聚苯板在渠道襯砌防凍脹中的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)

劉群昌，史 源，吉 曄，章少輝

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京 100048； 2.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心, 北京 100054)

中國(guó)是一個(gè)水資源緊缺的灌溉農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占總用水量61.3%[1]，目前灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.5左右[2]，其中由渠道滲漏而引起的損失占總損失水量的60%～80%[3]。因此，減少渠道輸配水損失是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的關(guān)鍵因素[4]。渠道襯砌防滲可以極大地減少渠道滲漏損失[5]，是目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的節(jié)水工程技術(shù)措施之一[6]。但是，季節(jié)性凍土地區(qū)的混凝土襯砌渠道由于負(fù)溫作用，冬季常遭受?chē)?yán)重的凍脹破壞，直接影響了工程的正常運(yùn)行和防滲效果，同時(shí)使得灌區(qū)效益低下、運(yùn)營(yíng)成本增加、運(yùn)行管理艱難[7]。對(duì)于采用混凝土防滲的渠道，由于混凝土屬于剛性襯砌材料，雖具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形的能力較差，在凍脹力的作用下容易破壞。為削減凍脹通常采用置換法、保溫法等，如將聚苯乙烯泡沫塑料板(以下簡(jiǎn)稱聚苯板)布置在渠道襯砌體背面形成隔熱保溫層，阻隔大氣與渠基土的熱量交換，提高襯砌體下基土溫度，消減或消除凍脹，防止發(fā)生凍脹破壞[8]。

襯砌渠道采用聚苯板保溫措施，是利用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠道襯砌基土周?chē)鸁崃康妮斎?、輸出及轉(zhuǎn)化過(guò)程，人為地影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部的水熱耦合作用在時(shí)間、空間上向不利于凍脹的方向發(fā)展、變化[9]。國(guó)家對(duì)絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料的性能有專(zhuān)門(mén)的規(guī)定[10]，水利行業(yè)對(duì)其應(yīng)用性能參數(shù)也提出了相關(guān)要求[11]。但這些只是對(duì)材料出廠時(shí)質(zhì)量的要求，而在工程應(yīng)用若干年后再進(jìn)行聚苯板性能試驗(yàn)研究的案例國(guó)內(nèi)外都很少，銀英姿等[12]研究了含水率對(duì)渠道保溫板保溫耐久性的影響及保溫板厚度設(shè)計(jì)。Duskov M[13]針對(duì)不同水熱條件下EPS15和EPS20的發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)進(jìn)行力學(xué)特性的研究。姜忻良等[14]對(duì)復(fù)合混凝土-石膏墻板進(jìn)行了聚苯板與石膏板之間連接面的抗剪性能試驗(yàn)，表明聚苯板與石膏板之間的粘接起決定性作用。趙波等[15]研究了在水浸泡和凍融條件下，保溫板力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的變化。汪曉鵬等[16]測(cè)定并分析了材料的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的關(guān)系。但這些研究均是在實(shí)驗(yàn)室特定條件下進(jìn)行的，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用條件不完全相似，不能真正反映聚苯板在渠道襯砌防凍脹中的長(zhǎng)期應(yīng)用后性能。為此，本研究從現(xiàn)場(chǎng)直接取樣檢測(cè)其長(zhǎng)期運(yùn)行后性能入手，通過(guò)與工程建設(shè)前原材料性能指標(biāo)及《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》[10](GB/T 50600—2010)規(guī)定指標(biāo)比較，探討聚苯板在渠道襯砌防凍脹中的長(zhǎng)期應(yīng)用后性能的變化趨勢(shì)，為今后工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中合理選擇聚苯板提供參考。

1 聚苯板在渠道防凍脹的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)

1.1 工程概況

渠道聚苯板保溫工程位于山西蕭河灌區(qū)民豐三支渠K1+987—3+838處，采用陰坡均勻鋪設(shè)3 cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板，陽(yáng)坡采用塑料薄膜加8 cm混凝土板的方案，并于1987年建成運(yùn)行。蕭河灌區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷干燥，年平均氣溫9.8℃，最低氣溫-20℃，最大凍土層深度0.9 m，水工建筑物凍脹破壞嚴(yán)重。但截至2014年，經(jīng)過(guò)27 a的運(yùn)行，經(jīng)過(guò)保溫處理的渠道除局部有微凍脹外，沒(méi)有發(fā)生坍塌和嚴(yán)重破環(huán)現(xiàn)象，證明了聚苯乙烯泡沫塑料板對(duì)解決北方地區(qū)渠道凍害，延長(zhǎng)襯砌使用壽命、減少維修費(fèi)用具有重要價(jià)值。

民豐三支渠為梯形填方渠道，東西走向，渠基土質(zhì)為亞黏土，地下水埋深為11 m。渠道全長(zhǎng)7.48 km，設(shè)計(jì)流量3.6 m3/s，設(shè)計(jì)水深1.4 m，底寬1.0 m，邊坡為1∶1，渠道坡降為1/1500，灌溉控制面積1 133.33 hm2。

工程采用的聚苯板物理機(jī)械性能如表1所示。

表1 工程采用的聚苯板物理機(jī)械性能

1.2 現(xiàn)場(chǎng)采樣

現(xiàn)場(chǎng)采樣于2014年5月22日進(jìn)行，首先揭開(kāi)混凝土板，用刀裁成40 cm×40 cm見(jiàn)方的樣品，給試樣編號(hào)然后迅速裝入塑料密封袋內(nèi)密封，采樣位置見(jiàn)表2。

1.3 樣品檢驗(yàn)

樣品由中國(guó)國(guó)家建筑材料測(cè)試中心，依據(jù)《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》[11](GB/T 10801.1—2002)，按原樣和在40℃條件下烘至恒重后兩種情形分別進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表2 樣本編號(hào)、采樣地點(diǎn)及位置

表3 樣品檢測(cè)結(jié)果

1.4 材料應(yīng)用后性能分析

聚苯板作為保溫隔熱材料，渠道襯砌防凍脹主要利用其導(dǎo)熱系數(shù)小，不使冬季渠床地溫降低過(guò)多，減小凍深；利用其壓縮性，削減對(duì)襯砌的凍脹力；利用其吸水性差，防止?jié)B水增加土層含水率而增大凍脹量。

1.4.1 聚苯板導(dǎo)熱性評(píng)價(jià)

聚苯板導(dǎo)熱性是渠道襯砌保溫防凍脹的關(guān)鍵指標(biāo)，表4是樣品導(dǎo)熱性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較結(jié)果。

表4 樣品導(dǎo)熱性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

由表4可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)與出廠時(shí)比，由0.022提高到0.037～0.044，提高68%～100%，說(shuō)明聚苯乙烯泡沫塑料導(dǎo)熱性隨使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)有所降低。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值比，基本沒(méi)有差別，說(shuō)明其性能指標(biāo)仍能滿足工程防凍脹的要求。

(3) 聚苯板原樣測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度較大，與出廠時(shí)比，提高178%～240%，比標(biāo)準(zhǔn)值高出50%以上；與烘干后測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)比，導(dǎo)熱系數(shù)提高60%以上。說(shuō)明聚苯板在含水狀態(tài)下工作，導(dǎo)熱性能會(huì)顯著下降。

1.4.2 聚苯板吸水性評(píng)價(jià)

表5是樣品吸水性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較結(jié)果。

由表5可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的吸水率與出廠時(shí)比，由0.080提高到1.10～1.50，提高25%～45%，說(shuō)明聚苯乙烯泡沫塑料吸水率隨使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)增加。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的吸水率與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值比，仍沒(méi)有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求值，說(shuō)明吸水性仍能滿足工程防凍脹的要求。

(3) 聚苯乙烯泡沫塑料原樣測(cè)得的吸水率與烘干后測(cè)得的吸水率相比，吸水率降低46%～72%，這是因?yàn)閺默F(xiàn)場(chǎng)取得的原樣中已經(jīng)含有一定水分。

表5 樣品吸水性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

1.4.3 聚苯板表觀密度評(píng)價(jià)

表6是樣品表觀密度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較結(jié)果。

表6 樣品表觀密度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

由表6可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的表觀密度大于標(biāo)準(zhǔn)值，與出廠時(shí)比變化不大。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原樣測(cè)得的表觀密度與烘干后測(cè)得的密度相比，密度增加180%～500%，這是因?yàn)樵瓨又幸呀?jīng)含有水分所致。

1.4.4 聚苯板尺寸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

表7是樣品尺寸穩(wěn)定性與標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較結(jié)果。

由表7可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的尺寸穩(wěn)定性比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值及出廠時(shí)的數(shù)值均小，說(shuō)明聚苯乙烯泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性隨使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)更加趨于穩(wěn)定。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原樣測(cè)得的尺寸穩(wěn)定性與烘干后測(cè)得的尺寸穩(wěn)定性相比，尺寸穩(wěn)定性降低33%，說(shuō)明含有水分的聚苯乙烯泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于烘干后的泡沫塑料。

表7 樣品尺寸穩(wěn)定性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

1.4.5 聚苯板壓縮性能評(píng)價(jià)

表8是樣品壓縮性能與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較。

表8 樣品壓縮強(qiáng)度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

由表8可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的壓縮強(qiáng)度與出廠時(shí)比，由100 kPa降低到到42 kPa～45 kPa，減低55%～58%，說(shuō)明聚苯乙烯泡沫塑料壓縮強(qiáng)度隨使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)降低。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后測(cè)得的壓縮強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定比，沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求值。

1.4.6 聚苯板彎曲變形評(píng)價(jià)

表9是樣品彎曲變形與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料的比較結(jié)果。

表9 樣品彎曲變形與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)年采購(gòu)原材料性能的比較

由表9可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后及原樣測(cè)得的彎曲變形與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定比，除樣本W(wǎng)T519外，均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，說(shuō)明原材料的彎曲變形可能本身就高于標(biāo)準(zhǔn)值。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原樣測(cè)得的彎曲變形與烘干后測(cè)得的彎曲變形相比，樣品WT519低于WT521，樣品WT520與WT522相差不大，規(guī)律性不強(qiáng)。

2 建 議

聚苯板作為保溫隔熱材料，渠道襯砌防凍脹主要利用其導(dǎo)熱系數(shù)小、可壓縮性好、吸水性差等特點(diǎn)，但檢測(cè)分析表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后上述三項(xiàng)性能均有一定程度的降低。因此，聚苯乙烯泡沫塑料在渠道襯砌防凍脹應(yīng)用設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮時(shí)間和自然狀態(tài)因素，所選擇的材料性能指標(biāo)應(yīng)高于設(shè)計(jì)要求的一定值。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)已運(yùn)行27 a的聚苯板的密度、吸水性、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試、分析、比較,可以得出如下結(jié)論：

(1) 聚苯板的性能會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生改變，其絕大多數(shù)性能會(huì)隨著工程運(yùn)行而降低，關(guān)鍵的導(dǎo)熱系數(shù)升高了60%以上，說(shuō)明保溫性能降低較多。

(2) 聚苯板受水長(zhǎng)時(shí)間浸泡，導(dǎo)熱性能會(huì)顯著下降。

(3) 聚苯板經(jīng)過(guò)一定時(shí)段運(yùn)行后，其吸水率會(huì)有一定的提高，但提高幅度不超過(guò)50%。正常情況下，吸水率不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，能夠滿足工程防凍脹長(zhǎng)期使用的要求。

(4) 聚苯板壓縮強(qiáng)度隨使用時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)降低。