磷石膏聚合物复合材料在建筑排水管道中的应用

程军

杭州锐高科技工程有限公司 浙江 杭州 310008

1 引言

随着我国城镇化进程的加快，城市地下管线也在不断扩大。截至2021年底，我国城市地下排水管线已超过800万公里[1]。排水管的种类很多，包括混凝土管、塑料管和复合管。混凝土管由于其高抗压强度和低成本而被广泛用于排水管的建设。但混凝土管道耐久性较差，长期埋与地下，会导致混凝土发生裂缝及渗水情况。因此需要研究新型材料的排水管道[2]。

磷石膏（PG）是磷酸生产的工业副产品。目前，磷石膏大部分囤积在户外，占据大片土地，造成土壤、水和空气的环境污染。而磷石膏材料，本身具有一定的耐久性能。因此可以将磷石膏与聚合物相结合，制备磷石膏聚合物复合材料应用于建筑排水管道。本文主要研究磷石膏与聚合物的力学性能、热性能。有望为建筑排水管道提供一种新的复合材料。

2 试验方案

2.1 磷石膏聚合物建筑排水管道制备

磷石膏（PG）由河南化工集团有限公司提供。化学成分见表1。通过去除杂质，在800℃-900℃下煅烧和球磨，利用磷石膏制成无水石。聚丙烯（PP）（颗粒和粉末，Z30S）和聚乙烯（PE）（颗粒和粉末，Z2426K）均购自中国石化，增塑剂选用EVA（E282PV）。润滑剂选择CPE6810。内润滑剂选用硬脂酸（DOA），改性剂选用油酸。所有产品均购自东莞樟木头华创塑料原料公司，未经进一步处理。将磷石膏（PG）和油酸通过高速混合机混合[3]。磷石膏（PG）表面形成油膜。油酸的酸基与磷石膏（PG）形成强烈的相互作用。同时采用双螺杆挤出机对改性磷石膏和聚合物进行熔融共混，进一步形成建筑排水管道。并制备7种不同磷石膏掺量的建筑管道，命名为PPPG-0-20，其中PP表示磷石膏聚合物基质，PG表示填料，0表示无结晶水的硬石膏，70表示磷石膏掺量[1]。

2.2 试验方法

采用静态应变数据采集系统对磷石膏聚合物建筑排水管道进行力学测试，该系统由数据采集仪器、应变仪和个人计算机组成。DH3816N静态数据采集仪是由中国有限公司生产的全智能巡回数据采集系统，每个模块有60个测点。无线和有线通信方法都可以由计算机软件或移动APP控制。适用于测量点相对集中的模型，可以实现应力、力、位移等物理量的测量。电阻应变计的电阻值为120±0.2Ω，长度为80 mm，灵敏度系数为2.2±1%，用于测量建筑排水管道上的应变。管道在径向压缩时，主要发生周向变形，纵向变形较小。因此，应变计安装在磷石膏聚合物建筑排水管道圆周的顶部、肩部、管肩、拱腋和仰拱处（如图1所示）。同时应变计布置在管道的内壁和外壁上。

3 结果分析

3.1 磷石膏聚合物建筑排水管道TG曲线

磷石膏聚合物建筑排水管的耐热性对管道耐久性有很大影响。如图2所示，磷石膏聚合物建筑排水管的质量损失发生在50℃-500℃的温度范围内，这一结果也与现有研究成果相同。从TG曲线来看，磷石膏聚合物复合材料排水管道的95%质量损失基本都在350℃以上，说明这种复合材料具有良好的耐热性。且质量损失主要是由于350℃以下改性剂和润滑剂的分解造成的。磷石膏聚合物排水管道350℃-500℃的质量损失是由于聚合物本身的分解造成的。在450℃-500℃之间，可以看到磷石膏的质量残留量比不含磷石膏的聚合物材料高，平均高16.75%，主要因为无水物在此温度下不分解，其质量保持不变。TG曲线在450℃和500℃之间有一个峰值，这也表明在聚合物分解完成后，磷石膏变为无水物，质量没有任何变化。同时可观察到，磷石膏掺量在70%时，质量损失最低，较其他掺量分别下降20.4%、21.1%、19.8%、16.7%、15.9%、17.8%，主要因此磷石膏掺量越多，其胶凝物质产量越多，可高温环境下不易分解。因此，磷石膏聚合物建筑排水管道在建筑地下具有较好耐久性，最佳掺量为70%，可满足建筑实际使用，不受温度影响。

图3 周向应变曲线（单位：kP）

3.2 土压的影响

根据3.1节研究结果，可得出磷石膏掺量为70%时，建筑排水管耐久性能最好。因此，进一步研究磷石膏掺量为70%时的力学性能。本实验中设置了三种不同的土壤回填，深度分别为1000 mm、1250 mm和1500 mm，以研究土壤压力对磷石膏聚合物建筑排水管道的力学响应的影响。图4为不同覆土条件下磷石膏聚合物建筑排水管道内外壁的周向应变。增加土壤覆盖层会扩大土壤压力，从而提高管道的最大周向应变。且从图中可以看出，将覆土层从1000 mm改为1250 mm，管道外壁的最大周向应变增加了6%，而将覆土层从1000 mm增至1500 mm，管道外壁的周向应变扩大了13%。然而，将覆土层从1000 mm变为1250 mm，管道内壁的最大周向应变增加了4%，而将覆土层从1000 mm变为1500 mm，管道内壁的周向应变提高了10%。这表明土壤覆盖层对聚合物建筑排水管道内外壁的影响比对内壁的影响更大。为了验证这一结论，如图5所示，提取了高度为1000 mm的土壤回填下的管道内壁和外壁的周向应变。在相同的土壤压力下，喇外壁的周向应变比内壁的周向应变大，平均大20.67%。主要因为外壁比支座高，所以外壁首先接触载荷，承受的载荷更大。且随着覆土层的增加，外壁和内壁的圆周曲率上升，且外壁的增量大于内壁[2]。

图4 管道内外壁在1000 mm土层处的周向应变曲线（单位：kP）

3.3 流体负荷对管道的影响

在交通负荷和土壤负荷的同时作用下，水流入建筑排水管道。通过抽水，管道内的水保持在流动状态。为了考察水流对磷石膏聚合物建筑排水管道变形的影响，管道内水的高度为300 mm、500 mm和1000 mm。

从图6可以看出，随着水流量的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道上的周向应变没有明显差异。且应变也小于在1000 mm土壤覆盖下的荷载记录。此外，管冠和管内侧的应变虽然有相同的规律，但差别并不明显，内外壁平均误差在2.5%之内，水高度为300 mm时，应力分别为50 kPa、49 kPa，而当水位高度为1000 mm时，应力分别为46 kPa、52 kPa，表明流体载荷对磷石膏聚合物建筑排水管道的变形影响不大。管道外壁的周向应变在管冠和管内侧为负值（-50 kPa、-29 kPa），而在管肩处为正值（26 kPa），这说明在交通荷载和流体荷载的共同作用下，管冠和管内侧处于压缩状态，而管肩处于拉伸状态；但喷浆衬砌管道则呈现相反的趋势。且随着水流量的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道内壁和管口的周向应变略有增加，分别增加20.6%、26.9%，但管冠、管肩的周向应变没有明显变化，其平均值保持在20kPa左右，说明流体荷载对管内壁和管口有一定影响[3]。

图6 不同交通荷载下管道内外壁的周向应变曲线（单位：kP）

3.4 车辆载荷对管道的影响

当车辆的后轮作用于磷石膏聚合物建筑排水管道的外壁和内壁时，管筒上的周向应变。交通荷载作用于这个位置，简化了试验步骤，减少了试验周期，便于观察磷石膏聚合物建筑排水管道的外壁和内壁变形情况。从图中可以看出，磷石膏聚合物建筑排水管道的周向应变在管冠处为正值（26 kP），在管肩处为负值（-40 kP），说明管冠处于拉伸状态。在土壤负荷和交通负荷的共同作用下，管肩处于压缩状态。完整管道上的周向应变与修复后的管道上的周向应变没有明显的区别，平均值均为50 kP，这说明磷石膏聚合物建筑排水管道可以在实际工程中使用。在交通荷载的作用下，管冠、管肩等主要位置的变形变化较大，交通荷载使修复后的管道周向曲率急剧增大，内壁最大增加60 kP，而外壁最大增加80 kP，外壁较内壁增加26%，表明交通荷载对磷石膏聚合管道的破坏有很大影响。因此，在管道运行过程中，应根据管道的实际情况，控制交通量和车辆对管道的负荷，最大限度地延长磷石膏聚合管道的使用寿命[4]。

4 结论

本文主要对磷石膏聚合物建筑排水管道进行了全面的测试，并研究了观察的TG曲线，及被埋在1000 mm的土壤覆盖层下和置于交通负荷下的力学性能。此外，还分析了土壤载荷、交通载荷和流体载荷对磷石膏聚合物建筑排水管道周向应变的影响。从这些测试中获得的数据得出了以下结论。

（1）在相同的土壤覆盖层（1000 mm）下，交通荷载对磷石膏聚合物建筑排水管道的周向曲率有明显的影响。随着交通荷载的增加，磷石膏聚合物建筑排水管道上的周向应变也随之增加。

（2）磷石膏聚合物建筑排水管道在所有情况下都表现出不同的力学响应。随着土壤覆盖层的增加，管道上的周向曲率增加，这表明土壤荷载增大，管道的变形相当大。然而，再增加250 mm土壤覆盖层的效果使管道的要求与在1000 mm土壤覆盖条件下观察到的情况类似。