第２２卷第２￣３期２００５年３月非开放技术ＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶ０１．２２．Ｎｏ．２—３Ｍａｒｃｈ，２００５热塑材料——ＰＶＣ管材综述ＳｈａｈＲａｈｍａｎ著蔡记华译摘要：本文较全面地介绍了各种ＰＶＣ管材的类型、性能、加工和技术标准等，特别是它的热塑性，这种性能非常适合地下市政管线的非开挖施工。关键词：翘鬯窭妄！堕茎兰！壁茎拶卜＞由于过去一个世纪里管材行业的技术进步，使得木质管材和砖质下水道已成为过去，而为能向客户提供更具有信价比的工程管材产品打开了方便之门。用于自来水和污水系统的传统管材正在被现代化材料所代替。这些材料性能更好、容易安装，总之就是“对过去的一次重大冲击”。在北美，对埋在地下的管道来说，腐蚀等环境的影响是一个重大的威胁。据联邦高速公路管理处同时采用化学方法和加热而形成的，所以一旦成形便不可被改变形状。用于塑料加工业的热塑材料如ＰＶＣ指的是固体塑料。这个术语肯定地说明这些材料不再含有会使它们延展的软化剂，因此它不适合于做市政的地下设施。不论是热塑材料还是热固材料，它们都具有柔韧性（管／土相互作用是恒等的）并根据此特性而设计管道。（ＦＨＷＡ）的研究表明，全美由于自来水和污水系统的腐蚀造成的损失每年都超过了３６０亿美元。现在在美国和加拿大，ＰＶＣ管材（一种热塑管材）是自来水和供水系统中应用最为广泛的材料。本文将为设计工程师和专业人员提供基于各种ＰＶＣ压力和拉力的管材标准及产品，这些材料既可以适用于开挖也可用于非开挖铺设和修复管道。在考虑选用ＰＶＣ管材时，本文内容将在标准和材料选择决策过程中发挥作用。另外还讨论了一些相关内容如实用的接头类型等。１２粘弹性材料的性质像ＰＶＣ这样的热塑材料是粘弹性的。粘弹性材料既存在弹性，也存在粘性。材料在受到载荷时变形，在载荷撤掉后又恢复到原来形状的性质叫弹性。相反的，粘性材料在受到载荷后变形，一旦在载荷撤掉后并不恢复到原来的大小和形状。事实上，所有的材料都或多或少的与虎克定律中的应力和应变的线性关系存在一些偏差。评价一种材料的强度，最常用的做法就是给它塑料管材在２０世纪５０年代后期的北美，塑料管材的使¨■均ｎ■Ｂ■Ｖ嗍Ｔ—ｎ●用开辟了新的工业领域，并最终对传统的市政自来水和污水管材进行了一场革命。塑料是由含有ｃ和Ｈ的分子进行聚合而形成的。在北美使用最广泛的三种塑料管材是聚乙烯氯化物（ｐｖｃ）、高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）和强化玻璃材料（ＧＲＰ，也叫玻璃纤维管）。ＰＶＣ和ＨＤＰＥ属于可热塑的材料，而ＧＲＰ属于热固材料。由于热塑这种优良的性质，材料可以被加热、加工、成形和改变形状很多次，而且材料的物理化学性质不会发生永久性的改变。而热固材料是南￡轴蝴ｌ，．｝图１粘弹性材料的应力应变关系图１６６非开挖技术ＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００５年直接加载，观察应力和应变之间的关系。图１中曲线Ａ阐述了弹性材料应力和应变间的线性关系。理想的弹性材料在荷载撤除后，应变马上就回到零点，同时线性关系并不是明显与时间相关。但是，需要指出的是，这种线性关系只是在一定的应力点以下才有效，这个点叫做屈服点。过了这一点，因为发生蠕变，应变会迅速增加，直至完全破坏。从图１的一系列曲线Ｂ中可以看出，粘弹性材料的应力应变关系和弹性材料的应力应变关系有些刁ｊ同。很明显的就是，应力应变之间不再是直接的线性关系，而且斜率也随着时间而变化。换句话说，对于一个特定的应力，加载时间越长，应变越大。在应力不变的条件下，变形随着时间的变化而增加的特性叫蠕变。蠕变的后果就是当应力施加一定时间后，材料会发生破坏。因此，对时间的依赖性被认为是粘弹性材料的一个重要性质。另外一个重要的事实就是，破坏的时间与应力呈反比关系。对于热塑性材料，可以找到并施加一个足够低的应力，只要它能保证达到破坏的理论时间超过管线的设计寿命。对于热塑管来说，蠕变是不自由的既是受到限制的，因为管材的变形是个常量，就跟埋在地下的ＰＶＣ压力管道的情况一样。因此，从图１可以看出，初始应力随时间递减，同时这也是热塑性材料的松弛性质。ＰＶＣ和ＨＤＰＥ这些粘弹性材料的基本性质使工程师在设计市政管道系统时，既能保证结构上的完整性，也能达到长期的设计寿命。３最终形成图２ｃ所示的ＰＶＣ树脂。ＰＶＣ管材的加工首先是把树脂与稳定剂、色素、润滑剂、过程酸和其它功能性的添加剂混和，加热到４００Ｆ的温度。这使这些组分能较好地融合在一起并转变成可锻的状态。在这种熔融状态下，材料被机械压制成管道，同时达到ＡＳＴＭ、ＡＷＷＡ和其他标准所规定的物理和机械性能。接下来进行冷却。最后，在交付最终的使用者之前，按照上述标准对所要求的各项进行ＱＡ／Ｑｃ测试。根据塑料管协会（ＰＰＩ）的ＴＲ一２／２００４文件，即ＰＰＩＰＶＣ组分变化而组成的目录，列出了流体静应力板（ＨＳＢ）所允许的ＰＶＣ管材加工各项组分的最小／最大范围。这些目录是经过广泛的工业测试后编辑而形成的。最早加工ＰＶＣ管材的时候，每个ＰＶＣ组分是固定而具体的，同时清清楚楚地“列出”每个成分及其使用水平。现在不是这样了，ＰＰＩＴＲ一２目录允许厂商在规定的组成范围内加工管材。因此，几乎所有厂家的的配方都不相同。这是追求更有效、成本更低的配方的必然结果。最后的目标就是按照指定的标准来生产满足各种要求的管材。４ＰＶＣ的基本性质ＡＳＴＭＤ７８４文件中列出了ＰＶＣ组成的基本性质，里面含有固体聚合物（氯乙烯）（ＰＶＣ）和氯化的聚合物（ＣＰＶＣ）的标准技术参数。这些技术参数分为５项指标，规定了每项指标必须达到的最小值。这５项指标是：基本数值、Ｉｚｏｎ冲击强度、拉伸强度、弹性模量和荷载条件下的变形温度。例如在１２４５４这个小单元里，第３条、第４款规定管材的拉伸强度最小值必须达到７０００ｐｓｉ。第４条、第５款规定管材的弹性模量最小值必须达到４０００００ｐｓｉ。类似的，在１２３６４这个小单元中规定加工过程中管材的拉伸强度最小值必须达到６０００ｐｓｉ，而加工在２０００年，超过５０亿磅的ＰＶＣ树脂被用来加工ＰＶＣ压力和重力管材。一个氯乙烯分子由ｃ、Ｈ和ｃ１分子组成，如图２ａ所示。对这些氯乙烯分子进行聚合，它们结合在一起形成如图２ｂ所示的长链，图２ＰＶＣ管材的化学分子结构和原材料第２２卷第２￣３期ＳｈａｈＲａｈｍａｎ著蔡记华译：热塑材料——ＰｖＣ管材综述１６７其弹性模量最小值必须达到４４００００ｐｓｉ。传统ＰＶＣ压力管材的所有标准都列在１２４５４这个小单元中，它强调了最小拉伸强度必须达到７０００ｐｓｉ的重要性，在加载时，出于安全因素考虑，这个值是ＰＶＣ管材最大长期强度的最优值。另外重力管材标准在１２４５４和１２３６４这两个小单元里。结合实际目的，参照这些标准加工的重力管道在地下性能非常好。５ＰＶＣ管道的类型目前世界范围内生产三种不同类别的ＰＶＣ管材，要么通过加工方式不同（分子排列方式不同）来区分，要么根据化学组成中调节剂的含量不同（这会影响管材在受到重大冲击时吸收和损耗能力）来区分。ＰＶＣ－Ｕ：非塑性ＰＶＣ管材是目前管道加工业中最普通的一种管材。在北美地区，我们提到ＰＶＣ管材时，实际上就是指ＰＶＣ—Ｕ管材。本文前面提到的加工过程就是针对ＰＶＣ—Ｕ管材的。ＰＶＣ管材的分子结构是随意排列的长链结构，这在ＰＶＣ管材里是最常见的。一般来说，ＰＶＣ分子并不呈现出明显的方向性，也就是说它轴向和径向的强度是一致的。测试表明，对于一个具有１５年寿命的ＰＶＣ管道，其轴向弹性只比径向弹性高一点点。ＰＶＣ－Ｏ：把传统的ＰＶＣ管材进行膨胀就可以得到分子定向排列的ＰＶＣ管材。在膨胀过程中，分子沿径向或沿轴向排列。分子的重新排列增加了分子的环向强度。同时，ＨＤＢ的测试值从４０００ｐｓｉ增加到了７１００ｐｓｉ。因此，在相同加载条件下，这种高强度材料的厚度可以比普通ＰＶＣ管薄。在美国，ＰＶＣ—Ｏ的加工过程被称为“离线过程”，而在欧洲“在线过程”用得更为普遍。在美国ＰＶＣ—Ｏ可称为专利产品，因为只有一个公司生产它。ＰＶＣ—Ｏ管材不用来做重力管道。ＰＶＣ－Ｍ：通过融入添加剂或者“冲击改良剂”以增强材料的强度可得到改良型ＰＶＣ管材。材料吸收和损耗能量而造成的结构阻力是评价材料强度的一个指标。ＰＶＣ—ｕ主要在欧洲和澳大利亚生产和使用，在美国只有一家生产，并且不用于地下埋管。６ＰＶＣ管接头根据实际应用情况，有各种各样可满足ＰＶＣ压力和重力管道的标准接头。图３粘弹性材料管接头套接密封式接头：传统上，这是在开挖式市政工程中与ＰＶＣ压力和重力管道标准最匹配的接头类型。比邻管道的套接头滑进套管的罩子里，直到套管上标志位置处为止。弹性密封圈通常安装在罩子里，起到承压式密封作用，如图３所示。弹性密封圈是按照用于连接塑料管材的弹性密封圈（垫圈）ＡＳＴＭＦ４７７制成的。只要正确组装，通常套接头的尾端和罩子的颈部之间的间隙足够让密封圈进行膨胀和角偏转。重力管道及配件的制作和测试按照ＡＳＴＭＤ３２１２（排水和污水塑料管材用可塑弹性密封接头）标准进行。Ｕｎｉ—Ｂｅｌｌ的ＰＶＣ设计和建设手册所推荐的渗透／析出极限为：在计算人工孔及其附属配件（而不是管材接头自身）时，渗透／析出极限不能超过２５加仑，以直径／英里／天计。而其他绝大多数重力管材业鼓励渗透／析出量在２００加仑，以直径／英里／天计。ＡＳＴＭＤ３１３９一塑料压力管道用可塑弹性密封接头，是ＰＶＣ压力管道接头生产和测试的主要标准。ＡＷＷＡＣ６０５一用于水的ＰＶＣ压力管道和配件的地下工程安装，也为用于饮用水分配和输送的ＰＶＣ压力管道系统安装后的测试提供了参考标准。可熔式接头：在北美，直到现在，ＨＤＰＥ管是唯一采用平接熔焊的热塑管。在２００３年底，自来水／污水工业引进了ＰＶＣ／Ｃ一９００／Ｃ一９０５焊接标准。在这个行业中第一次把所有的配方和一种特殊的焊接过程结合在一起，并采用一些非开挖和开挖的措施把几段ＰＶＣ管焊接在一起形成连续的管线。这些非开挖方法包括：ＨＤＤ（水平定向钻进）、劈裂法、爆管法、导向钻进、气动锤和钻孔等。当可熔的ＰＶＣ管道首先应用于循环水、下水和污水等系统时，Ｃ一９００／非开挖技术Ｔｒｅｎｃｈ＿ｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００５往ｃ一９０５焊接标准明确的将它引入饮用水系统。这些管道是按照ＡＷＷＡＣ９００和Ｃ９０５标准进行加工，并取得ＮＳＦ认证。图４是一种可熔式接头。可熔式ＰＶＣ管材的加工很有可能得益于两个方面。第一，专利里的材料配方符合了塑料管材协会（ＰＰＩ）的第２条技术报告——ＰＰＩＰＶＣ组成和质量组分范围所规定的指标，这个配方里所有的组成部分都满足了技术标准。这使得ＰＶＣ管材被压制成标准的直径和壁厚。这种管材拥有传统的ＰＶＣ管材所拥有的一切性质——抗压强度、拉伸强度和外部荷载承受能力等。第二方面就是焊接过程。ＵＧＳＩ焊接线对管材接头的焊接采用了标准的平接焊接设备。通过在特殊的焊接步骤中设置温度、压力和时间，使得管材融合并形成接头，并且接头和原来的材料强度一样。焊接过程中所需时间和其它的管道（如ＨＤＰＥ）热塑接头一样。其它接头类型：溶解焊接式接头主要用在铅垂管的安装中。然而在美国一些较老的设施中允许在市政重点工程中采用溶解焊接法。采用溶解法的ＩＰＳＰＶＣ管材接头ＡＳＴＭＤ２６７２用ＰＶＣ管材和配件制作溶解式接头的实践，给溶解焊接式接头的制作提供了参考依据。另外有一种型号的接头，可旋式的螺丝扣只用于ＰＶＣ铅垂产品。螺丝ＰＶＣ塑料管配件第８０条ＡＳＴＭＤ２４６４就是一个实例。另外还有两种接头ＴｅｒｒａＢｒｕｔｅ和ＣｅｒｔａＬｏｋ。它们都用于非开挖工程中的回拉过程。７ＰＶＣ压力管材标准ＰＶＣ压力管材主要应用在饮用水的配送中，也可用于污水排放。ＰＶＣ管材的静水设计基准（ＨＤＢ）是指环向的压力值，这个值是参考管材的长期压力等级而建立的。这是确定一个给定壁厚的管材的抗压强度的基准点。在ＡＷＷＡ和ＡＳＴＭ标准中，ＰＶＣ管材的ＨＤＢ值是４０００ｐｓｉ。对于ＰＶＣＯ（轴向ＰＶＣ），其ＨＤＢ值为７１００ｐｓｉ。因为此项区别，当直径相同时ＰＶＣＯ管管壁比ＰＶＣ管薄。现在有５种广泛应用的ＰＶＣ压力管材标准：ＡＳＴＭＤ２２４１、ＡＷＷＡＣ９００、ＡＷＷＡＣ９０５、ＡＷＷＡＣ９０９和ＡＳＴＭＦ１４８３。头三种适合于传统的ＰＶＣ管材，而后两种适合于ＰＶｃ—ｏ管材。ＡＳＴＭＤ２２４１自１９６４年颁布后，主要应用于农业用水市场。而ＡＷＷＡＣ９００是最早广泛而具体说明大直径、城市ＰＶＣ压力管道标准的。自１９７５年颁布以来，ＡＷＷＡＣ９００包含了比前面的标准更高的安全系数，同时也包括过负荷范围。在４英寸到１２英寸的范围内，这个标准主要用在以循环系统为代表的通过许多接头连接的分配系统，因此这种标准包括了过负荷和较高的安全系数。Ｃ９０５是１９８８年颁布的，因为它的直径范围是１４英寸到４８英寸，所以其主要用于输送和主管线的设计。输送系统和分配网络相比，含有较少的接头、较高的速度和较少的阻碍。而ＡＳＴＭＤ２２４１安全系数高达２．０，没有过负荷范围。输送过程中阻碍的影响较小，使得与设计有关的管涌计算更加容易。８ＰＶＣ重力管道的标准从２０世纪６０年代早期开始，不受压力的管道开始在美国使用。今天，ＰＶＣ重力管道主要用于污水管道、雨水管道和高速公路的排水渠和涵洞等设施中。主要有两种类型的ＰＶＣ重力管道：固体墙和轮廓墙。有７种广泛应用的固体墙和轮廓墙的标准：ＡＳＴＭＤ３０３４７ＡＳＴＭＦ７６９、ＡＡＳＨＴＯＭ２７８、ＡＳＴＭＦ７９４、ＡＳＴＭＦ９４９、ＡＳＴＭＦ１８０３和ＡＡＳＨＴＯＭ３０４。固体墙，顾名思义，就是由具有统一厚度的ＰＶＣ管材相连接而组成的连续墙。而轮廓墙，从另一个方面讲，靠螺旋型支撑或靠圆周结构支撑，而内部表面比较光滑。轮廓管材节省了要加工材料的数量；通过改变墙的形状，用较少的材料可以达到与固体墙相同的强度。轮廓墙材料主要分为三类：开式轮图４焊接后的ＰＶＣ管接头第２２卷第２￣３期ＳｈａｈＲａｈｍａｎ著蔡记华译：热塑材料——ＰＶＣ管材综述１６９廓、闭式轮廓和双波纹轮廓。开式轮廓在外面有加筋部分。闭式轮廓外部墙壁连续而墙体中空，这些中空的部分通常被描述为Ｉ型标或蜂窝。双波纹轮廓的水路很光滑，靠外部的双波纹进行支撑。当所有的ＰＶＣ压力管材按标准第１２４５４条（拉伸强度为７０００ｐｓｉ，弹性模量为４０００００ｐＳｉ）进行加工时，一些排污管的标准允许按１２４５４条和按１２３６４条（拉伸强度为６０００ｐｓｉ，而弹性模量为４４００００ｐｓｉ）。就实际情况而言，按任何配方进行加工的管材都能在地下工作良好。ＡＡＳＨＴＯＭ２７８的范围与ＡＳＴＭＤ３０３４相似，只是前者允许凿孔墙。按ＡＡＳＨＴＯ标准执行的管道主要用于交通设施中的地下雨水管道和地表排水管道（涵洞）。ＡＡＳＨＴＯＭ３０４的直径范围从４英寸到４８英寸，它与ＡＳＴＭ标准的不同之处在于它允许管材强度在较大范围内变化。ＡＳＴＭ标准要求所有的固体和轮廓墙的最小强度为４６ｐｓｉ时，Ｍ３０４的管材强度可以降低到１２ｐｓｉ（４８英寸）。除了对接头止水的要求之外，这种标准还要现在地下管线建设已经进入了开挖和非开挖两的进步已经为工程师和承包商提供了大量的工具，种ＰＶＣ管材产品。非开挖过程中三种主要依赖于ＰＶＣ标准和产品设计的类型有劈裂法（修复）、水平定向钻进（铺设新管）和内衬法（修复）。劈裂法产品：分段式、螺旋式、进人式、端面修复和连续式，这些修复过程既可以适合于重力管道的修复，也可以用于压力管道的修复。水平定向钻进产品：为了满足管线回拉过程中的需要，除了前面讨论到的可熔式ＰＶＣ管材外，还要两种专门的约束式接头产品。内衬法产品：内衬法是指把热塑管材放在已损坏的主管中，利用加热和加压的方法，使管材恢复到它最初的大小和形状。它是非开挖修复管线过程的简称，要求在安装以前把新的热塑管材在交叉端面里进希望ＰＶＣ管材产品综述能给设计工程师和专门人员提供最新的信息，这样会有助于他们使用或的改善或者修复旧的管道。特别是在非开挖技术领鸟效鸣校译自＜ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏｍｔｍｃｔｉｏｎ＞２００４，１０行加工。在重力管道方面，这种过程最终能衬在旧的管道里面起支撑作用并且能提高流动特性。仅用于水输送和分配的ＰＶＣ内衬系统是一种卓越的结构系统，最大能经受１５０ｐｓｉ的内部压力。ＡＡＳＨＴＯ求止土，如ＡＳＳＨＴＯ高速公路桥梁规范第二部第２３条。轮廓墙可以是ＡＳＴＭ提到的三种标准：开式轮廓、闭式轮廓和双波纹轮廓。９结论者考虑使用ＰＶＣ管材，可以用于自来水和污水管道域的革新中，修复地下已经损坏的旧管道的需求正在快速增长，因此而产生的新型管材在市场上越来越受到欢迎。９非开挖用ＰＶＣ产品种工艺并存的时代。当开挖方式仍然是铺设管线尤其是新管线的主要标准时，非开挖技术在此领域中这降低了高度发达条件下地下管线建设的难度。为满足非开挖地下管线建设的需要，近几年产生了几