趙 波，李敬瑋，孟 川，陳改新

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)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(rèn)識，并對材料的改性方向提出建議。

2 試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)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(jìn)行研究，關(guān)注點(diǎn)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(jìn)行試驗(yàn)的所有發(fā)泡材料均為閉孔材料。本文試驗(yàn)中的發(fā)泡保溫材料基本信息見表1。

2.2試驗(yàn)方案在渠道工程運(yùn)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(yàn)主要研究在水浸泡和凍融條件下，材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的變化。具體試驗(yàn)方案如下。

表1 試驗(yàn)用保溫材料

2.2.1 壓縮性能試驗(yàn) 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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，其中硬質(zhì)泡沫材料采用的測定標(biāo)準(zhǔn)為：《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定規(guī)定》GB/T 8813，壓縮強(qiáng)度為壓縮變形10% 以內(nèi)的最大強(qiáng)度σm；軟質(zhì)泡沫材料采用的測試標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(qiáng)度為C40 kPa。

2.2.2 蠕變性能試驗(yàn) 為了確定材料在長期應(yīng)力作用下的變形情況，試驗(yàn)測定了材料的蠕變性能。根據(jù)文獻(xiàn)［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(jì)厚度為8—10 cm，渠道設(shè)計(jì)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(yùn)行水深作為受力計(jì)算的基礎(chǔ)。混凝土的密度按2.5 g/cm3計(jì)，則去除浮力后，10 cm厚度襯砌相當(dāng)于15 cm水深，所以保溫材料在滿水位運(yùn)行時(shí)受到的壓力相當(dāng)于8.15 m水深壓力，相當(dāng)于0.08 MPa的壓力，即80 kPa的壓力，由此確定蠕變試驗(yàn)中的加載應(yīng)力為80 kPa。

圖1 蠕變試驗(yàn)裝置

圖1為蠕變試驗(yàn)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(yàn)機(jī)連接，試驗(yàn)機(jī)為新三思CMT5504萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)，利用試驗(yàn)機(jī)的恒壓控制模式進(jìn)行試驗(yàn)。

具體試驗(yàn)過程如下：（1）試塊準(zhǔn)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(yàn)設(shè)計(jì)，試塊受壓為80 kPa，試驗(yàn)機(jī)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(yàn)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(yàn)開始后自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)分別測定了浸水前和浸水28 d（吸水率測定試驗(yàn)表明，28 d材料基本達(dá)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(diǎn)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(yàn)中分別測試了材料浸水前和浸水不同時(shí)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(yàn)的條件是：一個(gè)循環(huán)歷時(shí)2.5—4.0 h，降溫歷時(shí)1.5—2.5h，升溫歷時(shí)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(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測定。

3 試驗(yàn)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(gè)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(gè)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(yàn)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(yàn)結(jié)果。由于采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，無法直接比較，但可以進(jìn)行一個(gè)簡單的對比。表2中壓縮強(qiáng)度是硬質(zhì)材料在壓縮變形為10%時(shí)的數(shù)據(jù)，而軟質(zhì)材料在經(jīng)過1個(gè)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(dāng)載荷為80 kPa時(shí)，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(xué)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(qiáng)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(yàn)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(jìn)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(dāng)大，這與前面測試的壓縮性能結(jié)果是相符的。

圖3 試驗(yàn)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(shí)間的導(dǎo)熱系數(shù)測定值。從表4可見，隨著浸水時(shí)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(yàn)結(jié)果

表4 不同浸泡時(shí)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(yàn)結(jié)果的進(jìn)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(jìn)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(jìn)有重要的現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(huì)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(huì)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(yàn)測定上和存在一定的困難，本文中暫時(shí)不考慮這個(gè)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(yùn)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(gè)參數(shù)，可以對運(yùn)行過程中保溫效果的衰減進(jìn)行評價(jià)，抗衰減系數(shù)越大，在運(yùn)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(gè)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(yùn)行的相對保溫效果。試驗(yàn)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(yùn)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(qiáng)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(yàn)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(shí)際保溫性能不佳。另外力學(xué)性能也不能滿足設(shè)計(jì)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(yàn)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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