趙 波，李敬瑋，孟 川，陳改新

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

在我國北方地區(qū)，渠道工程普遍存在一定程度的凍害問題，其中混凝土襯砌板發(fā)生的隆起、鼓脹和滑塌是主要表現(xiàn)形式［1］。目前針對渠道床基凍脹引起的剛性渠道襯砌板的破壞，采用保溫材料防止或減輕基土負溫來解決凍脹問題取得了一定的效果［2］，但由于防滲層可靠性不高，保溫材料由吸水、凍脹等原因?qū)е卤匦Ч饾u降低［3-4］。聚苯乙烯發(fā)泡保溫材料，包括EPS（聚苯乙烯膜塑板）保溫板和XPS（聚苯乙烯擠塑板）保溫板，在渠道保溫工程中應(yīng)用較多。導(dǎo)熱系數(shù)是材料本身固有的屬性，表征物質(zhì)傳遞熱量能力的大?。?］。有研究者［6-7］考察了EPS保溫板在不同吸水率下的導(dǎo)熱系數(shù)變化，并研究了干燥條件下的壓縮性能和蠕變性能，但針對保溫材料在使用過程中，即受力、浸水和凍融等綜合條件下的保溫性能變化規(guī)律的研究并未涉及。本文選擇市場上常見的6種發(fā)泡保溫材料，針對應(yīng)用條件研究它們保溫性能的演化規(guī)律，以加深保溫材料在渠道長期應(yīng)用過程中保溫性能變化的認識，并對材料的改性方向提出建議。

2 試驗概況

2.1試驗材料本文的目的是針對渠道保溫應(yīng)用條件，對有代表性的常見發(fā)泡保溫材料的應(yīng)用性能進行研究，關(guān)注點是其保溫性能在長期應(yīng)用中的變化規(guī)律。選擇的材料按硬度分為兩類，一類為硬質(zhì)發(fā)泡材料，不可卷曲，正常形態(tài)為板狀；另一類為軟質(zhì)發(fā)泡材料，可以卷曲，正常形態(tài)可為板狀，也可卷曲為卷材狀。為了保證在有水環(huán)境下長期的良好性能，選擇進行試驗的所有發(fā)泡材料均為閉孔材料。本文試驗中的發(fā)泡保溫材料基本信息見表1。

2.2試驗方案在渠道工程運行中，對保溫材料長期保溫性能影響較大的環(huán)境因素主要包括：應(yīng)力、浸水及凍融。由于保溫材料長期受壓于渠道襯砌板下方，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面考慮，要求保溫材料有較好的長期壓縮性能。因此，試驗主要研究在水浸泡和凍融條件下，材料力學性能和導(dǎo)熱性能的變化。具體試驗方案如下。

表1 試驗用保溫材料

2.2.1 壓縮性能試驗 關(guān)于材料的壓縮性能，不同類型的發(fā)泡材料采用不同的標準進行測試，其中硬質(zhì)泡沫材料采用的測定標準為：《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定規(guī)定》GB/T 8813，壓縮強度為壓縮變形10% 以內(nèi)的最大強度σm；軟質(zhì)泡沫材料采用的測試標準為：《高聚物多孔彈性材料 壓縮應(yīng)力應(yīng)變特性測定》GB/T 18942，試驗中壓縮率（壓縮后厚度/初始厚度）為CV40的應(yīng)力應(yīng)變特性，最大壓縮強度為C40 kPa。

2.2.2 蠕變性能試驗 為了確定材料在長期應(yīng)力作用下的變形情況，試驗測定了材料的蠕變性能。根據(jù)文獻［8］的資料，南水北調(diào)中線總干渠明渠的混凝土襯砌板設(shè)計厚度為8—10 cm，渠道設(shè)計水深一般為3.8—8.0 m。本文假設(shè)混凝土襯砌板的厚度為10 cm，以8 m的運行水深作為受力計算的基礎(chǔ)?；炷恋拿芏劝?.5 g/cm3計，則去除浮力后，10 cm厚度襯砌相當于15 cm水深，所以保溫材料在滿水位運行時受到的壓力相當于8.15 m水深壓力，相當于0.08 MPa的壓力，即80 kPa的壓力，由此確定蠕變試驗中的加載應(yīng)力為80 kPa。

圖1 蠕變試驗裝置

圖1為蠕變試驗裝置。在上、下墊板之間對稱放置4塊待測定的保溫材料，壓頭與試驗機連接，試驗機為新三思CMT5504萬能電子材料試驗機，利用試驗機的恒壓控制模式進行試驗。

具體試驗過程如下：（1）試塊準備，4塊立方體保溫材料試塊，尺寸為50 mm×50 mm×50 mm；（2）載荷設(shè)定，按試驗設(shè)計，試塊受壓為80 kPa，試驗機恒定壓力設(shè)定為800 N；（3）將4塊待測試樣均勻布置在上、下墊板之間，使試驗壓力均勻、平衡地作用在4塊試樣上；（4）加壓速率為50 mm/min，試驗開始后自動記錄試驗數(shù)據(jù)。

試驗分別測定了浸水前和浸水28 d（吸水率測定試驗表明，28 d材料基本達到飽和）后的蠕變性能，以研究浸水對材料蠕變性能的影響。

2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)的測定 測試儀器為EKO-HC-074-200型熱導(dǎo)儀，測量范圍：0.005～0.8 w/m·k。測試點溫度為22.5℃，試樣的尺寸為200 mm×200 mm×20 mm，每種材料各3塊試樣，測試結(jié)果取平均值。

試驗中分別測試了材料浸水前和浸水不同時間的導(dǎo)熱系數(shù)，包括4、14和28 d的導(dǎo)熱系數(shù)，以及凍融300次后的導(dǎo)熱系數(shù)。其中凍融試驗的條件是：一個循環(huán)歷時2.5—4.0 h，降溫歷時1.5—2.5h，升溫歷時1.0—1.5 h；凍融液溫度-25—20℃。在完成浸水或凍融過程后，取出試件并擦干表面水分，馬上進行導(dǎo)熱系數(shù)的測定。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1浸水及凍融對壓縮性能的影響圖2分別是硬質(zhì)發(fā)泡板和軟質(zhì)發(fā)泡板的典型壓縮曲線。其中，圖2（a）為4個XPS試樣得到的壓縮曲線，從圖中可見，重現(xiàn)性比較好；圖2（b）為1個軟質(zhì)EPE保濕板試樣的壓縮曲線， 經(jīng)過4次壓縮循環(huán)后得到的最終結(jié)果。

圖2 硬質(zhì)發(fā)泡材料與軟質(zhì)發(fā)泡材料典型壓縮試驗曲線

表2是4種硬質(zhì)材料和2種軟質(zhì)材料的壓縮性能試驗結(jié)果。由于采用的標準不同，無法直接比較，但可以進行一個簡單的對比。表2中壓縮強度是硬質(zhì)材料在壓縮變形為10%時的數(shù)據(jù)，而軟質(zhì)材料在經(jīng)過1個加載循環(huán)后，對應(yīng)10%變形的應(yīng)力基本為零，加載周期完成后當載荷為80 kPa時，2種材料的壓縮變形均在50% ～60%之間。

另外從表2數(shù)據(jù)可見，EPS、EVA和XPS的力學性能較好，其中XPS最好。

表2 6種硬質(zhì)發(fā)泡材料的壓縮強度（單位：kPa）

3.2浸水對蠕變性能和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

3.2.1 浸水對蠕變性能的影響 圖3是試驗中得到的典型蠕變曲線。從圖3可以看出，不同材料的蠕變曲線在幅度和形狀上有明顯區(qū)別。為了得到平衡蠕變量，對曲線進行了指數(shù)擬合。

表3是浸水前、后蠕變平衡壓縮率數(shù)值。由表3可以看到，EPS、XPS和EVA 3種保溫板干燥蠕變性能良好，其中XPS最好，但浸水后EVA發(fā)泡板蠕變量出現(xiàn)了較大的增加，而EPS和XPS變化較小，特別是XPS保溫板幾乎不受影響。而其他3種材料的蠕變量相當大，這與前面測試的壓縮性能結(jié)果是相符的。

圖3 試驗中得到的典型蠕變曲線

3.2.2 浸水對導(dǎo)熱系數(shù)的影響 表4是6種發(fā)泡保溫板材料經(jīng)過不同浸水時間的導(dǎo)熱系數(shù)測定值。從表4可見，隨著浸水時間的增加，導(dǎo)熱系數(shù)總體趨勢是增加的，浸泡14 d后導(dǎo)熱系數(shù)變化趨緩。

3.3凍融對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響表5是材料經(jīng)過300次凍融循環(huán)后的導(dǎo)熱系數(shù)測定值。由表5與表4對應(yīng)材料的數(shù)據(jù)對比可以看出，凍融后材料的導(dǎo)熱系數(shù)有所增大，但不同材料的增長幅度不同，其中增長幅度最大的是EPS和XPS兩種聚苯乙烯材質(zhì)的保溫板，而其他材質(zhì)保溫板變化幅度相對比較小。這可能與聚苯乙烯材料分子鏈的剛性比較大有關(guān)系，其他材料的柔韌性比較好，在凍融過程中氣泡結(jié)構(gòu)不容易損傷。

表3 浸水前和浸水28 d的蠕變試驗結(jié)果

表4 不同浸泡時間的導(dǎo)熱系數(shù) （單位：w/m·

表5 凍融循環(huán)300次后6種材料的導(dǎo)熱系數(shù) （單位：w/m·

3.4關(guān)于試驗結(jié)果的進一步討論

3.4.1 關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù) 圖4將6種材料的初始導(dǎo)熱系數(shù)和浸水及凍融后的導(dǎo)熱系數(shù)進行了比較，從圖4可以看到，有些材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如EP?DM、PEF、EVA及EPE，都有很好的穩(wěn)定性，這對保持長期保溫效果是非常有利的。EPS和XPS的初始導(dǎo)熱系數(shù)是比較優(yōu)異的，但浸水和凍融對他們的影響比較大，特別是凍融，使兩種聚苯乙烯材質(zhì)的保溫板導(dǎo)熱系數(shù)大大升高，這對渠道長期保溫效果是不利的。由于EPS和XPS在渠道保溫上的廣泛應(yīng)用［9-10］，針對這兩種材料長期保溫性能的改進有重要的現(xiàn)實意義。而針對這兩種材料，如何提高其抗凍融性能應(yīng)該是材料改進研究的方向。3.4.2 關(guān)于長期保溫效果 表6匯總了保溫板整體保溫效果的影響因素。保溫效果與保溫材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)直接相關(guān)，保溫材料的厚度在應(yīng)用過程中由于受力而有所減少。發(fā)泡材料厚度變化過程中會導(dǎo)致材料發(fā)泡結(jié)構(gòu)方面的變化，如氣泡體積密度、大小分布等，會影響到導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值。但這方面的影響非常復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的規(guī)律，另外這種因素引起的導(dǎo)熱系數(shù)變化在試驗測定上和存在一定的困難，本文中暫時不考慮這個因素。

圖4 浸水和凍融對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度

表6 導(dǎo)熱效果影響因素匯總

為了討論各因素的綜合影響，在此將運行過程中的由于受力蠕變、吸水及凍融等作用的影響定義為抗衰減系數(shù)δ，可表示為：

其中：C為飽水蠕變平衡壓縮率；A為導(dǎo)熱系數(shù)飽水保持率；F為導(dǎo)熱系數(shù)凍融保持率。

利用這個參數(shù)，可以對運行過程中保溫效果的衰減進行評價，抗衰減系數(shù)越大，在運行過程中長期保溫效果也越好。

保溫效果與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，與抗衰減系數(shù)成正比，由此定義一個相對保溫系數(shù)η：

其中，ε為導(dǎo)熱系數(shù)。

表7 6種發(fā)泡保溫板的相對保溫效果比較

相對保溫系數(shù)可以比較相同初始厚度的不同保溫材料長期運行的相對保溫效果。試驗研究的6種保溫材料長期保溫效果的比較見表7。

由表7可見，如果采用相同厚度的保溫板，硬質(zhì)類型的保溫板具有明顯的優(yōu)勢，其中長期運行保溫效果最好的是EVA發(fā)泡板，其次為XPS和EPS，他們的長期保溫效果是比較接近的。而軟質(zhì)保溫板由于壓縮強度太低，在應(yīng)用中有效保溫厚度大幅降低，雖然其他方面性能都很好，但總的效果仍然不理想。

4 結(jié)論

通過對市場常見的6種保溫材料在渠道應(yīng)用條件下保溫性能影響因素的試驗研究，可以得出如下結(jié)論：（1）在輸水渠道保溫應(yīng)用條件下，具有較好抗壓縮蠕變的材料具有更好的保溫穩(wěn)定性，本文選擇的硬質(zhì)保溫材料如EVA板、XPS板及EPS板的長期保溫效果明顯好于軟質(zhì)材料的EPE板和PEF板。（2）軟質(zhì)發(fā)泡保溫材料在吸水和凍融條件下導(dǎo)熱系數(shù)的保持率比較高，但由于壓縮蠕變性能差，在水壓力作用下厚度大幅降低，從而導(dǎo)致實際保溫性能不佳。另外力學性能也不能滿足設(shè)計需要，受力壓縮量太大易引起襯砌的穩(wěn)定性問題。（3）從試驗研究結(jié)果看，EVA保溫板，XPS保溫板及EPS保溫板具有良好的長期保溫效果，而且保溫效果接近。

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