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建筑工程中常用塑料管材的性能对比与应用研究
  浏览次数:8620  发布时间:2020年08月11日 15:02:34
[导读] 塑料管是合成树脂与添加剂熔融成型的制品,建筑工程中常用塑料管材包括硬质聚氯乙烯管、聚乙烯管、交联聚乙烯管、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管、无规共聚聚丙烯管、聚丁烯管等。不同成分的塑性管材呈现不同的性能特点。
 李园媛
泸州职业技术学院  四川泸州  646000

摘 要: 介绍了目前建筑工程中塑料管材的发展和应用现状,对建筑工程中常用的几种塑料管材的性能特点及安装特点进行了对比分析,对建筑工程选用塑料管材的一般原则进行了总结,并对塑料管材市场的未来发展方向及重点进行了探讨。
关键词:建筑工程;塑料管材;性能;应用

21世纪以前,建筑给排水工程中的管材多为镀锌钢等金属管,但金属管材易锈蚀滋生细菌,存在危害人体健康的风险,金属管逐渐被禁用于住宅建筑中。此后,新型管材的研究成为建筑工程行业关注的要点,我国开始引入各种新型管材[1]。塑料管材在欧美日等先进工业国发展已较为成熟,其质量轻、耐腐蚀、易操作的良好性能得到建筑工程界的青睐,在建筑工程中逐代金属管材和其他传统管材[2],逐渐占领大部分的建筑管材市场。2000年我国塑料管材的生产量为78.6万t,2001年快速增长至121.4万t[3],2018年突破1500万t。

01 常用塑料管材的性能
塑料管是合成树脂与添加剂熔融成型的制品,建筑工程中常用塑料管材包括硬质聚氯乙烯管、聚乙烯管、交联聚乙烯管、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管、无规共聚聚丙烯管、聚丁烯管等[4]。不同成分的塑性管材呈现不同的性能特点,如表1所示。

表1 常用塑料管材的性能对比

1.1 硬质聚氯乙烯管(UPVC管)
硬质聚氯乙烯以聚氯乙烯树脂为载体,加入稳定剂、润滑剂等助剂,经过捏合、滚压、塑化、切粒、挤出成型等步骤加工而成,通过耐酸碱、加热煨弯、冷却定型等工艺形成硬质聚氯乙烯管材。管材通常质量轻盈,内壁顺滑阻力小、不黏结、不结垢,施工过程中角度容易扩口、黏接、弯曲、储存和安装,同时耐腐蚀和耐老化性强,有阻燃性和自熄性,但柔韧性一般。

1.2 聚乙烯管(PE管)
聚乙烯(PE)是结构最简单的高分子有机化合物,也是当今世界应用最广泛的高分子材料。PE是通过乙烯(CH2=CH2)的加成反应和聚合反应,由重复的CH2单元连接而成的高聚合链,其性能取决于其聚合方式[5]。在中等压力(15~30MPa)下聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE),分子链很长且为线型,分子量高达几十万。在高压力(100~300 MPa),高温(190~210℃)条件下,通过自由基聚合得到的是低密度聚乙烯(LDPE),是一种支化结构。PE不溶于水,吸水性很小,对于一些化学溶剂,如甲苯、乙酸等,也只有在70℃以上温度时才略有溶解。用于建筑材料的是微粒状PE,可以在15~40℃之间随温度的变化熔化或凝固,温度升高时吸收热量,熔化;温度降低时放出热量,凝固。同时由于吸水量很小,不易潮湿,有良好的绝缘性能,因此是很好的建筑材料。PE管材通常内表面光滑,对水流阻力小;柔韧性好,在特定的条件下可延长5倍以上;耐腐蚀性、耐老化性、稳定性良好,通常使用时间可达50a以上;防燃、防静电能力强,可用于易燃易爆建筑中;在管材的制作过程中无添加剂,绿色环保、可回收性强。但是管道的连接靠电熔和热熔方法连接,对人工施工技术水平要求较高,如果操作不当会有漏水风险,整体造价相对较高。

1.3 三型聚丙烯管(PPR管)
三型聚丙烯是一种无规共聚聚丙烯,在丙烯聚合时加入少量(5%)乙烯单体,通过气相共聚工艺聚合而成。由于乙烯含量少且以单分子状态分布在聚丙烯分子链上,所以对聚丙烯强度和耐热性损失较小,而又能提高其冲击性能,又称为第三代聚丙烯[6]。PPR通常质量轻盈,内外表面光滑平整,阻力小;同时耐高温、抗冲击性和长期蠕变性能较好;导热性约为PE管的2倍;绿色环保,可回收再利用。但是PPR管材刚度不够,不适合应用于建筑工程管道中,多在家装中使用[7]。

1.4 聚丁烯管(PB管) 
PB管是由丁烯-1组成的高分子综合体,是一种高分子惰性聚合物。从结构来看,聚丁烯(PB)是一种线型的全同立构的半结晶性热塑性材料,加工和使用过程中无毒无污染,可以反复加热成型。具有很高的耐温性(温度范围-30~100℃)、持久性、化学稳定性和可塑性,使用寿命可达50~100a,能长期耐老化[8]。管材的管壁轻薄光滑平整,不结垢、柔韧性强,最小曲折半径可达6D;稳定性好、耐冲击,不易发生化学反应,无毒无害。但是PB管的安装方式多为一体化热熔衔接,虽能有效避免衔接处渗漏的问题,但对施工技术要求较高。而且,国内目前PB树脂的生产很不成熟,原材料主要靠进口,成本高,普及不易。

1.5 交联聚乙烯管(PE-X管)
PE-X管采用硅烷交联聚乙烯而成,作用原理是通过引发剂如过氧化物的作用将硅烷的乙烯基跟PE接枝,生成含有三甲基硅酯基的聚合物,水解后形成硅醇基,再通过硅醇基的缩聚反应产生交联作用而生成PE-X[9]。PE-X管在PE管的特性基础上增强了物理力学性能,温度适用范围拓展至-70~110℃;具有良好的可弯曲性,管材刚中有柔,不会因脆性而断裂和开裂;具有良好的耐腐蚀性,绝缘性好,长期蠕变性能优异。但PE-X管有耐光老化性能差,阻透能力差等缺陷,并且PE-X管不可回收,不利于环境保护。

1.6 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管(ABS管)
ABS树脂是目前产量最大、应用最广泛的聚合物,是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物,表现出三种单体均聚物的协同性能,兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能[10]。通常质地坚韧、强度高、抗冲击性极强,表面撞击不断裂不破裂;耐腐蚀性较强,不含金属稳定剂,无毒无二次污染;安装方便质量可靠,可用螺纹、胶粘承插、法兰连接等多种方式。但ABS管的适用温度为-40~70℃,不耐高温,正常使用寿命45a以上。

1.7 复合管
复合管是以金属管材为基础,内外表面焊接PE-X、PB等塑料而形成的管材。常见的有涂塑复合管、铝塑复合管、钢塑复合管[11]。它具有金属管材和塑料管材的双重特点,既克服了钢管和塑料管各自的缺点,又保持了钢管和塑料管各自的优点。由于钢、塑两种材料的结构是复合而成,因此能够克服塑料管的快速应力开裂现象;同时具有超过普通纯塑料管的强度、刚度、抗冲击性等;内壁光滑,不结垢,损失比钢管低30%;可以通过调整钢材直径、塑料层厚度等,制造不同压力等级的管材。

02 塑料管材在建筑工程中的应用
2.1 塑料管材的应用分类
塑料管材在建筑工程中的应用,依据其主要功能可大致分为五类:给水管、排水管、采暖管、燃气管、电线管。不同的功能对塑料管材的性能要求有所区别,塑料管材多种多样,性能指标、适用尺寸、温度范围及施工工艺等方面各有优劣,因此在建筑工程中形成一定的角色分工。

2.2 塑料管材的应用
2.2.1 排水管的选择
排水主要分为室内、室外两部分,管材的规格主要有40、50、75、110mm等。排水管本身不承压,对卫生指标要求较低,但对化学稳定性要求较高[12]。可用作排水管的有UPVC管、PE管、PPR管、ABS管及复合类管材。其中,室内排水、排污、雨落水管最常见的是UPVC实壁管与螺旋管的结合使用,既可以充分发挥UPVC经济实用、方便持久的市场优势,又可降低UPVC实壁管做立管时的噪声。室外排水管材则需要将生活污水或雨水排送到污水处理厂,需要埋地承受外加荷载。PE管的柔韧性极好,可轻易地绕过走向复杂的地下管网,适应管道基础的不均匀沉降,又极其稳定不会与土壤中的化学物质发生反应,成为室外埋地管材的不二选择。

2.2.2 给水管的选择
与排水管要求不同,建筑中给水管需要承受压力,对管材的耐水压、抗冻耐热性、无毒无污染、耐久性、防渗漏性能要求较高。给水管根据其给水量的大小可划分为三类,(1)管径100~200mm的室外给水引入管,适用的管材有ABS管和复合类管材。但因对给水管强度、抗水锤性要求较高,ABS管需增加壁厚才能达到目的,增加耗材内径减小,影响水利条件。相比之下,钢塑复合管、涂塑复合管的优势较为明显,是目前市场上广泛采用的类型[9]。 (2)管径25~80mm的户内给水主干管和保温夹层、吊顶、管井一次性施工安装完成,用量较大,适用的管材有PE-X管、PPR管、PB管、ABS管和复合类管材。 其中,PPR管凭借优良的耐温性、无毒无害、强度好的优势成为室内冷热供水和空调供回水系统管材的主流。(3)管径16~25mm的给水配水支管,主要通过二次装修埋墙、埋地安装,对管件和安装的连接度要求较高,适用的管材有PE管、PE-X管、PPR管、PB管和复合类管材。其中PE-X管和铝塑复合管具有可弯曲、不反弹、安装方便的突出优势,从而占有较大的市场。

2.2.3 采暖管的选择
我国严寒、寒冷地区的集中供暖需要地板下的采暖管道体系,对管线的耐高温、耐低温、热塑性和力学性能要求较高。适用的有PE-X管、PPR管、PB管。其中PPR管的耐低温性能不足,仅用于室内部分冷热水供应,但管壁较厚弯曲困难。PB管的施工性能优异,由于地板采暖管是将管道打在砼内,管材的使用寿命与房室同步,但是成本约为其他塑料管材的3倍,多用于高档建筑,目前市场推广并不理想[13]。相比之下,PE-X管因突出的性价比成为国内建筑领域冷、热水管的主流。但PE-X管的热埋性欠佳,不能回收利用,后期维护检修存在一定难度。耐热聚乙烯管(PE-RT)属于一种中密度的PE管,其韧性好、导热系数低、隔热性好,可以用热熔连接,施工维护均较快捷,弥补了部分PE-X管的不足。因此,PE-RT管的发展呈上升势头,正经受着市场的检验和反馈。

2.2.4 燃气管的选择
在燃气的输配过程中,燃气管道先后有钢管、铸铁管等管材。由于燃气管需要较高的稳定性、 耐高温、阻燃、耐腐蚀性,但是金属类管材具有成本较高、耐腐蚀性差、运输不易等缺点,难以适应燃气管使用要求,PE管以其良好特性被广泛用于燃气管领域[14]。(1)PE管具有良好的柔韧性、冲击强度和高断裂伸长率,即使弯曲变形也不易发生破裂,能够适用于任何地形;在发生地震或低端不均匀沉降时不会破裂,具有抗震性,且易于绕过障碍物,减少接头数,降低安装成本;(2)PE管具有良好的耐腐蚀性,没有电化学腐蚀,适用寿命是钢管的2倍以上;(3)PE管采用独特的电熔焊接、热熔对接技术,能有效保证管道的密封性,且管材气密性好,不论是严密性还是维修成本上均优于钢管。

2.2.5 电线管的选择
电线管的性能要求比较清晰,需要耐热、耐压、防火。UPVC管以其良好的自熄性和阻燃性,已然取代黑铁管、镀锌管等金属管材成为电线管材的首选,在电线管的应用中主要用作电线、电缆的保护管套等,颜色通常为灰色,管材的连接一般是加热承轴式连接和塑料热风焊连接。而且UPVC管价格便宜易安装,耐老化不生锈,已成为家装电路中使用最普遍的塑料。

综上所述,不同的塑料管材可满足不同建筑管材功能的需求,因此,在建筑工程选用不同的塑料管材时,也应该经过充分的分析和对比进行评判。首先对比不同塑料管材的性能优劣、使用寿命、适用条件;其次,调查其加工性能、施工安装的便利性及售后维护的难易程度;最后,从获取途径、加工成本、维护成本等角度判断性价比最高的选材。只有综合、多角度地对比才能最大限度挖掘每种塑料管材的优势,保证管材得到合理的使用。

03 塑料管材市场的发展前景
随着经济的快速发展,我国塑料管材行业发展迅猛,年均增速达26.29%。数据统计显示,近些年我国对塑料管材的需求量逐年增大,保持着约15%的年增长率,并且预测2019-2029年塑料管材在各类管道的市场份额占比将超过60%,市场需求将高达8000亿元[15]。未来,塑料管材将不仅仅应用于市政及建筑工程领域,太阳能输水管道、地源热泵输送管道、供电供暖等行业,随着塑料管材应用市场的开拓,塑料管材的市场竞争力将进一步增强,其需求和产量也将进一步加大。

我国塑料管材的研发与应用与发达国家相比,还存在一定的成长空间。因此,除有效地引进国外优良先进技术,我国塑料行业应重点加强研发新技术和新产品,侧重新型塑料管材性能的完善提升,努力缩小与发达国家的差距。同时,随着国内、国际环保意识的不断增强,塑料管材行业也应将研发物理性能优良、经济实用、环保卫生的塑料管材作为行业可持续发展的方向。

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