玻璃鋼夾砂管的應用現狀及展望
摘 要：介紹了玻璃鋼夾砂管的特點，著重闡述了玻璃鋼夾砂管在市政排水工程、污水冶現、非開挖更新管道技術等領域中的應用現狀，并指出了應用中應注意的問題。同時，對玻璃鋼夾砂管未來的應用前景進行了展望。
玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管(簡稱玻璃鋼夾砂管或稱FRPM管)是20世紀70年代出現的一種新型柔性非金屬復合材料管道，具有重量輕、耐腐蝕、內壁摩阻力小、壽命長等特點。玻璃鋼夾砂管在國外開發應用已有幾十年的歷史，主要用于石油、化工、電力、農業灌溉及市政給、排水等工程；我國玻璃鋼夾砂管的應用起步較晚，1988年才開始研制和生產，目前已有幾十條生產線，其應用與推廣屬于重點扶持的八項建材產業項目這一。與傳統管材相比，玻璃鋼夾砂管具有許多傳統管材無可比擬的優點，尤其在工程實例表明：玻璃鋼夾砂管壽命可長達50年以上，并且在其長期運行過程中不會出現管體滲水及接頭漏水現象，是替代傳統的鋼管、鑄鐵管及混凝土管的選管材之一，是本世紀具發展潛力的管材。
玻璃鋼夾砂管以玻璃纖維及其制品、不飽和聚酯樹脂、石英砂為主要原料，主要有纖維纏繞玻璃鋼夾砂管和離心成型玻璃鋼夾砂管，在實際工程中大都采用定長法生產的往復式交叉纏繞夾砂管。
雖然玻璃鋼夾砂管具有諸多優點，在國外許多領域得到了成功應用，但在國內人們對其尚缺乏公允的認識，特別是近幾年來，我國給排水行業發展迅速，每年新增供水管道約10000km，新增排水管道約6000km，但絕大部分仍選用傳統管材。為了增強人們對玻璃鋼夾砂管的認識，進一步推廣該新型復合材料在我國國民經濟中的應用與開發，本文對玻璃鋼夾砂管的技術性能及其在我國各領域的應用現狀進行了分析，并對其未來發展前景進行了展望。
1 砂管的結構及性能
玻璃鋼夾砂管是由基體樹脂、增強材料、輔助材料等組成的復合管材，其中，基體樹脂包括內襯樹脂和結構層纏繞樹脂，內襯樹脂選擇食品級間苯型不飽和聚酯樹脂，結構樹脂選用鄰苯型不飽和聚酯樹脂；增強材料包括無堿玻璃纖維表面氈、無堿針織氈、無堿纏繞紗、無堿玻璃纖維增強布以及石英砂等；輔助材料包括聚醋薄膜、兜砂布、網格布、固化劑和促進劑等。嚴格地選材是控制產品質量的道防線。
通常，玻璃鋼夾砂管由內襯層、結構層和表面層構成。內襯層為防腐防滲層，由內表面層和次內層兩部分組成，樹脂含量很高，為90%左右。結構層由連續纖維纏繞層和樹脂砂漿層組成，以鄰苯型或間苯型不飽和聚酯樹脂為粘結基體，玻璃纖維的重量約占65%~70%，樹脂的重量約占30%~35%，起承受荷載、抵抗變形的作用：表面層由抗老化添加劑和樹脂配制而成，能防止大氣老化等。其結構可根據實際工況需要設計鋪層，來滿足不同性能的要求。
與傳統管材相比，玻璃鋼夾砂管具有以下優點：
(1)耐腐蝕：由于玻璃鋼夾砂管道內外層的由熱固性樹脂固化而成，所以能耐酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水、腐蝕性土壤以及多種化學流體的腐蝕，抗電化學腐蝕，無需對內外層作防腐處理、無需陰極保護、使用壽命長、維護費用低。一般情況下，塑料管使用年限為3年，鑄鐵管使用年限為5~10年，鋼管使用年限只有15年，而玻璃鋼夾砂管道的使用壽命可達50年。[-page-]
(2)重量輕、強度高：管壁結構致密、堅實、可覆土深埋。玻璃鋼夾砂管道的密度為1.65~2.2g/cm3，密度只有鋼的1/4，管的環向拉伸強度為180~300MPa，軸向拉伸強度為60~150MPa，大可達230MPa，近似合金鋼，而其比強度(強度/密度)是合金鋼的2~3倍。因此，可按用戶的不同要求，設計成滿足各類承受內、外壓力要求的管道。外壓作用下的管壁中心附近區域的正壓力很小，由樹脂砂漿層承擔，而高應力區則由位于管壁的純纖維纏繞區承擔。充分體現了復合材料的結構可設計性和物盡其能的特點。接頭少、易安裝，設備簡單。
(3)內壁光滑、糙率和摩阻力小：糙率系統為0.0084，而混凝土管為0.014，鑄鐵管為0.013，水頭損耗小，泵送費用低；相同口徑下，其輸送能力大；相同流量下，其口徑可減小1個小檔次；污垢積淤極小。
(4)耐熱性、抗凍性好：在-30℃狀態下，仍具有良好的韌性和極高的強度，可在-50~80℃的范圍內長期使用，采用特殊配方的樹脂還可在110℃以上工作。
(5)適應性強：可根據用戶的各種特定要求，諸如不同的流量、壓力、不同的埋深和載荷情況，設計制造成不同壓力等級和剛度等級的管道。
2 玻璃鋼夾砂管的應用現狀
正是由于玻璃鋼夾砂管有許多優越的性能，在許多得到了廣泛的應用，主要包括：市政給排水、供熱、灌溉、建筑、石油、化工、輕工、能源、交通、污水處理等領域，特別是在中東地區的大中型輸水、排污、海水淡化和一些工業輸送管道，幾乎全部采用玻璃鋼管。本文僅對玻璃鋼夾砂管在排水、污水治理和非開挖更新管道技術中的應用現狀進行總結。
2.1 在排水工業中的應用
長期以來，我國在排水工程中，室外排水管材多采用制作工藝簡單，價格低廉的鋼筋混凝土排水管。但這種管材存在水力條件較差、接頭數量多、對基礎要求高、易損壞，管道維護困難等許多弊端。建設部218號公告中明確規定2005年元月1日起，管徑
500mm的鋼筋混凝土管不得用于城鎮市政污水、雨水管道。玻璃鋼夾砂管以耐腐蝕性強、輕質高強、輸送流量大、安裝方便、工期短、綜合投資低等優點成為主要替代管材之一。這種管材用于排水工程有著鋼筋混凝土管無要比擬的優越性，表1為兩種管材主要性能的比較。
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經計算：當管徑相同，管道坡度相同，且管道按滿流狀態考慮時，夾砂玻璃鋼管的流量是鋼筋混凝土管輸送水量的1.625倍，輸送相同的流量，玻璃鋼夾砂管采用的管道內徑約為鋼筋混凝土管管徑的80%。
常淑卿等認為：玻璃鋼夾砂管耐腐蝕性好，能抵抗酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水侵蝕，而且防污抗蛀，不會被海洋或污水中的甲貝、菌類微生物蛀附，長期使用潔凈如初，非常適合海濱城市特別是沿海鋪設地下管網的要求。如1999年蓬萊市長6km的截污干管工程、2003年上海洋山深水港區雨水管道工程、2007年浙江三門縣排水系統工程等。
2.2 在污水處理領域的應用
目前應用于污水收集、輸送的管材主要有混凝土管、鋼筋混凝土管、鋼管和近年研制開發的玻璃鋼夾砂管。其中玻璃鋼夾砂管既經濟又避免出現二次污染，在我國污水治理工業中獲得了較成功的應用，并獲得推廣。該應用領域主要選擇大口徑管材DN2500和DN2200，在南方沿海城市應用較多，如廣州大沙地污水處理廠下管線埋設工程和沙河涌整治工程――沙河涌分洪道橫穿黃埔大道段頂管工程。玻璃鋼夾砂管的使用提高了工程的施工進度，由于重量輕、減少了吊裝機械對基槽的破壞，確保了深基槽的安全，明顯改善管道的垂直變形和埋設精度，施工質量得到了進一步提高。同時有效克服了污水管道在淤泥層中的埋設難題，解決了管道抗浮和抗沉等問題。
但是，由于玻璃鋼夾砂管材是一種新材料，生產工藝上還需進一步完善，故在頂進時要特別注意嚴格控制施工偏差，管軸線的大偏差應在規范允許范圍內。特別是大口徑管道，因為偏差過大表示應力集中和管道轉角容易起過允許值，有可能損傷接頭處鋼套管和破壞管道，這是在該類施工中需要注意的。
2.3 在非開挖更新管道技術中的應用
非開挖更新管道技術又稱“管中管”非開挖修復技術，是隨著城鎮化發展，對原有老化管道的一種結構性修復技術。玻璃鋼夾砂襯管以其優良的性能，便捷的施工方法和低廉的造價與維護費用，在管道非開挖在線修復管道領域占有一席之地，有著巨大的市場發展潛力。
玻璃鋼夾砂襯管非開挖修復舊管道是將一條直徑比舊管道略小的玻璃鋼夾砂管道襯入舊管道，再把新舊管道進行固定，從而修復舊管道的方法。該種方法具有以下優點：
(1)對舊管道要求低，可適應一定的轉角，內壁清理要求低；
(2)施工簡單、快捷，可帶少量水施工；[-page-]
(3)玻璃鋼夾砂襯管的強度與剛度較高，可獨立承受管頂載荷，不會因舊管道結構的破壞而坍塌；
(4)玻璃鋼夾砂初管內壁光滑，流通能力強，較節能；
(5)玻璃鋼夾砂襯管耐腐蝕，壽命長，維護費用低廉；
(6)玻璃鋼夾砂襯管工程綜合造價低。
對2004年實施的廣州工業大道46m長DN1050污水鋼管的玻璃鋼夾砂襯管工程進行了介紹：研究采用manning公式對新舊管道進行水力學計算，采用Hazen-Williams公式對玻璃鋼夾砂管道與原管道的粗糙系數與直徑關系進行計算。結果表明，水力坡度、流量、泵容一定的原有管道完全可用小直徑的玻璃鋼夾砂管道襯入，而不影響其功能，該工程獲得了極佳的修復效果。
3 發展前景與展望
玻璃鋼夾砂管的開發與應用已經引起一場管道材料的重大革命，它不但具有結構的優點，而且還具有成本低、生產效率高，便于機械化成批生產的特點。加之它輕質高強、高剛度、耐腐蝕，便于運輸安裝，聯接可靠，壽命長等突出優點，所以它將對傳統的大口徑輸水、下水用水泥管、鑄鐵管、鋼管是一次嚴峻的沖擊，市場占有份額與日俱增。目前，各國都在積極研制和推廣玻璃鋼夾砂管道。
盡管如此，玻璃鋼夾砂管道的開發是一項復雜的技術項目，目前國內乃至國外的纏繞玻璃鋼夾砂管的技術水平尚不盡理想，還有許多技術難題需要進一步深入研究、解決、使其不斷完善。隨著玻璃鋼夾砂管的大量推廣，國內夾砂管道生產企業的數量呈快速增長趨勢，這樣不可避免會產生較多的質量問題；同時，市場也會對玻璃鋼夾砂管提出各種各樣的要求，無論在技術上、質量上和造價上都要比老的管材更要嚴格一些，因此要求生產企業要不斷地進行科研，提高質量，降低造價，從而滿足市場日益增長的需求。企業要善于解決生產和市場要求的各種問題，以此帶動科技進步，并培養人才，壯大自己的科技隊伍，提高技術水平。
隨著現代科技的發展，新型的材料工業飛速發展，玻璃鋼夾砂管一定會具有廣闊的市場和發展前景。
玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管(簡稱玻璃鋼夾砂管或稱FRPM管)是20世紀70年代出現的一種新型柔性非金屬復合材料管道，具有重量輕、耐腐蝕、內壁摩阻力小、壽命長等特點。玻璃鋼夾砂管在國外開發應用已有幾十年的歷史，主要用于石油、化工、電力、農業灌溉及市政給、排水等工程；我國玻璃鋼夾砂管的應用起步較晚，1988年才開始研制和生產，目前已有幾十條生產線，其應用與推廣屬于重點扶持的八項建材產業項目這一。與傳統管材相比，玻璃鋼夾砂管具有許多傳統管材無可比擬的優點，尤其在工程實例表明：玻璃鋼夾砂管壽命可長達50年以上，并且在其長期運行過程中不會出現管體滲水及接頭漏水現象，是替代傳統的鋼管、鑄鐵管及混凝土管的選管材之一，是本世紀具發展潛力的管材。
玻璃鋼夾砂管以玻璃纖維及其制品、不飽和聚酯樹脂、石英砂為主要原料，主要有纖維纏繞玻璃鋼夾砂管和離心成型玻璃鋼夾砂管，在實際工程中大都采用定長法生產的往復式交叉纏繞夾砂管。
雖然玻璃鋼夾砂管具有諸多優點，在國外許多領域得到了成功應用，但在國內人們對其尚缺乏公允的認識，特別是近幾年來，我國給排水行業發展迅速，每年新增供水管道約10000km，新增排水管道約6000km，但絕大部分仍選用傳統管材。為了增強人們對玻璃鋼夾砂管的認識，進一步推廣該新型復合材料在我國國民經濟中的應用與開發，本文對玻璃鋼夾砂管的技術性能及其在我國各領域的應用現狀進行了分析，并對其未來發展前景進行了展望。
1 砂管的結構及性能
玻璃鋼夾砂管是由基體樹脂、增強材料、輔助材料等組成的復合管材，其中，基體樹脂包括內襯樹脂和結構層纏繞樹脂，內襯樹脂選擇食品級間苯型不飽和聚酯樹脂，結構樹脂選用鄰苯型不飽和聚酯樹脂；增強材料包括無堿玻璃纖維表面氈、無堿針織氈、無堿纏繞紗、無堿玻璃纖維增強布以及石英砂等；輔助材料包括聚醋薄膜、兜砂布、網格布、固化劑和促進劑等。嚴格地選材是控制產品質量的道防線。
通常，玻璃鋼夾砂管由內襯層、結構層和表面層構成。內襯層為防腐防滲層，由內表面層和次內層兩部分組成，樹脂含量很高，為90%左右。結構層由連續纖維纏繞層和樹脂砂漿層組成，以鄰苯型或間苯型不飽和聚酯樹脂為粘結基體，玻璃纖維的重量約占65%~70%，樹脂的重量約占30%~35%，起承受荷載、抵抗變形的作用：表面層由抗老化添加劑和樹脂配制而成，能防止大氣老化等。其結構可根據實際工況需要設計鋪層，來滿足不同性能的要求。
與傳統管材相比，玻璃鋼夾砂管具有以下優點：
(1)耐腐蝕：由于玻璃鋼夾砂管道內外層的由熱固性樹脂固化而成，所以能耐酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水、腐蝕性土壤以及多種化學流體的腐蝕，抗電化學腐蝕，無需對內外層作防腐處理、無需陰極保護、使用壽命長、維護費用低。一般情況下，塑料管使用年限為3年，鑄鐵管使用年限為5~10年，鋼管使用年限只有15年，而玻璃鋼夾砂管道的使用壽命可達50年。[-page-]
(2)重量輕、強度高：管壁結構致密、堅實、可覆土深埋。玻璃鋼夾砂管道的密度為1.65~2.2g/cm3，密度只有鋼的1/4，管的環向拉伸強度為180~300MPa，軸向拉伸強度為60~150MPa，大可達230MPa，近似合金鋼，而其比強度(強度/密度)是合金鋼的2~3倍。因此，可按用戶的不同要求，設計成滿足各類承受內、外壓力要求的管道。外壓作用下的管壁中心附近區域的正壓力很小，由樹脂砂漿層承擔，而高應力區則由位于管壁的純纖維纏繞區承擔。充分體現了復合材料的結構可設計性和物盡其能的特點。接頭少、易安裝，設備簡單。
(3)內壁光滑、糙率和摩阻力小：糙率系統為0.0084，而混凝土管為0.014，鑄鐵管為0.013，水頭損耗小，泵送費用低；相同口徑下，其輸送能力大；相同流量下，其口徑可減小1個小檔次；污垢積淤極小。
(4)耐熱性、抗凍性好：在-30℃狀態下，仍具有良好的韌性和極高的強度，可在-50~80℃的范圍內長期使用，采用特殊配方的樹脂還可在110℃以上工作。
(5)適應性強：可根據用戶的各種特定要求，諸如不同的流量、壓力、不同的埋深和載荷情況，設計制造成不同壓力等級和剛度等級的管道。
2 玻璃鋼夾砂管的應用現狀
正是由于玻璃鋼夾砂管有許多優越的性能，在許多得到了廣泛的應用，主要包括：市政給排水、供熱、灌溉、建筑、石油、化工、輕工、能源、交通、污水處理等領域，特別是在中東地區的大中型輸水、排污、海水淡化和一些工業輸送管道，幾乎全部采用玻璃鋼管。本文僅對玻璃鋼夾砂管在排水、污水治理和非開挖更新管道技術中的應用現狀進行總結。
2.1 在排水工業中的應用
長期以來，我國在排水工程中，室外排水管材多采用制作工藝簡單，價格低廉的鋼筋混凝土排水管。但這種管材存在水力條件較差、接頭數量多、對基礎要求高、易損壞，管道維護困難等許多弊端。建設部218號公告中明確規定2005年元月1日起，管徑
500mm的鋼筋混凝土管不得用于城鎮市政污水、雨水管道。玻璃鋼夾砂管以耐腐蝕性強、輕質高強、輸送流量大、安裝方便、工期短、綜合投資低等優點成為主要替代管材之一。這種管材用于排水工程有著鋼筋混凝土管無要比擬的優越性，表1為兩種管材主要性能的比較。[-page-] 經計算：當管徑相同，管道坡度相同，且管道按滿流狀態考慮時，夾砂玻璃鋼管的流量是鋼筋混凝土管輸送水量的1.625倍，輸送相同的流量，玻璃鋼夾砂管采用的管道內徑約為鋼筋混凝土管管徑的80%。
常淑卿等認為：玻璃鋼夾砂管耐腐蝕性好，能抵抗酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水侵蝕，而且防污抗蛀，不會被海洋或污水中的甲貝、菌類微生物蛀附，長期使用潔凈如初，非常適合海濱城市特別是沿海鋪設地下管網的要求。如1999年蓬萊市長6km的截污干管工程、2003年上海洋山深水港區雨水管道工程、2007年浙江三門縣排水系統工程等。
2.2 在污水處理領域的應用
目前應用于污水收集、輸送的管材主要有混凝土管、鋼筋混凝土管、鋼管和近年研制開發的玻璃鋼夾砂管。其中玻璃鋼夾砂管既經濟又避免出現二次污染，在我國污水治理工業中獲得了較成功的應用，并獲得推廣。該應用領域主要選擇大口徑管材DN2500和DN2200，在南方沿海城市應用較多，如廣州大沙地污水處理廠下管線埋設工程和沙河涌整治工程――沙河涌分洪道橫穿黃埔大道段頂管工程。玻璃鋼夾砂管的使用提高了工程的施工進度，由于重量輕、減少了吊裝機械對基槽的破壞，確保了深基槽的安全，明顯改善管道的垂直變形和埋設精度，施工質量得到了進一步提高。同時有效克服了污水管道在淤泥層中的埋設難題，解決了管道抗浮和抗沉等問題。
但是，由于玻璃鋼夾砂管材是一種新材料，生產工藝上還需進一步完善，故在頂進時要特別注意嚴格控制施工偏差，管軸線的大偏差應在規范允許范圍內。特別是大口徑管道，因為偏差過大表示應力集中和管道轉角容易起過允許值，有可能損傷接頭處鋼套管和破壞管道，這是在該類施工中需要注意的。
2.3 在非開挖更新管道技術中的應用
非開挖更新管道技術又稱“管中管”非開挖修復技術，是隨著城鎮化發展，對原有老化管道的一種結構性修復技術。玻璃鋼夾砂襯管以其優良的性能，便捷的施工方法和低廉的造價與維護費用，在管道非開挖在線修復管道領域占有一席之地，有著巨大的市場發展潛力。
玻璃鋼夾砂襯管非開挖修復舊管道是將一條直徑比舊管道略小的玻璃鋼夾砂管道襯入舊管道，再把新舊管道進行固定，從而修復舊管道的方法。該種方法具有以下優點：
(1)對舊管道要求低，可適應一定的轉角，內壁清理要求低；
(2)施工簡單、快捷，可帶少量水施工；[-page-]
(3)玻璃鋼夾砂襯管的強度與剛度較高，可獨立承受管頂載荷，不會因舊管道結構的破壞而坍塌；
(4)玻璃鋼夾砂初管內壁光滑，流通能力強，較節能；
(5)玻璃鋼夾砂襯管耐腐蝕，壽命長，維護費用低廉；
(6)玻璃鋼夾砂襯管工程綜合造價低。
對2004年實施的廣州工業大道46m長DN1050污水鋼管的玻璃鋼夾砂襯管工程進行了介紹：研究采用manning公式對新舊管道進行水力學計算，采用Hazen-Williams公式對玻璃鋼夾砂管道與原管道的粗糙系數與直徑關系進行計算。結果表明，水力坡度、流量、泵容一定的原有管道完全可用小直徑的玻璃鋼夾砂管道襯入，而不影響其功能，該工程獲得了極佳的修復效果。
3 發展前景與展望
玻璃鋼夾砂管的開發與應用已經引起一場管道材料的重大革命，它不但具有結構的優點，而且還具有成本低、生產效率高，便于機械化成批生產的特點。加之它輕質高強、高剛度、耐腐蝕，便于運輸安裝，聯接可靠，壽命長等突出優點，所以它將對傳統的大口徑輸水、下水用水泥管、鑄鐵管、鋼管是一次嚴峻的沖擊，市場占有份額與日俱增。目前，各國都在積極研制和推廣玻璃鋼夾砂管道。
盡管如此，玻璃鋼夾砂管道的開發是一項復雜的技術項目，目前國內乃至國外的纏繞玻璃鋼夾砂管的技術水平尚不盡理想，還有許多技術難題需要進一步深入研究、解決、使其不斷完善。隨著玻璃鋼夾砂管的大量推廣，國內夾砂管道生產企業的數量呈快速增長趨勢，這樣不可避免會產生較多的質量問題；同時，市場也會對玻璃鋼夾砂管提出各種各樣的要求，無論在技術上、質量上和造價上都要比老的管材更要嚴格一些，因此要求生產企業要不斷地進行科研，提高質量，降低造價，從而滿足市場日益增長的需求。企業要善于解決生產和市場要求的各種問題，以此帶動科技進步，并培養人才，壯大自己的科技隊伍，提高技術水平。
隨著現代科技的發展，新型的材料工業飛速發展，玻璃鋼夾砂管一定會具有廣闊的市場和發展前景。
