高海拔寒冷地區(qū)碾壓混凝土筑壩保溫材料比選及應(yīng)用

姜順宏，熊 濤，韋 虎

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081)

碾壓混凝土壩由于其體積大，易產(chǎn)生表面干縮裂縫和溫度裂縫。表面干縮裂縫修補(bǔ)困難且效果不佳，溫度裂縫會破壞結(jié)構(gòu)的整體性、抗?jié)B性，導(dǎo)致混凝土耐久性下降，危害大壩安全。如何減少和規(guī)避混凝土裂縫的產(chǎn)生一直是壩工界建設(shè)者長期關(guān)心和共同研究的問題。

為防止因環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，必須在大壩澆筑成型后及時進(jìn)行保溫，選擇經(jīng)濟(jì)且滿足溫控設(shè)計(jì)指標(biāo)的保溫材料，既能保證大壩的質(zhì)量，也能節(jié)省施工成本。

在美國20世紀(jì)50年代就對混凝土表面保溫非常重視，底特律壩和平頂巖壩就是采用泡沫塑料板、紙板保溫，索墩壩頂面則采用砂層保溫。日本采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜作為表面保溫和養(yǎng)護(hù)材料[1]。前蘇聯(lián)曾采用兩層厚模板中填刨花作為隔熱材料，部分采用預(yù)制混凝土板。我國從1961年才開始重視大壩保溫問題。初期主要采用草袋、草簾做保溫材料，由于這些材料易燃燒引起火災(zāi)，容易受潮就腐爛，不耐用，不符合理想的保溫材料要求。在我國恒仁、白山等東北地區(qū)曾使用過木絲板保溫，太平哨大壩噴涂過水泥-膨脹珍珠巖保溫，雖然起到一定保溫作用，但是受潮后保溫作用銳減，木絲板掩蓋混凝土表面的缺陷和不易拆除等出現(xiàn)問題。20世紀(jì)80年代以后，泡沫塑料成為主要的保溫材料，主要有聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、聚乙烯泡沫塑料板等[2]，但上述保溫材料應(yīng)用后仍舊產(chǎn)生了不少裂縫。

近些年，大壩工程的保溫防裂通常是采用泡沫塑料板與紙板保溫相結(jié)合形式；或者是采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜結(jié)合聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、聚乙烯泡沫塑料被、噴涂發(fā)泡聚氨酯等形式[2]。國內(nèi)在建的大型水電站，如豐滿水電站、黃登水電站等工程，也采用了噴涂發(fā)泡聚氨酯、橡塑海綿卷材等保溫材料。本文在調(diào)研國內(nèi)在建大型水電工程后，創(chuàng)新形成噴水花管+薄膜+橡塑海綿新技術(shù)，獲得國家專利授權(quán)、西藏自治區(qū)工法，推動大壩混凝土面保溫保濕技術(shù)革新。

1 概 述

DG水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，為二等大(2)型工程，以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位3 447.00 m，相應(yīng)庫容0.552 8億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2，多年平均流量1 010 m3/s，電站裝機(jī)容量為660 MW。

大壩壩頂高程3 451.0 m，最大壩高117 m，是在建世界海拔最高的碾壓混凝土壩，壩頂長385 m，碾壓混凝土93.7萬m3，常態(tài)混凝土50.5萬m3。

2 氣象資料

本工程位于青藏高原氣候區(qū)，主要?dú)夂蛱卣鳛椋簭?qiáng)太陽輻射(>1 500 W/m2)、強(qiáng)風(fēng)(最大風(fēng)速30 m/s，且壩址峽谷地區(qū)風(fēng)向紊亂)、晝夜溫差大(晝夜溫差達(dá)20℃以上)、干燥(多年平均相對濕度為51%，最低相對濕度不足10%，)、高蒸發(fā)量(2 084 mm/年)和低降雨量(527 mm/年)。多年平均氣壓為685.5 hPa，多年平均日照時數(shù)為2 605.7 h，歷年最大凍土深度為19 cm[3]。

圖1表明，工程所在地晝夜溫差大(最大日溫差接近30℃)，普遍超過了大壩施工期的碾壓混凝土內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)<16℃和常態(tài)混凝土內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)<22℃的要求，為了避免混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，設(shè)計(jì)技術(shù)要求蓄水前在混凝土表面長期覆蓋保溫材料：聚苯乙烯保溫板，同時流水(或?yàn)⑺?養(yǎng)護(hù)。

圖1 DG水電站壩址2020年1月日溫差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

3 保溫材料比選及應(yīng)用

大壩混凝土施工初期，根據(jù)設(shè)計(jì)要求：在提前施工的1號和17號壩段粘貼聚苯乙烯保溫板保溫過程中，因氣候條件影響，聚苯乙烯保溫板暴露出以下問題：聚苯乙烯板存在脫落現(xiàn)象，同時粘貼的苯乙烯板中間不可避免的存在縫隙，導(dǎo)致在太陽輻射及強(qiáng)風(fēng)的作用下，混凝土表面極易失水、干燥，造成保溫、保濕效果差，同時混凝土表面有殘留膠水，外觀形象差，需二次清除。

結(jié)合國內(nèi)大壩常用的幾種保溫材料，決定在DG水電站對聚苯乙烯板、棉被、噴涂發(fā)泡聚氨酯以及橡塑海綿的保溫效果進(jìn)行對比試驗(yàn)，以選擇效果最佳的保溫材料。

3.1 保溫材料對比

保溫材料對比見表1。

表1 保溫材料對比表

3.2 對比試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)開展

1)聚苯乙烯板保溫。施工前，根據(jù)安裝部位尺寸編制聚苯乙烯板的排版圖，以達(dá)到節(jié)約材料、提高施工速度的目的。擠塑板以長向水平鋪貼，保證連續(xù)結(jié)合，上下兩排板豎向錯縫1/2板長，局部最小錯縫不得小于200 mm[4]。

使用毛刷將環(huán)保膠水均勻涂于聚苯乙烯板上，粘貼擠塑板時，板縫應(yīng)擠緊，相鄰板應(yīng)齊平，施工時控制板間縫隙不得大于2 mm。

在聚苯乙烯板安裝完成后，使用小刀在聚苯乙烯板上開一個10 cm×3 cm(高×長)凹槽，用于安裝溫濕度儀探頭，安裝完成后使用同厚度的聚苯乙烯板涂刷環(huán)保膠水封閉。

2)噴涂聚氨酯保溫。施工前，對氣候條件、聚氨酯泡沫的特性，噴涂工藝進(jìn)行詳細(xì)分析，規(guī)避噴涂聚氨酯過程中可能會遇到的問題；按照自上而下或自下而上的噴涂順序，一次噴涂到位。噴涂時，應(yīng)保證聚氨酯均勻分散。試驗(yàn)區(qū)混凝土面上提前安裝好溫濕度儀探頭。

3)棉被由于具有吸水性能，吸水后保溫效果大打折扣，同時屬于易燃品，故對棉被保溫性能不做對比研究。

4)橡塑海綿保溫。為實(shí)現(xiàn)混凝土表面保溫兼顧保濕、環(huán)保的要求，創(chuàng)新施工工藝，采取噴水花管+PC薄膜+橡塑海綿作為保溫保濕層，同時為保證橡塑海綿安裝牢固，利用懸臂翻升模板的拉筋孔，拆模后在不破壞混凝土表面和傷及鋼筋的同時，采用固定螺栓使用定制套筒連接及扁鋼壓條將保溫保濕層牢牢固定(圖2、圖3為壓條式保溫保濕技術(shù))。

圖2 保溫保濕工藝示意

圖3 保溫保濕試驗(yàn)平面示意圖(單位：cm)

3.2.2 保溫保濕效果對比

保溫保濕效果對比見表2和圖4、圖5。

圖4 保溫效果對比

圖5 保濕效果對比

表2 保溫保濕效果對比表

3.3 小 結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)對比結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)從保溫效果上看，采取這三種材料進(jìn)行保溫，保溫效果曲線基本吻合。

2)從保濕效果上看，壓條式保溫保濕技術(shù)保濕效果明顯優(yōu)于前兩者。

3)從施工工藝上看，采用聚苯乙烯板材料粘貼易脫落，外觀形象差，且后期拆除需對混凝土面進(jìn)行清除，耗費(fèi)人工。采用噴涂聚氨酯施工速度快，但成本較高，后期清除容易造成環(huán)境污染，處理成本增加，環(huán)保效果差[5]。采用壓條式保溫保濕技術(shù)的混凝土表面不受污染，保濕效果極佳，同時施工安拆方便，材料均能夠重復(fù)使用，相對前兩者具有較大優(yōu)勢。

綜上所述，采用橡塑海綿作為大壩施工期及混凝土成型的保溫材料為最佳選擇。

4 冬歇期保溫應(yīng)用效果檢測

根據(jù)工程地區(qū)冬歇期氣候條件，結(jié)合施工情況，為確保工程質(zhì)量，在大壩表面增設(shè)17支溫度計(jì)，用于越冬保溫效果監(jiān)測，在2019年冬歇期后揭開保溫層，未發(fā)現(xiàn)裂縫，得到了建設(shè)單位的高度認(rèn)可。消力戽池6號塊表面保溫效果見圖6，7號壩段上游表面保溫效果見圖7。

圖6 消力戽池6號塊表面保溫效果

圖7 7號壩段上游表面保溫效果

總體來說，越冬保溫效果良好，在揭開保溫層檢查時，PC薄膜上均布有水珠，保濕效果滿足要求，內(nèi)外溫差最大在14～15℃，最小在2～3℃。滿足并超過：壩體碾壓混凝土內(nèi)外溫差不超過16℃，常態(tài)混凝土內(nèi)外溫差不超過16℃的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

對進(jìn)行試驗(yàn)對比的三種施工工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對比分析，保溫保濕試驗(yàn)區(qū)面積均為18 m2，在不計(jì)其他費(fèi)用的情況下：

1)當(dāng)采取粘貼聚苯乙烯板進(jìn)行保溫施工時，根據(jù)材料單價與配套膠水價格(15元/支)，材料費(fèi)為30.91×18(聚苯乙烯板)+12×15(膠水)=736.38元，人工1個臺班(8 h)按350/人計(jì)算，共需3個工人6 h施工完成，人工費(fèi)為350/8×6×3=787.5元，合計(jì)為1 555.88元；

2)當(dāng)采用噴涂發(fā)泡聚氨酯時，材料費(fèi)為120×18(聚氨酯)=2 160元，共需2個工人5 h施工完成，人工費(fèi)為350/8×5×2=437.5元，合計(jì)為2 597.5元；

3)當(dāng)采用壓條式保溫保濕技術(shù)時，材料費(fèi)為18×(1.26+64.34)(薄膜和橡塑海綿)+18×12(定制扁鋼)+3×1(PVC軟管)+6×1.2(螺栓)=1407元，共需3個工人5.5 h完成，人工費(fèi)為350/8×5.5×3=738.38元。

如表3所示：粘貼聚苯乙烯保溫板成本較低，壓條式保溫保濕技術(shù)成本較高，噴涂發(fā)泡聚氨酯成本高。

表3 經(jīng)濟(jì)效益對比分析表

6 結(jié) 語

通過對聚苯乙烯板、噴涂聚氨酯、橡塑海綿三種材料的保溫保濕效果、施工工藝、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)粘貼聚苯乙烯板是最節(jié)省成本的方式，但在其應(yīng)用過程中受環(huán)境氣候的影響容易脫落，保濕效果差，容易導(dǎo)致表面干縮裂縫，拆除后二次利用率低，外觀形象差。

2)采取噴涂聚氨酯保溫效果最好，成本也最高，保濕效果低于壓條式保溫保濕技術(shù)，其存在環(huán)保程度低，后期清除成本也較高的問題。

3)采取壓條式保溫保濕技術(shù)保濕效果最好，成本也偏高，保溫效果略低于噴涂聚氨酯，但其拆除后無需二次清理，外觀好，二次利用率高，按照重復(fù)利用一次計(jì)算，大幅降低成本。

綜上所述，壓條式保溫保濕技術(shù)具有保溫保濕效果好、施工方便快捷、可二次利用、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，該技術(shù)已獲得西藏自治區(qū)施工工法和國家實(shí)用新型專利授權(quán)。通過在西藏DG水電站大壩大面積的應(yīng)用，經(jīng)2019～2020年大壩越冬監(jiān)測及揭被檢查結(jié)果表明，混凝土內(nèi)外溫差及表面濕度指標(biāo)始終保證在設(shè)計(jì)指標(biāo)值內(nèi)，無裂縫發(fā)生，達(dá)到大壩混凝土溫控防裂的目的，證明其適用性及優(yōu)越性，極大地推動大壩混凝土面保溫保濕技術(shù)革新，具有極高的推廣應(yīng)用價值。