1.UPVC管道开裂的原因分析

PVC-U 是一种脆性材料，容易发生快速开裂。管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以每秒几百米的速度迅速增长， 瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的大事故。研究发现：PVC-U管的快速开裂绝大多数发生在试压初期，且压力并不高(如只有0.2～0.3 MPa)，裂纹长度0.4～1.6 m，部分断裂裂纹局部伴有鱼刺状裂纹出现，破裂的管无明显的变形。造成快速开裂的3个主要原因为：（1）材料本身的不均匀性；（2）材料连接造成的缺陷；（3）某些偶然发生的事故引发裂纹，如地层下陷、第三方施工、蠕变开裂裂纹演化到一定程度后转入快速开裂等， 其中较重要的原因是管材组织不均匀性。所谓管材的不均匀性是指PVC管材内有与PVC树脂不相容的大颗粒， 他们是诱发管材破裂的重要原因。这些大颗粒主要包括：（1）与管材基质材料有显著差异的棕黄色或棕色颗粒，经分析确认为分解的PVC。来源可能是原料中加入的部分回收料或料筒、螺杆及模具中局部位置的少量分解料；（2）团聚的碳酸钙粒子。这些大颗粒（缺陷粒子）夹杂在管材内部，成为材质中的裂缝和缺陷。裂缝的断裂理论认为，这些裂缝和缺陷会使应力集中于裂缝的尖端处， 远高于管材材质受到的平均应力[2]。当它达到和超过某一临界条件时，裂缝就会失去稳定性而扩展，以至较终当表面应力达到某一值时，出现材料的断裂。由此可以看出，材料的不均匀性主要是由制造过程造成的，材料的连接问题主要出现在施工过程中， 偶然因素则是由施工、不可预测因素和材料本身造成的。
综上所述，PVC-U 管是脆性材料，生产过程中往往会引入造成应力集中的结构缺陷，使得PVC-U 管受到作用力的时候出现快速开裂破坏现象。针对PVC－U管韧性差的缺点， 近年来国外在PVC管增韧改性方面做了大量的工作。主要从两个方面入手：（1）在PVC－U配方中加入增韧剂或采用共聚PVC树脂；（2）通过双向拉伸方法生产双向拉伸PVC管材，同时提高管材的强度和韧性。增韧是PVC改性的一个重要途径。

2. PVC抗冲击改性及抗冲击改性剂PVC的增韧改性可分为化学改性和物理改性。
2.1 化学改性
化学改性是通过接枝、共聚等反应方法对PVC进行改性，常用的PVC化学增韧改性方法有：（1）乙烯基单体与氯乙烯共聚， 如氯乙烯与丙烯酸辛酯的共聚；（2）弹性体与氯乙烯的接枝共聚，如乙丙橡胶与氯乙烯的接枝共聚；乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）与氯乙烯接枝共聚。化学改性的优点是增韧改性效果显著， 不足之处是要经过复杂的化学反应，对工艺、设备有较多要求，一般在树脂合成厂中采用，PVC-U管厂难于实现。
2.2 物理改性
物理改性是将改性剂与PVC共混，使其均匀分散到PVC中，从而起到增韧改性的作用，该方法简单易行，是被广泛采用的增韧方法。增韧改性剂很多， 可分为弹性体和非弹性体， 效果较好的有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丁腈橡胶（NBR）、丁苯橡胶（SBR）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)、丙烯酸酯类共聚物(ACR)、氯化聚乙烯（CPE）、丙烯腈-苯乙烯共聚物（AS）、超细碳酸钙纳米粒子等。
2.2.1 弹性体增韧机理
弹性体的增韧机理［3，4］主要有以下两种：（1）剪切屈服－银纹化理论：弹性体粒子以颗粒状均匀地分散于基体连续相中，形成海岛相结构。弹性体粒子充当应力集中体， 诱发基体产生大量的剪切带和银纹； 剪切带和银纹的产生及发展需消耗大量的能量，从而使材料的冲击强度大幅度提高。粒子又可终止银纹和剪切带的发展， 使其不发展成破坏性的裂纹；此外，剪切带也可阻滞、转向并终止银纹或已存在的小裂纹的发展，促使基体发生脆－韧转变，提高材料的韧性。增韧PVC 的弹性体主要包括MBS、ACR、MABS 等；（2） 网络增韧机理：弹性体形成连续网络结构，包覆PVC 初级粒子。网络结构可吸收大部分冲击能， 且PVC 初级粒子在破裂时， 也可吸收部分能量， 使材料的韧性得以提高，代表的弹性体为CPE。
2.2.2 刚性粒子增韧机理
无机刚性粒子和有机刚性粒子均可以增韧PVC［5］。有机刚性粒子增韧机理有以下两种：
（1）冷拉机理： 刚性粒子圆形或椭圆形粒子均匀分散于PVC 连续相中， 由于连续相与分散相之间的杨氏模量和泊松比不同， 在两相界面产生一种较高的静压力，这种高的静压力使分散相粒子被拉长，产生大的塑性形变，从而吸收大量的冲击能量，提高材料的韧性。并促使周围的基体发生屈服，同时吸收一定的能量， 使PVC 的冲击强度得以提高；
（2）空穴增韧机理：相容性较差的体系，刚性粒子与基体之间有明显的界面， 甚至在粒子周围存在着空穴。受冲击时，界面形成的微小空穴可吸收部分能量，也可引发银纹吸收能量，从而提高冲击强度。无机刚性粒子增韧机理是当无机刚性粒子与PVC 基体粘合较好时，无机刚性粒子的存在可产生应力集中效应，引发大量的银纹，并阻止银纹的发展，促使基体发生剪切屈服，吸收大量的冲击能，达到增韧的目的。单纯使用弹性体增韧PVC 的同时， 强度和模量下降； 而采用刚性粒子增韧PVC， 在增韧的同时，强度和模量基本不下降或略微降低，有利于实现刚性-韧性平衡。

3. 高抗冲PVC 管材的性能及评价方法
从目前高抗冲管材的发展看，开发高抗冲管材目标是在强度不降低或稍降低的前提下提高韧性。已开发出一批新产品，成功地应用于各个领域。
3.1 高抗冲管材的名称
各国对于增韧改性的聚氯乙烯（PVC-U）管采用的名称不同， 如（1） 改性聚氯乙烯PVC－M（Modified，美国、澳大利亚)，表明PVC 已改性；（2）聚氯乙烯合金PVC－A（Alloy，英国)，表明加入抗冲剂后生成以PVC 为主的塑料合金；（3）高抗冲聚氯乙烯管材PVC－HI(High Impact，日本、荷兰)，根据材料具有高抗冲性命名。
3.2 高抗冲PVC 管材的性能
3.2.1 按国际检测结果
高抗冲PVC 管材按国家标准GB/T 10002.1-2006《给水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》进行检测，各项指标优良，均符合标准要求。以dn110 mm×4.2 mm 的管材举例说明，如表1 所示。
3.2.2 快速冲击实验
根据AS/N2S 4765 （Int)：2000 《压力用改性PVC 管材》的要求，进行22 ℃，22 m 快速冲击试验。不同管径采用不同重量的冲锤，高速冲击实验装置示意图及冲锤的形状如图1 和图2 所示，不同管材所采用冲锤的重量和对破坏方式的要求见表2。
由图3 可以看出，经高速冲击试验后，高抗冲PVC 管被冲破在管材上形成孔洞， 为典型的韧性破坏方式。这表明高抗冲PVC 管的抗裂纹增长能力明显提高。同时当管材受到冲锤高速冲击后，管材出现裂纹，但裂纹并没有增长而是终止，因此管材没有出现脆性破坏的现象。之所以在高速冲击实验中并未出现快速破裂的现象是因为经抗冲改性后其断裂韧性明显提高。材料出现脆性破坏的条件为KD≥KIC，而当KD＜KIC裂纹将终止，高抗冲PVC 与其他聚合物的断裂韧度对比见表3。
由表3的数据可以看出， 高抗冲PVC管临界断裂韧性较PVC-U明显提高， 也高于PE80级材料。
3.2.3 意外冲击时管材的性能变化
尽管在PVC-U 管的施工规程中规定不得抛摔管材， 但实际应用中这种现象以及类似现象仍不能完全避免。考虑到这些极端情况，可以采取多种非标准的、但更为直观的方法来定性地判断产品的韧性， 如在施工现场用挖掘机对管材进行试验性破坏，观察被破坏的PVC-U 管材的形貌。此外，用重5 kg、柄长约1 m 的金属铁锤在水泥地面上猛砸管材，观察管材受力变形后的形貌。在受冲击部位取样进行水压试验（20 ℃、38 MPa、1 h），观察管材是否无破坏，无渗漏等。图4 和图5 为在工地现场用挖掘机对高抗冲PVC 管材施加破坏和用5 kg 铁锤在水泥地上冲击管材样品的示意图。可以看出，高抗冲PVC 管材抵抗意外冲击能力明显增强。

4. 结语
国外发达国家尤其是英国、澳大利亚、南非等国家已经将高抗冲PVC 管成功应用于给水、采矿业和非开挖铺设领域等领域。目前，国内企业已经研制成功高抗冲UPVC管。由于这类管材设计应力高，可以节约原材料，并具有高抗冲性能， 安全性有保障， 在国际上被誉为第二代PVC-U 管，应大力推广该类管材。为了保证该管材的健康发展，建议尽快制订国家标准，完善该类管材的检测检验方法。

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