UPVC管材在給排水項目中應用及粘接工藝優化

王東勛

(北京積水潭醫院，北京 100035)

近年來，建筑材料的探索和制作工藝一直都處于發展中，其中，給排水工程中所需的材料也被不斷優化。UPVC(Unplasticized Polyvinyl Chloride)材料具有很強的耐腐蝕性，不會生銹，且內部十分光滑，具有極小的流動阻力。正因如此，考慮到給排水工程中的經濟、可靠性以及技術等問題，UPVC管材在給排水項目中的應用越來越寬廣[1]。然而，UPVC還包括一些缺點。例如，UPVC材料沒有較高的熱穩定性和韌度，所以需要對其進行改造才可以應用到實際工程中[2]。綜上所述，要想使得UPVC管材的功能實現高效發揮，就需要按照實際工程及其環境特點，在UPVC管材的制作過程中嘗試引入各類試劑，以使得UPVC管材的功能得到全面加強。

據學者們研究發現，UPVC管材之所以能夠在給排水工程中發揮明顯的經濟作用，并且對一些資源稀缺的國家可以起到一定的緩沖作用，是因為其具有幾個方面的優勢。一是UPVC管材具有較強的耐腐蝕性和流體傳輸功能[3]；二是UPVC的造價成本低，用途大，應用廣泛；三是UPVC管材具有便攜性，易操作，因此它能夠被頻繁地用于給排水系統中[4]。

綜上所述，UPVC管材的發展及其在給水排項目中的應用已經取得了一定的發展，但由于UPVC管材本身的不足，使得其應用于給水排水工程時仍存在一些問題?；诖?，將UPVC進行優化就顯得尤為重要。另外，學者們發現，將多功能復合增強劑MCRA(Multifunctional Compound Reinforcing Agent)融入到管材中能夠起到不錯的效果。因此，將多功能復合增強劑MCRA融入UPVC管材中，并設置實驗對其性能進行研究，這將對給排水工程的選材優化以及功能提升產生一定的意義。

1 材料與方法

1.1 UPVC 管材粘接工藝

UPVC管是PVC塑料管的一種，未添加塑化劑的PVC原料稱為UPVC或PVCU；所以，UPVC是PVC管的升級版。沒有添加塑化劑PVC原料中的氯會全部揮發掉，也就是說UPVC的水管沒有殘余氯釋放。而添加塑化劑的PVC原料，有許多殘余的氯無法揮發掉，所以普通PVC的水管會有殘余氯釋放。此外，UPVC可以說是PVC的延伸優化產品，其性能優于PVC；但仍然存在色彩偏暗和收縮比偏大的問題，接口處也同樣是用膠粘接。UPVC管材的粘接流程：(1) 管材粘接前，應用干布將承口側和插口外側擦拭處理，當表面粘有油污時需用丙酮擦拭干凈；(2)管材斷面應平整、垂直管軸線并進行倒角處理；粘接前應畫好插入標線并進行試插，試插深度只能插到原定深度的1/3～1/2，間隙過大時嚴禁使用粘接方法；(3) 涂抹粘結劑時，應先涂抹承口內側，后涂抹插口外側，涂抹承口時應順軸由里向外均勻涂抹適量，不得漏涂或涂抹過量(200 g/m2)；(4) 粘結劑涂抹后，宜在20 s內對準軸線用力推擠一次連續到所畫標線，將管材或管件旋轉小于等于90°，并在1 min內保持施加的外力不變，保持接口的直度和位置正確；(5) 粘接完畢后及時將擠出的多余粘結劑擦凈，在固化時間內不得受力或強行加載；(6) 粘接接頭時不得在雨中或水中施工，不得在溫度5 ℃以下操作；(7) 連接程序：準備→清理工作面→試插→刷粘結劑→粘接→養護。

在大部分情況下，UPVC管適用于電線管道和排污管道，其中排污管最常見，所以生活中我們經常把UPVC管直接叫做UPVC排污管。

1.1.1UPVC與PVC的異同

1) 材料不同

雖然2種材料都是由聚氯乙烯制成；但是PVC含有增塑劑，UPVC不僅不含增塑劑也不含有PVC的雙酚A。

2) 硬度不同

PVC硬度不如UPVC的硬度好，UPVC被認為更堅固，一般能夠抵抗各種操作壓力和溫度。

3) 使用場景不同

PVC廣泛用于替代灌溉系統，廢水管道和水池系統的舊鐵管、水泥管等。另外，常用于電纜，絕大部分PVC可以提供額外的絕緣層。

UPVC因耐化學腐蝕而聞名，在許多情況下還是木材的理想替代品。例如，它可以用于制造更耐用的窗框，并且與木材相比能夠更好地承受元件。常規PVC不能用于創建窗框，這是因為UPVC不會分解；但普通PVC會分解。

1.1.2UPVC塑料管材的分類和特征

現有的UPVC管材形式多樣，可以在各類工程中發揮所需要的作用。現階段，市面上的UPVC管材包括普通UPVC管材、消音式管材和芯層發泡型管材[5]；上述的后2種管材都是基于UPVC管材的高級產品。然而，隨著給排水工程的要求越來越高，UPVC也在不斷的進行革新。例如，消音式管材專用于排水立管，通過自身獨有的結構，提高管道內部的氣體輸送能力，以此增強水的流通效果，同時將排水時產生的噪音進行弱化，使得水管功能得到提升[6]。芯層發泡型管材亦是如此，不但具有消音功能，還能利用管材內部的小氣孔使得水管具有保溫效果[7]。

1.1.3UPVC管材應用時存在的問題

在建筑給排水工程中，應用UPVC管材所存在的問題如圖1所示。

圖1 應用UPVC管材所存在的問題Fig.1 Problems existing in the application of UPVC pipes

噪音控制：現階段，UPVC管材在給排水工程中應用力度較大，但是因為給排水系統在運作時其產生的聲音較大，對周圍環境造成干擾。所以，在研究UPVC管材時，管材排水噪音大這一問題亟需解決。按照環保部門的相關數據可知，日常沖水的聲音大約是55 dB，而該分貝的噪聲足以影響到居民的正常生活。因此，排水管道在設計時，需要與居民住所相隔一定的距離，而且盡量不和墻面相靠；解決管道節點位置時，應該提前布置好支墩、軟墊等材料。綜上所述，UPVC管材要想實現高效的消音降噪，就需要嚴格把關管線的安設、管材種類的選取和結點問題的解決[8]。

防火控制：UPVC管材的耐火性、耐高溫性并不是很理想，當環境溫度接近90 ℃時，UPVC管材就會出現變形。所以，在將UPVC管材應用到給排水工程中，就需要對UPVC管材采取防火保護。首先，在給排水工程進行準備工作時，應當讓UPVC管道和煙道、防火墻等消防區域避免存在相交，因此應該將UPVC管材安設在沒有危險的墻體角落；其次，當環境要求UPVC管材要穿插在樓層時，為了避免火災，也應該在管材上安設阻火圈以及防火套等設備；最后，還應該適當把握UPVC管道的分布規模，以及注意加強制造排水管道的安全環境[9]。

管材特質選擇：一般的UPVC管材其實際承壓能力大約是0.5 MPa，然而，如果管材的承壓能力較弱，則必然會具有較大的安全風險。這就要求在給排水工程進行時，需要對管材破損的問題進行一定的預防。而造成UPVC管材出現破損的原因大都是因為管材在不同的溫度環境中，其膨脹系數發生變化而導致的。因此需要對管材的伸縮量進行高度控制，并且在特殊位置添加伸縮節。首先，如果漏乘高度小于4 m，那么每層都應該添加伸縮節；其次，為保證伸縮節能夠均勻分布，則每隔2 m，排水管線就需要伸縮節；最后，還需要重點把握伸縮節的位置安設。這就需要工作人員根據理論知識進行合理的規劃。綜上所述，當UPVC管材出現各種功能問題時，需要合理規劃伸縮節的設置，以此加強建筑排水管道的可靠性和安全性[10]。

機械強度以及質量控制：當管材缺少增強劑的輔助作用時，此時UPVC管材的機械強度較小、易破損。在將UPVC管材應用到給排水的應用過程中，應該安設固定支架來減小UPVC管材本身的質量，此舉可以提高管道的安全性。此外，在目前的建筑材料市場中，管材質量的高效管制還未完全實現，因此管材的質量會存在不穩定性。而在給排水系統中，管材是其最基礎的部分，因此必須對管材的質量嚴加把關[11]。

1.2 給排水工程在醫院中的應用

一般來講，醫院中的給排水工程包括室內排水、室外排水、室外雨水排放以及污染物排放4個方面。其中，室內排水是指采用清潔區、污染區、半污染區3區分流和污廢水合流形式，通氣管在屋面做消毒處理[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閉形式，并間隔一定距離設通氣管，并且在特定地點設置化糞池和預消毒池，后排水至現有污水處理站處理，現有污水處理站主體工藝采用二級生物處理，設計出水能達到《醫療機構水污染物排放標準》(GB 18466—2005)中的綜合醫療機構水污染物排放標準[13]。室外雨水排放是指將院區場地雨水就近排入院區已有雨水管道，就近排入市政雨水管道[14]。污染物的排放是指將污染區與清潔區的污水在室內分別收集排放，室外排水管道管徑較大，污染風險較小，可在室外合流排放；接入化糞池前進行了預消毒[15]。以上說明，醫院的給排水工程是比較復雜的。

1.3 給排水工程運用新型材料的必要性

根據上述可知，醫院中的給排水工程是必然需要存在的。然而，除了醫院，城市的各類建設項目均需要污水的排放，而污水的排放則由給排水系統來進行，因此，污水排放在環境建設中發揮著重要的作用[16]。污水源于工業、生活以及雨水等，利用給排水系統能夠將污水排放到特殊的地點，并在該地點完成回收利用等工作，以此達到水資源的可持續利用[17]。給排水工程主要由管網、出水口以及污水處理廠等部分組成，利用給排水工程可以有效解決城市內澇、水環境污染以及水資源節能化等問題[18]。

在給排水工程中，根據工程環境的實際狀況，選取合適的建筑材料以及高效的手段，不僅能夠保障整個工程的質量，還能高效的把握工程的實現過程[19]?，F階段，學者們不斷研究建筑材料，得到了許多的新型材料，然后將材料與排水管材相結合，實現了傳統管材到新型管材的優化，使得給排水節能化、環?；约敖】祷痆20]。

2 結果與分析

2.1 MCRA性能

MCRA增強劑和活性鈣的各項性能，具體結果如表1所示。

表1 MCRA增強劑的各項性能Tab.1 Properties of MCRA reinforcing agent

由表1可知，活性鈣的疏水率為0%，說明活性鈣的吸附性強，水分子無法通過鈣質材料；且活性鈣的酸堿度和吸油率均大于MCRA材料。

2.2 試樣性能

2.2.1試樣的表觀性能

在初始化配方中分別融入22 份活性鈣和22 份MCRA增強劑，得到干混料的表觀性能，具體結果如圖2所示。

圖2 干混料的表觀性能Fig.2 Apparent properties of dry mix

由圖2可以看出，將同樣份數的活性鈣和MCRA增強劑進行混合后，得到不同的干混料樣品，其白度、干流性、穩定時間以及表觀密度等性質并未有大的差距；這說明2種材料的穩定性較好。

2.2.2不同試驗樣品的力學性能

通過對干混料進行混練和壓板操作得到 1、2號樣品；2個樣品的物理性能結果如圖3所示。

圖3 2個樣品的物理性能Fig.3 Physical properties of 2 samples

從圖3可以看出，當環境溫度處于-10 ℃時，MCRA-UPVC的粘連處產生的撕裂數量大于活性鈣-UPVC材料。當環境溫度處于23 ℃時，MCRA-UPVC 復合材料的粘連處出現撕裂后，會產生均勻的變形；而活性鈣-UPVC材料則呈現出不均勻的變形狀況。

2.3 MCRA應用效果

2.3.1優化后的UPVC材料物理性能

某廠家在初始配方中原有40份活性鈣中額外添加8份MCRA增強劑，得到優化后的UPVC材料物理性能，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，融入MCRA增強劑后的材料其拉伸強度和伸長率沒有太大變化；但在23 ℃、-10 ℃的環境溫度下，融入MCRA增強劑后的材料其承受能力有一定的加強。此外，融入MCRA增強劑后的材料其壓板白度也有一定的提升。

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

2.3.2優化后的UPVC材料的流變性能

對加入MCRA增強劑的UPVC材料的流變效果進行分析，結果如圖5所示。

圖5 加入MCRA增強劑的UPVC材料的流變效果Fig.5 Rheological effect of UPVC materials with MCRA reinforcing agent

從圖5可以看出，添加MCRA增強劑后，平衡扭矩基本沒有什么變化；而在塑化扭矩方面有一定的變化。這說明，新配方的表觀黏度程度有所減小，整體的塑化能力有一定的加強，熱穩定性也有所加強。

2.3.3維卡軟化溫度測量結果

為了進一步驗證融入MCRA增強劑的UPVC材料的高溫變形情況，將其和普通PVC以及未加入MCRA的UPVC材料進行維卡軟化溫度的對比；維卡軟化溫度實測結果如圖6所示。

圖6 維卡軟化溫度實測結果Fig.6 Measured vicat softening temperature

從圖6可以看出，添加MCRA增強劑的UPVC材料的維卡軟化平均溫度為76 ℃，普通PVC的維卡軟化平均溫度為81 ℃，未加入MCRA增強劑的UPVC材料維卡軟化平均溫度為78 ℃。以上數據說明加入MCRA增強劑的UPVC材料在高溫條件下更耐受，不易變形。

2.4 給排水工程中UPVC管材的改進

2.4.1基于承載負荷的排水改進

在建筑給排水系統中，水體是以膜流狀態進行流通的，UPVC管道內壁和水體的親和度是管道優化設計的重要影響因素。因此，想要實現建筑給排水的優化設計，必須結合實際應用管材與水體的界面張力，明確不同UPVC管道的類別、型號以及負荷能力，不能僅憑經驗與主觀經驗臆斷。

在建筑的給排水工程中，水的流動是以膜流形態完成的，因此，UPVC管材內部和水接觸時的親和程度決定了管道承載負荷的大小，也影響著管道內水流通的整體效果。所以，如果要對給排水工程進行改進，就需要以管道和水之間張力大小的實際情況為基礎，然后對各種UPVC管道的型號及其性能有所了解，切記不能憑經驗自主判斷使用。

2.4.2基于內部壓力的排水改進

現階段，在一些高層排水系統中，往往會因為管道內水體產生的壓力而使得管道底部的水封膜被破壞。按照實際情況，膜流量減少的污水會具有與流速成正比的氣體量，然后在排水立管內產生不正常的壓力。為了把控膜流的流速和立管的內壓，UPVC塑料管的形狀能夠在規定的高度均勻地改變，以提高其性能，比如彎曲效率的處理和UPVC管內表面積的擴大。

2.4.3基于高度的排水優化設計

UPVC管道中的氣體量、立管高度和流體速度是存在一定聯系的。根據《建筑給水排水規范》(GB 55020—2021)中提到的關于通風立管設置的內容，建筑給排水用UPVC塑料排水管的優化設計應按照對應管徑來設置不同高度的流量臨界值；然后利用臨界值重置，以此完成更好的建筑排水管道改進。

3 結語

UPVC管材在建筑給排水中的應用目前還在初級認知過程，同時，學者們也在對UPVC 管材進行持續的研究與優化。鑒于建筑節能的理念，應擴大環保型UPVC管的應用范圍。為保證UPVC多項性能的進一步提高，在UPVC管材中摻入MCRA增強劑，采用新型功能材料，增強UPVC管材在建筑給排水工程中的應用效果。實驗結果表明，MCRA的加入一方面可以增強管材的力學性能和表面亮度；另一方面還可以有效減小微卡軟化溫度，使得管材能更加耐高溫，且使用壽命得到一定的延長。不足之處在于對UPVC管材進行優化后，對其在實際項目中的應用研究較少，后續將加大應用力度，對UPVC管材的功能采取進一步的研究，從而為給排水項目所需材料的不斷優化和提升提供理論保障。