬能試驗機，0～20 kN，承德金建檢測儀器有限公司；電子萬能試驗機，50～300 kN，承德東海試驗機制造有限公司；落錘沖擊試驗機，JJFWI-111，承德金建檢測儀器有限公司。

1.3 制樣工藝

(1)配方。

PVC，100份；輕質(zhì)碳酸鈣，3份；穩(wěn)定劑，4份；ACR，2份；潤滑劑，0.3份。

(2)混料。

按配方稱量后投入高速混合機，熱混到120 ℃放入冷卻鍋，冷卻至40 ℃出料。

(3)擠出管材。

生產(chǎn)工藝流程為：擠出管坯→冷卻定型→牽引→加熱(取向溫度)→雙軸拉伸→冷卻→牽引→切割。

雙軸取向工藝參數(shù)：環(huán)向擴張比約為1∶2，軸向拉伸比約為1∶1.25，取向溫度為90～98 ℃，牽引速度見表1。

表1 牽引速度

1.4 性能測試

(1)拉伸性能。

按照GB/T 8804.2—2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分：硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVC-C)和高抗沖聚氯乙烯(PVC-HI)管材》測試拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度為5 mm/min。

(2)環(huán)向拉伸強度。

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

(3)落錘沖擊試驗。

按照GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖擊性能試驗方法 時針旋轉(zhuǎn)法》進行落錘沖擊試驗，試驗溫度為0 ℃，沖擊高度為2 m,落錘質(zhì)量為15 kg,錘頭規(guī)格為d25。

(4)環(huán)剛度。

按照GB/T 9647—2015《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定》測試。

(5)韌性破壞試驗。

試驗1：將長1 m、規(guī)格為100 mm×4.5 mm的PVC-O管材固定于地面，用5.4 kg的鐵錘人工用力錘擊，觀察管材的破壞情況。

試驗2：將卡車裝滿貨物，總質(zhì)量在10 t左右，駕駛其碾壓長6 m、規(guī)格為150 mm×6 mm的PVC-O管材，觀察管材的破壞情況。

(6)粘接強度試驗。

非開挖用PVC-O管材采用承插式套筒連接。套筒與管材用快速固化、高強度的膠水粘接。套筒的厚度比管材厚約10%。為了測試管材與套筒粘接強度，把粘接好的管材與套筒，沿著軸向方向切一定寬度的樣條，采用0～20 kN的電子萬能試驗機進行拉伸試驗，當(dāng)樣條斷裂時試驗結(jié)束，見圖1；同時，采用50～300 kN的電子萬能試驗機對粘接好的管材與套筒整體進行拉伸試驗，當(dāng)管材破裂時試驗結(jié)束，見圖2。

圖1 樣條的粘接強度試驗Fig.1 Test of adhesion strength of strip samples

圖2 整管的粘接強度試驗Fig.2 Test of adhesion strength of whole tubes

(7)彎曲試驗。

根據(jù)CECS 382—2014的要求，塑料管材出入土的角度在20°左右。因此，先用套筒將2根長9 m、規(guī)格為175 mm×7 mm的PVC-O管材粘接在一起，以套筒處為受力點，將PVC-O管材彎曲成20°～30°，觀察套筒與管材是否出現(xiàn)剝離和斷裂，見圖3。

圖3 彎曲試驗Fig.3 Bending test

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能

PVC-O管材的拉伸性能、環(huán)向拉伸強度、落錘沖擊性能和環(huán)剛度等性能見表2，其中落錘沖擊后的PVC-O管材照片見圖4,落錘只在管材表面砸出了一個小坑。

表2 PVC-O管材的基本性能

注：PVC-O管材的彈性模量為4 000 MPa。

圖4 落錘沖擊后的PVC-O管材Fig.4 PVC-O pipes subjected to drop weight test

ISO 16422：2014《給水用承壓雙軸取向聚氯乙烯(PVC-O)管材及連接件》中的主要技術(shù)要求以及浙江華豐新材料股份有限公司(以下簡稱浙江華豐)制定的非開挖PVC-O管材的企業(yè)標準中的性能指標見表3。

表3 PVC-O管材的性能指標

從表2、表3可以看出：ISO 16422：2014是針對給水管材而制定的，而浙江華豐制定的企業(yè)標準是針對非開挖施工而制定的，因此后者的要求更高；筆者制備的PVC-O管材的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量均高于ISO 16422：2014的技術(shù)要求，同時也滿足企業(yè)標準的要求；按照ISO 16422：2014對材料等級的劃分，非開挖用PVC-O管材的材料等級至少為400等級。

2.2 韌性破壞試驗

PVC-O管材經(jīng)分子取向后，會形成薄片分層結(jié)構(gòu)。當(dāng)因缺陷或點負載產(chǎn)生徑向裂紋時，分層結(jié)構(gòu)會阻止裂紋在管壁中通過，因此PVC-O管材被稱為“打不破的管材”[2]。拉伸測試時，拉斷后的試樣就出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，見圖5。

圖5 PVC-O管材的分層現(xiàn)象Fig.5 Delamination in PVC-O pipes

韌性破壞試驗的結(jié)果見圖6～圖7。由圖6可知：人工錘擊后的PVC-O管材完好無損，甚至沒有產(chǎn)生凹陷。由圖7可知：PVC-O管材被碾壓至內(nèi)壁貼合，但仍未破裂。

圖6 人工錘擊后的PVC-O管材Fig.6 PVC-O pipes subjected to manual hammering

圖7 卡車碾壓的PVC-O管材Fig.7 PVC-O pipes crushed by a truck

2.3 粘接強度試驗

樣條和整筒的粘接強度試驗結(jié)果見圖8～圖9。

圖8 樣條的粘接強度試驗結(jié)果Fig.8 Adhesion strength test results of strip samples

圖9 整筒的粘接強度試驗結(jié)果Fig.9 Adhesion strength test results of whole tubes

由圖8～圖9可知：2次試驗均未出現(xiàn)管材與套筒剝離的現(xiàn)象；由于套筒厚度大于管材厚度，每次拉伸斷裂處都在管材上。

2.4 彎曲試驗

彎曲試驗結(jié)果表明：套筒與管材均未出現(xiàn)剝離和斷裂。

3 性能對比

常用于非開挖施工的塑料管道有給水、通信、排水排污用的PE管材，以及用于電力保護的MPP管材，其與PVC-O管材的性能對比見表4。

表4 PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能對比

從表4可以看出：PVC-O管材的拉伸強度是PE管材的2.7倍、MPP管材的2.5倍，即同樣的外徑、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管材的彈性模量是PE管材的5倍、MPP管材的3.6倍，即同樣的外徑、壁厚下，PVC-O管材的環(huán)剛度是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管材在同樣外徑、壁厚下所承受的拖拉力和抗壓性遠遠高于PE、MPP管材，因此在同樣的施工要求下，PVC-O管材的壁厚和外徑可以減小，從而抵消密度大帶來的不利因素。

常用規(guī)格的PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能對比見表5。

表5 常用規(guī)格的PVC-O管材、PE管材、MPP管材的性能對比

注：米重指長度為1 m管材的質(zhì)量。

從表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，那么施工時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，而管材是按長度來進行定價銷售的，因此對于管材生產(chǎn)廠家來說，PVC-O管材具有明顯的成本優(yōu)勢。曹洪波采用有限單元法對管道結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力進行了計算，認為當(dāng)管材的環(huán)剛度≥12.5 kN/m2時，其在非開挖施工中是安全可靠的[3]。表5中非開挖用PVC-O管材的環(huán)剛度遠大于12.5 kN/m2，因此其應(yīng)用于非開挖施工是沒有問題的。

4 結(jié)語

非開挖用PVC-O管材的性能完全滿足非開挖施工的要求，已在國內(nèi)多個非開挖工程中得到應(yīng)用，其具有抗拉、抗壓、抗沖擊、施工速度快、成本低等優(yōu)點。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，是一種有利于可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。但大口徑PVC-O管材的取向難度較大，同時套筒的配套難度增加，這是PVC-O管材的發(fā)展過程中需要解決的問題。