1.UPVC管道開裂的原因分析

PVC-U 是一種脆性材料，容易發生快速開裂。管道的快速開裂是指在管道偶然發生開裂時，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。研究發現：PVC-U管的快速開裂絕大多數發生在試壓初期，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，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）某些偶然發生的事故引發裂紋，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管材內有與PVC樹脂不相容的大顆粒， 他們是誘發管材破裂的重要原因。這些大顆粒主要包括：（1）與管材基質材料有顯著差異的棕黃色或棕色顆粒，經分析確認為分解的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）夾雜在管材內部，成為材質中的裂縫和缺陷。裂縫的斷裂理論認為，這些裂縫和缺陷會使應力集中于裂縫的尖端處， 遠高于管材材質受到的平均應力[2]。當它達到和超過某一臨界條件時，裂縫就會失去穩定性而擴展，以至較終當表面應力達到某一值時，出現材料的斷裂。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在施工過程中， 偶然因素則是由施工、不可預測因素和材料本身造成的。
綜上所述，PVC-U 管是脆性材料，生產過程中往往會引入造成應力集中的結構缺陷，使得PVC-U 管受到作用力的時候出現快速開裂破壞現象。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。化學改性的優點是增韌改性效果顯著， 不足之處是要經過復雜的化學反應，對工藝、設備有較多要求，一般在樹脂合成廠中采用，PVC-U管廠難于實現。
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相中，形成海島相結構。彈性體粒子充當應力集中體， 誘發基體產生大量的剪切帶和銀紋； 剪切帶和銀紋的產生及發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展， 使其不發展成破壞性的裂紋；此外，剪切帶也可阻滯、轉向并終止銀紋或已存在的小裂紋的發展，促使基體發生脆－韌轉變，提高材料的韌性。增韌PVC 的彈性體主要包括MBS、ACR、MABS 等；（2） 網絡增韌機理：彈性體形成連續網絡結構，包覆PVC 初級粒子。網絡結構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 連續相中， 由于連續相與分散相之間的楊氏模量和泊松比不同， 在兩相界面產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生應力集中效應，引發大量的銀紋，并阻止銀紋的發展，促使基體發生剪切屈服，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展看，開發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。已開發出一批新產品，成功地應用于各個領域。
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。同時當管材受到沖錘高速沖擊后，管材出現裂紋，但裂紋并沒有增長而是終止，因此管材沒有出現脆性破壞的現象。之所以在高速沖擊實驗中并未出現快速破裂的現象是因為經抗沖改性后其斷裂韌性明顯提高。材料出現脆性破壞的條件為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的數據可以看出， 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 管的施工規程中規定不得拋摔管材， 但實際應用中這種現象以及類似現象仍不能完全避免。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品的韌性， 如在施工現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. 結語
國外發達國家尤其是英國、澳大利亞、南非等國家已經將高抗沖PVC 管成功應用于給水、采礦業和非開挖鋪設領域等領域。目前，國內企業已經研制成功高抗沖UPVC管。由于這類管材設計應力高，可以節約原材料，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，應大力推廣該類管材。為了保證該管材的健康發展，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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