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(zhèn)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(fā)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(chǎn)的工業(yè)副產(chǎn)品。目前，磷石膏大部分囤積在戶外，占據(jù)大片土地，造成土壤、水和空氣的環(huán)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(jié)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(zhì)，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(nèi)潤滑劑選用硬脂酸（DOA），改性劑選用油酸。所有產(chǎn)品均購自東莞樟木頭華創(chuàng)塑料原料公司，未經(jīng)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(zhì)，PG表示填料，0表示無結(jié)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(tài)應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對磷石膏聚合物建筑排水管道進行力學測試，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀器、應變儀和個人計算機組成。DH3816N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀是由中國有限公司生產(chǎn)的全智能巡回數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(xiàn)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(shù)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(fā)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(nèi)壁和外壁上。

3 結(jié)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(zhì)量損失發(fā)生在50℃-500℃的溫度范圍內(nèi)，這一結(jié)果也與現(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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?yōu)闊o水物，質(zhì)量沒有任何變化。同時可觀察到，磷石膏摻量在70%時，質(zhì)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(zhì)產(chǎn)量越多，可高溫環(huán)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(jù)3.1節(jié)研究結(jié)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(nèi)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?yōu)?250 mm，管道內(nèi)壁的最大周向應變增加了4%，而將覆土層從1000 mm變?yōu)?500 mm，管道內(nèi)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(nèi)外壁的影響比對內(nèi)壁的影響更大。為了驗證這一結(jié)論，如圖5所示，提取了高度為1000 mm的土壤回填下的管道內(nèi)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(nèi)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(nèi)壁的圓周曲率上升，且外壁的增量大于內(nèi)壁[2]。

圖4 管道內(nèi)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(nèi)的水保持在流動狀態(tài)。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(nèi)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(nèi)側(cè)的應變雖然有相同的規(guī)律，但差別并不明顯，內(nèi)外壁平均誤差在2.5%之內(nèi)，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(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)處于壓縮狀態(tài)，而管肩處于拉伸狀態(tài)；但噴漿襯砌管道則呈現(xiàn)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(nèi)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(nèi)壁和管口有一定影響[3]。

圖6 不同交通荷載下管道內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(tài)。在土壤負荷和交通負荷的共同作用下，管肩處于壓縮狀態(tài)。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(qū)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(nèi)壁最大增加60 kP，而外壁最大增加80 kP，外壁較內(nèi)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(jù)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(jié)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(shù)據(jù)得出了以下結(jié)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(xiàn)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。