高层建筑中塑料排水管的运用分析

　　塑料管材由于其具有环保、质轻、耐腐蚀性强、方便耐用等优点，已被广泛应用于建筑排水管道、电线外皮和农业灌溉等方面，成为继钢材、木材、水泥之后的第四大新型建材[1-2]。这些年，由于建筑业的持续发展，塑料管材的生产量也在大幅提高。据统计，至2015年底，我国新建或改建工程中有85%以上排水管道采用塑料建材，塑料管道的市场占有率已高达60%以上[3-4]。由于建筑排水管道一般都位于建筑体内，若发生爆裂或老化等现象则需要将建筑部分毁坏取出排水管进行更换，所以施工方和消费者对于管道质量和使用寿命都十分关注。另外，塑料管材的原材料和工艺会不断地更新和提高，其质量和性价比得到持续改善，这也是塑料管材备受青睐的主要原因[5]。但塑料管材在高层建筑排水结构方面仍处于研究阶段，原因是塑料管道的承压能力较钢材略弱，水体从高层建筑落下直接对立管底部造成冲击，传统观念认为塑料材料难以承受如此强大的冲击力，易造成水管底部破裂，所以对于高层建筑，设计人员更加倾向于保守的钢材管道[6-7]。

　　1、不同材质塑料管在排水工程中的应用

　　1.1、硬质聚氯乙烯管材

　　硬质聚氯乙烯（UPVC）管采用聚氯乙烯(PVC)树脂为原材料，是目前应用最广的塑料管道。UPVC管一般分为排水管道和给水管道，其中在排水管道的基础功能上，又涌现出许多新功能管道产品，可大致概括为以下几种[8-11]：芯层发泡管 芯层发泡管内外为UPVC材料，中间为发泡层，这样的结构使芯层发泡管既具备UPVC良好的物理和化学性能，又具有芯层隔热保温的优点，尤其适合需要保温的液体运输应用；PVC消声管 PVC消声管包括螺旋消声管和双壁螺旋消声管，其内部有6条螺旋肋作为导流筋，在排水系统中可起到良好的导流作用，使水流在管内以相同的方向角度呈螺旋状流下，降低了水流对管内壁的冲撞力，进而达到消音效果，同时水体呈螺旋状下流，使得管内形成自然中央通路，气体可以顺利进入管内，维持了内外气压的稳定性，提高了排水系统的安全性能；径向加筋管 径向加筋管的管外壁上具有径向加强筋，能够提高管材的环刚强度及抗压性，增加使用寿命；双壁波纹管 双壁波纹管由波纹状外层和光滑内侧共同组成，抗压性强、流量大，同时双壁波纹管具有良好的挠曲性能，能抵消土地不均匀沉降带来的副作用。

　　UPVC给水管道的应用范围略小于排水管道，其主要优点包括不易结水垢堵塞水管、性质稳定耐腐蚀和不易滋生细菌等。

　　1.2、铝塑复合管

　　铝塑复合管是最早出现包含塑料成分的管材，铝塑复合管的结构较为复杂，共包含五层，其中最外层和最内层均为塑料材质，内两层为热熔胶材质，最中间一层为铝合金材质。由于具有多层结构和铝层，铝塑复合管保温性能、压缩性能、阻隔性能和导热性能都较好，而塑料内外壁又能使其同时具有塑料管道的优点，其中铝塑复合管最大的优点是阻隔性能强，可以阻隔气体分子渗透。铝塑复合管一般分为聚乙烯铝塑复合管（PE/Al/PE）、聚乙烯/交联聚乙烯铝塑复合管（PE/Al/CrosslinkedPE）和交联聚乙烯铝塑复合管（Crosslinked PE/Al/Crosslinked PE）三种。交联聚乙烯是指将线型聚乙烯聚合形成三维网状结构，使其结构更稳定，性能更佳。

　　1.3、玻璃纤维增强塑料夹砂管

　　玻璃纤维增强塑料夹砂管是一种以合成树脂为基体，玻璃纤维为增强材料，加上石英砂共同组成的管道材料。合成树脂耐腐蚀能力强，玻璃纤维防渗透能力好、摩擦系数小、运输能力高，石英砂设计灵活、耐磨性好。表1为不同材质管道的摩擦系数。

表1 不同材质管道的摩擦系数

　　1.4、聚乙烯管

　　聚乙烯（PE）管是将单体乙烯在不同反应条件下合成密度不同的树脂，并以之为材料制作而成，国际上将PE管根据强度分为五个等级：PE32级、PE40级、PE63级、PE80级和PE100级。

　　1.5、三型聚丙烯管

　　三型聚丙烯（PP-R）管是由无规共聚聚丙烯(PP)和少量橡胶弹性体挤出成型制作而成。PP-R管中加入橡胶后克服了PP单体在低温条件下易发脆的缺点，进而成为排水管道选材之一。PP-R管具有安全卫生、保温节能、耐高温、易于安装、可回收利用等诸多优点。

　　2、直立状水管中的受力情况

　　针对在高层建筑中由于水体冲击力过大导致塑料排水管立管底部易爆裂的问题，对水流在直立状水管中的受力情况进行模拟分析。水管在高层建筑中的分布包括每一楼层的横支管和楼层间及顶楼到底楼的直立支管，水流首先从出水口进入排水系统横支管，运动一段时间后进入直立支管，由于运动方向突然改变，加上此时水流已经具有一定的速度，其流态会发生复杂的变化，一方面水体具有横向加速度，另一方面水体受到重力、管内壁摩擦力和空气阻力作用。水体在横竖拐弯处受力如图1所示。

图1 水体在拐弯时的受力分析

　　水体在进入直立支管运动一段距离后，重力与空气阻力相互抵消，此时水体开始呈匀速下落，一般将此段运动距离称为“极限长度”，此时的速度称为“极限流速”。在管材确定情况下，水管底部所受冲击力只与水流量和排水管直径之间的比值相关，与直立支管高度无关。但由于塑料管材相对铁质管材的力学性能较差，可采取在直立支管每隔一段极限长度范围内就设置一个消能设备的方式，即减小其极限长度和极限速度，最终达到减小水体对直立支管底部冲击力的目的。由此可以得出结论，只要合理设计排水管直径和设置消能设备，塑料管材可以作为高层建筑排水管。

　　3、存在的问题及解决方案

　　3.1、存在的问题

　　只要了解流体运动特点，对管材做出相应处理，塑料管材是可以用于高层建筑排水管工程的。针对塑料材质特点，提出塑料排水管在高层建筑中可能出现的问题，可在施工时防患于未然，提高塑料排水管质量和使用寿命。可能存在的问题包括：结合处有渗漏现象、管道噪声大、通气问题、虹吸问题等。

　　3.2、解决方案

　　针对塑料管材在高层建筑中可能出现的问题，提出以下建议供相关人员参考：(1)塑料管摩擦系数小，不易堵塞，但结合处会因石沙而发生出现裂缝的现象，尤其是顶层。可采用砂布在结合处打毛，使结合处摩擦系数增加的方法解决这个问题。(2)关于管道噪声大的问题，可选用螺旋消声管。一般建筑并不需要达到专业级消声水平，只需采取一定措施减少噪音。此时可以采用在直立支管底部使用柔性材料包裹的方法达到消音目的。(3)排水管道在排水同时应保证其通气顺畅，否则容易造成水压不稳，对排水过程及管道均会产生不利影响，所以一般排水管道内包含通气管。在某些管井尺寸小的地方难以安装普通通气管时可采用H型塑料管件，缩短水管与通气管距离，减小占用面积。(4)塑料材质摩擦系数小，极限流速较大，直立支管较其他材质管道负压更大，导致横向支管易发生虹吸现象。可采用增加乙字型管件逐段对水流进行缓冲，从而预防横向支管发生虹吸现象。

　　4、结论

　　塑料建材代替钢材成为建筑排水管道是未来发展趋势，从具体品种分析，UPVC管和PE管属于主流产品，市场需求较大。目前市场上已出现大量新型复合塑料建材和改性塑料建材，未来可能会在其中出现性能更好的塑料建材代替传统塑料建材。

　　从管径分析，PE管和铝塑复合管一般为小口径管材，PVC管口径分布比较广泛，一般高层建筑排水管会选用大口径管材，目的是减小直立支管底部冲击力。

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