1.UPVC管道開(kāi)裂的原因分析
PVC-U 是一種脆性材料,容易發(fā)生快速開(kāi)裂。管道的快速開(kāi)裂是指在管道偶然發(fā)生開(kāi)裂時(shí),裂紋以每秒幾百米的速度迅速增長(zhǎng), 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(kāi)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(zhǎng)度0.4~1.6 m,部分?jǐn)嗔蚜鸭y局部伴有魚刺狀裂紋出現(xiàn),破裂的管無(wú)明顯的變形。造成快速開(kāi)裂的3個(gè)主要原因?yàn)椋海?)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(kāi)裂裂紋演化到一定程度后轉(zhuǎn)入快速開(kāi)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(shù)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(rèn)為分解的PVC。來(lái)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(tuán)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(rèn)為,這些裂縫和缺陷會(huì)使應(yīng)力集中于裂縫的尖端處, 遠(yuǎn)高于管材材質(zhì)受到的平均應(yīng)力[2]。當(dāng)它達(dá)到和超過(guò)某一臨界條件時(shí),裂縫就會(huì)失去穩(wěn)定性而擴(kuò)展,以至較終當(dāng)表面應(yīng)力達(dá)到某一值時(shí),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(guò)程造成的,材料的連接問(wèn)題主要出現(xiàn)在施工過(guò)程中, 偶然因素則是由施工、不可預(yù)測(cè)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(guò)程中往往會(huì)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(shí)候出現(xiàn)快速開(kāi)裂破壞現(xiàn)象。針對(duì)PVC-U管韌性差的缺點(diǎn), 近年來(lái)國(guó)外在PVC管增韌改性方面做了大量的工作。主要從兩個(gè)方面入手:(1)在PVC-U配方中加入增韌劑或采用共聚PVC樹(shù)脂;(2)通過(guò)雙向拉伸方法生產(chǎn)雙向拉伸PVC管材,同時(shí)提高管材的強(qiáng)度和韌性。增韌是PVC改性的一個(gè)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(xué)改性和物理改性。
2.1 化學(xué)改性
化學(xué)改性是通過(guò)接枝、共聚等反應(yīng)方法對(duì)PVC進(jìn)行改性,常用的PVC化學(xué)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?;瘜W(xué)改性的優(yōu)點(diǎn)是增韌改性效果顯著, 不足之處是要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),對(duì)工藝、設(shè)備有較多要求,一般在樹(shù)脂合成廠中采用,PVC-U管廠難于實(shí)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(jiǎn)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(xì)碳酸鈣納米粒子等。
2.2.1 彈性體增韌機(jī)理
彈性體的增韌機(jī)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(dāng)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(qiáng)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(jī)理:彈性體形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包覆PVC 初級(jí)粒子。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可吸收大部分沖擊能, 且PVC 初級(jí)粒子在破裂時(shí), 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(jī)理
無(wú)機(jī)剛性粒子和有機(jī)剛性粒子均可以增韌PVC[5]。有機(jī)剛性粒子增韌機(jī)理有以下兩種:
(1)冷拉機(jī)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(zhǎng),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(shí)吸收一定的能量, 使PVC 的沖擊強(qiáng)度得以提高;
(2)空穴增韌機(jī)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(shí),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(qiáng)度。無(wú)機(jī)剛性粒子增韌機(jī)理是當(dāng)無(wú)機(jī)剛性粒子與PVC 基體粘合較好時(shí),無(wú)機(jī)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(dá)到增韌的目的。單純使用彈性體增韌PVC 的同時(shí), 強(qiáng)度和模量下降; 而采用剛性粒子增韌PVC, 在增韌的同時(shí),強(qiáng)度和模量基本不下降或略微降低,有利于實(shí)現(xiàn)剛性-韌性平衡。
3. 高抗沖PVC 管材的性能及評(píng)價(jià)方法
從目前高抗沖管材的發(fā)展看,開(kāi)發(fā)高抗沖管材目標(biāo)是在強(qiáng)度不降低或稍降低的前提下提高韌性。已開(kāi)發(fā)出一批新產(chǎn)品,成功地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
3.1 高抗沖管材的名稱
各國(guó)對(duì)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(guó)、澳大利亞),表明PVC 已改性;(2)聚氯乙烯合金PVC-A(Alloy,英國(guó)),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(guó)際檢測(cè)結(jié)果
高抗沖PVC 管材按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10002.1-2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》進(jìn)行檢測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。以dn110 mm×4.2 mm 的管材舉例說(shuō)明,如表1 所示。
3.2.2 快速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)
根據(jù)AS/N2S 4765 (Int):2000 《壓力用改性PVC 管材》的要求,進(jìn)行22 ℃,22 m 快速?zèng)_擊試驗(yàn)。不同管徑采用不同重量的沖錘,高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)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(duì)破壞方式的要求見(jiàn)表2。
由圖3 可以看出,經(jīng)高速?zèng)_擊試驗(yàn)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(zhǎng)能力明顯提高。同時(shí)當(dāng)管材受到?jīng)_錘高速?zèng)_擊后,管材出現(xiàn)裂紋,但裂紋并沒(méi)有增長(zhǎng)而是終止,因此管材沒(méi)有出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象。之所以在高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)中并未出現(xiàn)快速破裂的現(xiàn)象是因?yàn)榻?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(dāng)KD<KIC裂紋將終止,高抗沖PVC 與其他聚合物的斷裂韌度對(duì)比見(jiàn)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(jí)材料。
3.2.3 意外沖擊時(shí)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(shí)際應(yīng)用中這種現(xiàn)象以及類似現(xiàn)象仍不能完全避免??紤]到這些極端情況,可以采取多種非標(biāo)準(zhǔn)的、但更為直觀的方法來(lái)定性地判斷產(chǎn)品的韌性, 如在施工現(xiàn)場(chǎng)用挖掘機(jī)對(duì)管材進(jìn)行試驗(yàn)性破壞,觀察被破壞的PVC-U 管材的形貌。此外,用重5 kg、柄長(zhǎng)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(jìn)行水壓試驗(yàn)(20 ℃、38 MPa、1 h),觀察管材是否無(wú)破壞,無(wú)滲漏等。圖4 和圖5 為在工地現(xiàn)場(chǎng)用挖掘機(jī)對(duì)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(qiáng)。
4. 結(jié)語(yǔ)
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是英國(guó)、澳大利亞、南非等國(guó)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(kāi)挖鋪設(shè)領(lǐng)域等領(lǐng)域。目前,國(guó)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(jì)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(guó)際上被譽(yù)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),完善該類管材的檢測(cè)檢驗(yàn)方法。
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