1.UPVC管道開裂的原因分析

PVC-U 是一種脆性材料，容易發(fā)生快速開裂。管道的快速開裂是指在管道偶然發(fā)生開裂時，裂紋以每秒幾百米的速度迅速增長， 瞬間造成幾十米甚至上千米管道破壞的大事故。研究發(fā)現(xiàn)：PVC-U管的快速開裂絕大多數(shù)發(fā)生在試壓初期，且壓力并不高(如只有0.2～0.3 MPa)，裂紋長度0.4～1.6 m，部分斷裂裂紋局部伴有魚刺狀裂紋出現(xiàn)，破裂的管無明顯的變形。造成快速開裂的3個主要原因為：（1）材料本身的不均勻性；（2）材料連接造成的缺陷；（3）某些偶然發(fā)生的事故引發(fā)裂紋，如地層下陷、第三方施工、蠕變開裂裂紋演化到一定程度后轉(zhuǎn)入快速開裂等， 其中較重要的原因是管材組織不均勻性。所謂管材的不均勻性是指PVC管材內(nèi)有與PVC樹脂不相容的大顆粒， 他們是誘發(fā)管材破裂的重要原因。這些大顆粒主要包括：（1）與管材基質(zhì)材料有顯著差異的棕黃色或棕色顆粒，經(jīng)分析確認為分解的PVC。來源可能是原料中加入的部分回收料或料筒、螺桿及模具中局部位置的少量分解料；（2）團聚的碳酸鈣粒子。這些大顆粒（缺陷粒子）夾雜在管材內(nèi)部，成為材質(zhì)中的裂縫和缺陷。裂縫的斷裂理論認為，這些裂縫和缺陷會使應(yīng)力集中于裂縫的尖端處， 遠高于管材材質(zhì)受到的平均應(yīng)力[2]。當它達到和超過某一臨界條件時，裂縫就會失去穩(wěn)定性而擴展，以至較終當表面應(yīng)力達到某一值時，出現(xiàn)材料的斷裂。由此可以看出，材料的不均勻性主要是由制造過程造成的，材料的連接問題主要出現(xiàn)在施工過程中， 偶然因素則是由施工、不可預(yù)測因素和材料本身造成的。
綜上所述，PVC-U 管是脆性材料，生產(chǎn)過程中往往會引入造成應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)缺陷，使得PVC-U 管受到作用力的時候出現(xiàn)快速開裂破壞現(xiàn)象。針對PVC－U管韌性差的缺點， 近年來國外在PVC管增韌改性方面做了大量的工作。主要從兩個方面入手：（1）在PVC－U配方中加入增韌劑或采用共聚PVC樹脂；（2）通過雙向拉伸方法生產(chǎn)雙向拉伸PVC管材，同時提高管材的強度和韌性。增韌是PVC改性的一個重要途徑。

2. PVC抗沖擊改性及抗沖擊改性劑PVC的增韌改性可分為化學改性和物理改性。
2.1 化學改性
化學改性是通過接枝、共聚等反應(yīng)方法對PVC進行改性，常用的PVC化學增韌改性方法有：（1）乙烯基單體與氯乙烯共聚， 如氯乙烯與丙烯酸辛酯的共聚；（2）彈性體與氯乙烯的接枝共聚，如乙丙橡膠與氯乙烯的接枝共聚；乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）與氯乙烯接枝共聚。化學改性的優(yōu)點是增韌改性效果顯著， 不足之處是要經(jīng)過復(fù)雜的化學反應(yīng)，對工藝、設(shè)備有較多要求，一般在樹脂合成廠中采用，PVC-U管廠難于實現(xiàn)。
2.2 物理改性
物理改性是將改性劑與PVC共混，使其均勻分散到PVC中，從而起到增韌改性的作用，該方法簡單易行，是被廣泛采用的增韌方法。增韌改性劑很多， 可分為彈性體和非彈性體， 效果較好的有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丁腈橡膠（NBR）、丁苯橡膠（SBR）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)、丙烯酸酯類共聚物(ACR)、氯化聚乙烯（CPE）、丙烯腈-苯乙烯共聚物（AS）、超細碳酸鈣納米粒子等。
2.2.1 彈性體增韌機理
彈性體的增韌機理［3，4］主要有以下兩種：（1）剪切屈服－銀紋化理論：彈性體粒子以顆粒狀均勻地分散于基體連續(xù)相中，形成海島相結(jié)構(gòu)。彈性體粒子充當應(yīng)力集中體， 誘發(fā)基體產(chǎn)生大量的剪切帶和銀紋； 剪切帶和銀紋的產(chǎn)生及發(fā)展需消耗大量的能量，從而使材料的沖擊強度大幅度提高。粒子又可終止銀紋和剪切帶的發(fā)展， 使其不發(fā)展成破壞性的裂紋；此外，剪切帶也可阻滯、轉(zhuǎn)向并終止銀紋或已存在的小裂紋的發(fā)展，促使基體發(fā)生脆－韌轉(zhuǎn)變，提高材料的韌性。增韌PVC 的彈性體主要包括MBS、ACR、MABS 等；（2） 網(wǎng)絡(luò)增韌機理：彈性體形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包覆PVC 初級粒子。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可吸收大部分沖擊能， 且PVC 初級粒子在破裂時， 也可吸收部分能量， 使材料的韌性得以提高，代表的彈性體為CPE。
2.2.2 剛性粒子增韌機理
無機剛性粒子和有機剛性粒子均可以增韌PVC［5］。有機剛性粒子增韌機理有以下兩種：
（1）冷拉機理： 剛性粒子圓形或橢圓形粒子均勻分散于PVC 連續(xù)相中， 由于連續(xù)相與分散相之間的楊氏模量和泊松比不同， 在兩相界面產(chǎn)生一種較高的靜壓力，這種高的靜壓力使分散相粒子被拉長，產(chǎn)生大的塑性形變，從而吸收大量的沖擊能量，提高材料的韌性。并促使周圍的基體發(fā)生屈服，同時吸收一定的能量， 使PVC 的沖擊強度得以提高；
（2）空穴增韌機理：相容性較差的體系，剛性粒子與基體之間有明顯的界面， 甚至在粒子周圍存在著空穴。受沖擊時，界面形成的微小空穴可吸收部分能量，也可引發(fā)銀紋吸收能量，從而提高沖擊強度。無機剛性粒子增韌機理是當無機剛性粒子與PVC 基體粘合較好時，無機剛性粒子的存在可產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，引發(fā)大量的銀紋，并阻止銀紋的發(fā)展，促使基體發(fā)生剪切屈服，吸收大量的沖擊能，達到增韌的目的。單純使用彈性體增韌PVC 的同時， 強度和模量下降； 而采用剛性粒子增韌PVC， 在增韌的同時，強度和模量基本不下降或略微降低，有利于實現(xiàn)剛性-韌性平衡。

3. 高抗沖PVC 管材的性能及評價方法
從目前高抗沖管材的發(fā)展看，開發(fā)高抗沖管材目標是在強度不降低或稍降低的前提下提高韌性。已開發(fā)出一批新產(chǎn)品，成功地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
3.1 高抗沖管材的名稱
各國對于增韌改性的聚氯乙烯（PVC-U）管采用的名稱不同， 如（1） 改性聚氯乙烯PVC－M（Modified，美國、澳大利亞)，表明PVC 已改性；（2）聚氯乙烯合金PVC－A（Alloy，英國)，表明加入抗沖劑后生成以PVC 為主的塑料合金；（3）高抗沖聚氯乙烯管材PVC－HI(High Impact，日本、荷蘭)，根據(jù)材料具有高抗沖性命名。
3.2 高抗沖PVC 管材的性能
3.2.1 按國際檢測結(jié)果
高抗沖PVC 管材按國家標準GB/T 10002.1-2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》進行檢測，各項指標優(yōu)良，均符合標準要求。以dn110 mm×4.2 mm 的管材舉例說明，如表1 所示。
3.2.2 快速沖擊實驗
根據(jù)AS/N2S 4765 （Int)：2000 《壓力用改性PVC 管材》的要求，進行22 ℃，22 m 快速沖擊試驗。不同管徑采用不同重量的沖錘，高速沖擊實驗裝置示意圖及沖錘的形狀如圖1 和圖2 所示，不同管材所采用沖錘的重量和對破壞方式的要求見表2。
由圖3 可以看出，經(jīng)高速沖擊試驗后，高抗沖PVC 管被沖破在管材上形成孔洞， 為典型的韌性破壞方式。這表明高抗沖PVC 管的抗裂紋增長能力明顯提高。同時當管材受到?jīng)_錘高速沖擊后，管材出現(xiàn)裂紋，但裂紋并沒有增長而是終止，因此管材沒有出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象。之所以在高速沖擊實驗中并未出現(xiàn)快速破裂的現(xiàn)象是因為經(jīng)抗沖改性后其斷裂韌性明顯提高。材料出現(xiàn)脆性破壞的條件為KD≥KIC，而當KD＜KIC裂紋將終止，高抗沖PVC 與其他聚合物的斷裂韌度對比見表3。
由表3的數(shù)據(jù)可以看出， 高抗沖PVC管臨界斷裂韌性較PVC-U明顯提高， 也高于PE80級材料。
3.2.3 意外沖擊時管材的性能變化
盡管在PVC-U 管的施工規(guī)程中規(guī)定不得拋摔管材， 但實際應(yīng)用中這種現(xiàn)象以及類似現(xiàn)象仍不能完全避免。考慮到這些極端情況，可以采取多種非標準的、但更為直觀的方法來定性地判斷產(chǎn)品的韌性， 如在施工現(xiàn)場用挖掘機對管材進行試驗性破壞，觀察被破壞的PVC-U 管材的形貌。此外，用重5 kg、柄長約1 m 的金屬鐵錘在水泥地面上猛砸管材，觀察管材受力變形后的形貌。在受沖擊部位取樣進行水壓試驗（20 ℃、38 MPa、1 h），觀察管材是否無破壞，無滲漏等。圖4 和圖5 為在工地現(xiàn)場用挖掘機對高抗沖PVC 管材施加破壞和用5 kg 鐵錘在水泥地上沖擊管材樣品的示意圖。可以看出，高抗沖PVC 管材抵抗意外沖擊能力明顯增強。

4. 結(jié)語
國外發(fā)達國家尤其是英國、澳大利亞、南非等國家已經(jīng)將高抗沖PVC 管成功應(yīng)用于給水、采礦業(yè)和非開挖鋪設(shè)領(lǐng)域等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)研制成功高抗沖UPVC管。由于這類管材設(shè)計應(yīng)力高，可以節(jié)約原材料，并具有高抗沖性能， 安全性有保障， 在國際上被譽為第二代PVC-U 管，應(yīng)大力推廣該類管材。為了保證該管材的健康發(fā)展，建議盡快制訂國家標準，完善該類管材的檢測檢驗方法。

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