磷石膏聚合物復合材料在建筑排水管道中的應用

程軍

杭州銳高科技工程有限公司 浙江 杭州 310008

1 引言

隨著我國城鎮化進程的加快，城市地下管線也在不斷擴大。截至2021年底，我國城市地下排水管線已超過800萬公里[1]。排水管的種類很多，包括混凝土管、塑料管和復合管。混凝土管由于其高抗壓強度和低成本而被廣泛用于排水管的建設。但混凝土管道耐久性較差，長期埋與地下，會導致混凝土發生裂縫及滲水情況。因此需要研究新型材料的排水管道[2]。

磷石膏（PG）是磷酸生產的工業副產品。目前，磷石膏大部分囤積在戶外，占據大片土地，造成土壤、水和空氣的環境污染。而磷石膏材料，本身具有一定的耐久性能。因此可以將磷石膏與聚合物相結合，制備磷石膏聚合物復合材料應用于建筑排水管道。本文主要研究磷石膏與聚合物的力學性能、熱性能。有望為建筑排水管道提供一種新的復合材料。

2 試驗方案

2.1 磷石膏聚合物建筑排水管道制備

磷石膏（PG）由河南化工集團有限公司提供。化學成分見表1。通過去除雜質，在800℃-900℃下煅燒和球磨，利用磷石膏制成無水石。聚丙烯（PP）（顆粒和粉末，Z30S）和聚乙烯（PE）（顆粒和粉末，Z2426K）均購自中國石化，增塑劑選用EVA（E282PV）。潤滑劑選擇CPE6810。內潤滑劑選用硬脂酸（DOA），改性劑選用油酸。所有產品均購自東莞樟木頭華創塑料原料公司，未經進一步處理。將磷石膏（PG）和油酸通過高速混合機混合[3]。磷石膏（PG）表面形成油膜。油酸的酸基與磷石膏（PG）形成強烈的相互作用。同時采用雙螺桿擠出機對改性磷石膏和聚合物進行熔融共混，進一步形成建筑排水管道。并制備7種不同磷石膏摻量的建筑管道，命名為PPPG-0-20，其中PP表示磷石膏聚合物基質，PG表示填料，0表示無結晶水的硬石膏，70表示磷石膏摻量[1]。

2.2 試驗方法

采用靜態應變數據采集系統對磷石膏聚合物建筑排水管道進行力學測試，該系統由數據采集儀器、應變儀和個人計算機組成。DH3816N靜態數據采集儀是由中國有限公司生產的全智能巡回數據采集系統，每個模塊有60個測點。無線和有線通信方法都可以由計算機軟件或移動APP控制。適用于測量點相對集中的模型，可以實現應力、力、位移等物理量的測量。電阻應變計的電阻值為120±0.2Ω，長度為80 mm，靈敏度系數為2.2±1%，用于測量建筑排水管道上的應變。管道在徑向壓縮時，主要發生周向變形，縱向變形較小。因此，應變計安裝在磷石膏聚合物建筑排水管道圓周的頂部、肩部、管肩、拱腋和仰拱處（如圖1所示）。同時應變計布置在管道的內壁和外壁上。

3 結果分析

3.1 磷石膏聚合物建筑排水管道TG曲線

磷石膏聚合物建筑排水管的耐熱性對管道耐久性有很大影響。如圖2所示，磷石膏聚合物建筑排水管的質量損失發生在50℃-500℃的溫度范圍內，這一結果也與現有研究成果相同。從TG曲線來看，磷石膏聚合物復合材料排水管道的95%質量損失基本都在350℃以上，說明這種復合材料具有良好的耐熱性。且質量損失主要是由于350℃以下改性劑和潤滑劑的分解造成的。磷石膏聚合物排水管道350℃-500℃的質量損失是由于聚合物本身的分解造成的。在450℃-500℃之間，可以看到磷石膏的質量殘留量比不含磷石膏的聚合物材料高，平均高16.75%，主要因為無水物在此溫度下不分解，其質量保持不變。TG曲線在450℃和500℃之間有一個峰值，這也表明在聚合物分解完成后，磷石膏變為無水物，質量沒有任何變化。同時可觀察到，磷石膏摻量在70%時，質量損失最低，較其他摻量分別下降20.4%、21.1%、19.8%、16.7%、15.9%、17.8%，主要因此磷石膏摻量越多，其膠凝物質產量越多，可高溫環境下不易分解。因此，磷石膏聚合物建筑排水管道在建筑地下具有較好耐久性，最佳摻量為70%，可滿足建筑實際使用，不受溫度影響。

圖3 周向應變曲線（單位：kP）

3.2 土壓的影響

根據3.1節研究結果，可得出磷石膏摻量為70%時，建筑排水管耐久性能最好。因此，進一步研究磷石膏摻量為70%時的力學性能。本實驗中設置了三種不同的土壤回填，深度分別為1000 mm、1250 mm和1500 mm，以研究土壤壓力對磷石膏聚合物建筑排水管道的力學響應的影響。圖4為不同覆土條件下磷石膏聚合物建筑排水管道內外壁的周向應變。增加土壤覆蓋層會擴大土壤壓力，從而提高管道的最大周向應變。且從圖中可以看出，將覆土層從1000 mm改為1250 mm，管道外壁的最大周向應變增加了6%，而將覆土層從1000 mm增至1500 mm，管道外壁的周向應變擴大了13%。然而，將覆土層從1000 mm變為1250 mm，管道內壁的最大周向應變增加了4%，而將覆土層從1000 mm變為1500 mm，管道內壁的周向應變提高了10%。這表明土壤覆蓋層對聚合物建筑排水管道內外壁的影響比對內壁的影響更大。為了驗證這一結論，如圖5所示，提取了高度為1000 mm的土壤回填下的管道內壁和外壁的周向應變。在相同的土壤壓力下，喇外壁的周向應變比內壁的周向應變大，平均大20.67%。主要因為外壁比支座高，所以外壁首先接觸載荷，承受的載荷更大。且隨著覆土層的增加，外壁和內壁的圓周曲率上升，且外壁的增量大于內壁[2]。

圖4 管道內外壁在1000 mm土層處的周向應變曲線（單位：kP）

3.3 流體負荷對管道的影響

在交通負荷和土壤負荷的同時作用下，水流入建筑排水管道。通過抽水，管道內的水保持在流動狀態。為了考察水流對磷石膏聚合物建筑排水管道變形的影響，管道內水的高度為300 mm、500 mm和1000 mm。

從圖6可以看出，隨著水流量的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道上的周向應變沒有明顯差異。且應變也小于在1000 mm土壤覆蓋下的荷載記錄。此外，管冠和管內側的應變雖然有相同的規律，但差別并不明顯，內外壁平均誤差在2.5%之內，水高度為300 mm時，應力分別為50 kPa、49 kPa，而當水位高度為1000 mm時，應力分別為46 kPa、52 kPa，表明流體載荷對磷石膏聚合物建筑排水管道的變形影響不大。管道外壁的周向應變在管冠和管內側為負值（-50 kPa、-29 kPa），而在管肩處為正值（26 kPa），這說明在交通荷載和流體荷載的共同作用下，管冠和管內側處于壓縮狀態，而管肩處于拉伸狀態；但噴漿襯砌管道則呈現相反的趨勢。且隨著水流量的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道內壁和管口的周向應變略有增加，分別增加20.6%、26.9%，但管冠、管肩的周向應變沒有明顯變化，其平均值保持在20kPa左右，說明流體荷載對管內壁和管口有一定影響[3]。

圖6 不同交通荷載下管道內外壁的周向應變曲線（單位：kP）

3.4 車輛載荷對管道的影響

當車輛的后輪作用于磷石膏聚合物建筑排水管道的外壁和內壁時，管筒上的周向應變。交通荷載作用于這個位置，簡化了試驗步驟，減少了試驗周期，便于觀察磷石膏聚合物建筑排水管道的外壁和內壁變形情況。從圖中可以看出，磷石膏聚合物建筑排水管道的周向應變在管冠處為正值（26 kP），在管肩處為負值（-40 kP），說明管冠處于拉伸狀態。在土壤負荷和交通負荷的共同作用下，管肩處于壓縮狀態。完整管道上的周向應變與修復后的管道上的周向應變沒有明顯的區別，平均值均為50 kP，這說明磷石膏聚合物建筑排水管道可以在實際工程中使用。在交通荷載的作用下，管冠、管肩等主要位置的變形變化較大，交通荷載使修復后的管道周向曲率急劇增大，內壁最大增加60 kP，而外壁最大增加80 kP，外壁較內壁增加26%，表明交通荷載對磷石膏聚合管道的破壞有很大影響。因此，在管道運行過程中，應根據管道的實際情況，控制交通量和車輛對管道的負荷，最大限度地延長磷石膏聚合管道的使用壽命[4]。

4 結論

本文主要對磷石膏聚合物建筑排水管道進行了全面的測試，并研究了觀察的TG曲線，及被埋在1000 mm的土壤覆蓋層下和置于交通負荷下的力學性能。此外，還分析了土壤載荷、交通載荷和流體載荷對磷石膏聚合物建筑排水管道周向應變的影響。從這些測試中獲得的數據得出了以下結論。

（1）在相同的土壤覆蓋層（1000 mm）下，交通荷載對磷石膏聚合物建筑排水管道的周向曲率有明顯的影響。隨著交通荷載的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道上的周向應變也隨之增加。

（2）磷石膏聚合物建筑排水管道在所有情況下都表現出不同的力學響應。隨著土壤覆蓋層的增加，管道上的周向曲率增加，這表明土壤荷載增大，管道的變形相當大。然而，再增加250 mm土壤覆蓋層的效果使管道的要求與在1000 mm土壤覆蓋條件下觀察到的情況類似。