新型塑料檢查井專用料的開發與應用研究

郭 林,李 艷,胡俊強,楊建華

(1.四川仁智油田技術服務股份有限公司,四川綿陽621000;2.昆明普爾頓管業有限公司,云南昆明650109)

0 前言

檢查井又稱“窨井”,一般設在埋地排水管道交匯處、轉彎處、管徑或坡度改變處、跌水處以及直線管段上每隔一定距離處,主要用途是便于對管道進行定期的檢查、清潔和疏通等維護工作。根據使用功能,檢查井可分為雨水井、污水井、水封井及跌水井等。傳統檢查井為磚砌結構,管道系統中兩種不同材質的連接難以做到完全密封,同時還由于井體與排水管間會產生不均勻沉降,造成管道和檢查井連接處經常出現滲漏并污染地下水。有研究顯示,造成流沙地區管道坍塌的首要原因是接口滲漏,其次是檢查井的損壞。另外,傳統檢查井施工周期長和作業面大、故障率高、使用壽命短等問題一直未得到根本解決,形成了先進的管材技術和落后的檢查井技術共存的嚴重不協調局面,不僅使塑料管道系統的優勢得不到有效發揮,同時又為建筑地下排水管網埋下了嚴重隱患。在當前構建“節約型、環保型”社會的形勢下,此問題顯得尤為嚴重和突出,因此傳統檢查井已經不能適應現代基礎建設的發展要求[1]。

近幾年,隨著塑料排水管在道路排水系統、市政管道、小區室外雨污水排水系統中的推廣運用,塑料排水管已成為排水管網中的主流管道,對室外排水工程品質的提升起到了很大作用。而與此同時,傳統的磚砌檢查井在很大程度上成為小區排水管網中的質量和污染隱患,與塑料檢查井相比較,其弊病已越來越突出。建設部2004年(218)號文件公布,明確禁止使用黏土實心磚,“十一·五”技術公告要求塑料管道應優先采用塑料檢查井,因此,塑料檢查井以其綠色、環保、節能、節地等諸多優勢成為替代磚砌檢查井的主要產品之一[2]。

1 塑料檢查井現狀

1.1 塑料檢查井分類

根據檢查井的筒體尺寸、構造以及使用途徑來看,檢查井可以分為以下幾類:

(1)建筑小區用塑料檢查井。尺寸一般在1000 mm以下,形式多,構造比較復雜;

(2)市政工程用檢查井。多為大型檢查井(又稱人孔),構造較簡單,尺寸一般在1000 mm以上;

(3)廠礦、企業排污用檢查井。尺寸在700～1200 mm,用于化工、制藥等高污染企業污水工程。

1.2 生產和使用現狀

塑料檢查井屬于一種預制型檢查井。最早開始在歐美等發達國家應用,大多采用聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(PE-HD)為原材料,制備方式主要為模壓方式。在使用中采用預留接口與管道連接,不用時則封閉,并通過切割或分節組合方式調節施工使用高度。由于塑料檢查井在強度上有一定不足,不能承擔車輛荷載,所以其主要還是應用在住宅小區內、非承壓地段的管道連接和檢查[3]。

在國內,目前塑料檢查井基本上都采用普通PE-HD纏繞管或鋼帶增強管等通過焊接方式制備或PVC注射成型,雖然好于傳統檢查井,但還是存在制備麻煩、焊接部位強度缺陷和強度(環剛度)低和施工不便的問題。近來有廠家采用聚丙烯(PP)為原料通過模具注塑來制備檢查井。這種檢查井組裝方便,結構比較合理。實際檢測和使用中,普通的PP塑料檢查井又存在著強度和成本的問題。這些問題是塑料檢查井大規模推廣使用中的一個瓶頸問題。因此開發出一種高性能并具有較低成本的塑料檢查井專用料成為了解決塑料檢查井應用難題的關鍵工作。

2 新型塑料檢查井專用料開發

當前在塑料檢查井生產上主要以PE-HD、PVC或粉化PE料為原材料,存在的問題是原材料加工性能差,強度低,終端產品在模量、韌性和成本方面的等綜合性價比不高。針對這些問題,四川仁智油田技術服務股份有限公司結合塑料檢查井加工、應用特點和市場發展趨勢,對檢查井的原材料和加工工藝做了長時間的研究開發。采用復合共混增強技術對現有塑料檢查井原材料進行了性能改進,顯著提高了檢查井原材料本身的力學性能,開發出了一系列塑料檢查井專用料?？梢酝ㄟ^注塑、澆注模壓等加工方式來制備各種類型或不同使用要求的塑料檢查井,具有優良力學性能,不僅可用于小區排水,也可用于有載荷要求的路政施工。

2.1 制備工藝

對普通檢查井原料的改性主要是提高其加工和力學方面的性能,并根據實際使用情況降低產品成本。四川仁智油田技術服務股份有限公司的塑料檢查井制備工藝包括原料活化處理、混合、反應擠出3個環節。生產工藝流程如圖1所示。

圖1 檢查井專用料生產工藝流程圖Fig.1 Process chart for the preparation of the special material

(1) 活化處理與混合

活化處理環節是對增強、增韌材料做類似于表面活化處理或分子官能團化處理,有利于提高體系的相容性,使增強、增韌效果得到顯著提高。實驗表明,在108℃下將活化處理劑分3次加入,并采用1000 r/min的高速攪拌方式對無機剛性材料進行表面活化處理可以顯著提高增強材料與體系的相容性,從而使材料的強度提高1倍以上。處理后的原料在混和器內進行中等強度(100～400 r/min)的混合,以確保體系達到宏觀混合均勻,有利于后續加工的穩定性。

(2) 擠出工藝

塑料檢查井專用料以雙螺桿擠出機為主要加工設備。影響產品性能的主要因素有加工溫度、主機轉速和螺桿組合3個工藝參數。

加工溫度是重要參數,溫度設置不僅要確保物料的熔化和混合,并還需注意不利影響,如副反應和物料降解等。在擠出加工過程中,溫度實行臨界設置,即設置在140～165℃,熔融段設置為145～150℃,這是由實驗使用的PP本身特性決定的,有利于塑化共混,而又不至于發生熱氧化降解,機頭溫度一般控制在160℃以上,以確保出料順暢,不至于產生較大熔體壓力引發負面效應發生。螺桿轉速則控制在180～280 r/min。這種設置可以使增強材料的尺寸控制在2 mm以上,確保其有足夠的尺寸效應,同時兼顧生產效率。過高的主機轉速固然可以提高產量但因高轉速產生的高剪切和高熱效應將使PP發生嚴重分解,增強材料尺寸也遠小于2 mm,得到的專用料的諸多性能(熔體流動速率、強度等)都無法滿足使用要求。螺桿組合則是影響產品性能和產量的另一重要因素。螺桿組合有兩個功能,一是取得最佳的混合和分散能力,二是控制體系的混合強度。在共混改性材料的生產中,不同組分間的分散程度和效果是影響產品性能的關鍵。同時混合分散的強度也對組分分散和尺寸起到決定作用。這兩個功能是通過螺桿組合來實現的。塑料檢查井專用料的性能除了跟材料本身特性有關外,不同組分間的混合分散程度是決定性能的又一個重要因素。因此在螺桿組合的設計上采用低強度高分散能力的組合,即12～14組嚙合螺桿均勻分布在塑化區段。

通過上述實驗中的加工溫度部分區段采用了臨界設置并結合了特殊設計的螺桿組合,使共混體系在分散程度和組分尺寸上充分符合增強增韌需要,并通過最終造粒得到高性能的塑料檢查井專用樹脂。

2.2 專用料性能測試

通過實驗對比,檢查井專用料在熔體流動速率、強度、耐候性測試及檢查井性能上比普通料具有明顯的優勢。對比測試結果如表1所示。

表1 專用料及普通料性能對比Tab.1 Comparison of the specialmaterial and general ones

2.3 專用料特點

(1)技術性能。通過原材料選擇、配方設計和共混增強技術的使用,與普通同類樹脂相比,塑料檢查井專用料具有優良的彎曲模量、彎曲強度,相關技術指標提高3倍以上,耐候能力強。通過客戶生產試驗表明,本產品注塑生產的塑料檢查井(直徑1000 mm)環剛度達到3.0以上。性能優良,完全可以替代現有檢查井生產原料,性價比高;

(2)加工性能。可以通過注塑、模壓、澆注等方式進行塑料檢查井的成型加工。具有熔融塑化速度快,成型性好、收縮率低和外觀良好及成型周期短的優點;

(3)使用性能?？筛鶕煌┕さ赜蛞筮M行產品設計,替代普通塑料檢查井原料,解決強度、成本等問題。成型加工對設備無特殊要求,不產生額外設備投資,具有原料來源廣泛、流程簡潔、工藝穩定、可操作性高的特點。

3 應用分析

3.1 應用范圍

(1)建筑小區(居住區、公共建筑區、廠區等)范圍內埋地塑料排水不下井操作的塑料排水檢查井;

(2)一般土質、軟土土質、季節性凍土土質和濕陷性黃土土質條件下的塑料排水檢查井;

(3)具有一定地面荷載市政道路施工用檢查井;

(4)通過模具的調整,該專用料還可以用于農村地區集水器、沼氣池和化糞池等大型中空容器制備。

3.2 應用評價

目前國內對于塑料檢查井的標準只有一個企業標準(CJT 233—2006建筑小區排水用塑料檢查井)對塑料檢查井的原材料提出了相應技術要求,國家標準則還在制定中。本專用料性能遠高于CJT 233-2006的要求,從客戶的使用追蹤來看,專用料在強度、施工應用上表現突出[4]。

(1)高強度。易于運輸和安裝,性能可靠,承載能力強,加筋產品具備負載良好的能力;

(2)高韌性。具有良好的抗裂和抗沖擊能力;

(3)耐候性能。耐候測試熔體流動速率變化率＜30%;

(4)檢查井內壁光滑流暢。雨污排放率是傳統檢查井的1～3倍;

(5)高性價比。成本相比于同類塑料檢查井降低20%以上。

圖2為該專用料制備得到的兩種類型的塑料檢查井的主體結構。

隨著我國城鎮化的深入推進和城市雨污分流改造的持續實施,城市地下排水管網得以快速發展和不斷完善,國內每年僅排水用檢查井市場需求在400萬套以上,塑料檢查井產業具有良好的市場前景,該產品具有較好的市場推廣價值。

圖2 專用料制備的2種塑料檢查井的主體結構Fig.2 The main structure of two kinds of p lastics manhole producted with the specialmaterial

4 結語

(1)采用分3次加入活化處理劑,并高速攪拌的方式對無機剛性材料進行表面活化處理可以顯著提高增強材料與體系的相容性,使PP的強度提高1倍以上;

(2)專用料的熔體流動速率、彎曲模量、彎曲強度、缺口沖擊強度以及所得制品的環剛度和耐候性均比普通料有顯著提高,適合塑料檢查井的使用。

[1] 張祥中,林廷獻.塑料排水檢查井在住宅小區的應用前景[J].中國給水排水,2008,(6):99-101.

[2] 陸威臣.排水用塑料檢查井的設計應用探討[J].給水排水,2008,(增刊):158-161.

[3] 朱保羅,唐建國.塑料排水檢查井應用嘗試和體會[J].給水排水,2004,(6):100-101.

[4] 中華人民共和國建設部.CJT 233—2006建筑小區排水用塑料檢查井[S].北京:中國標準出版社,2006.