劉宗韓， 韓風(fēng)雷, *， 李家正， 黃 勇， 張學(xué)富， 耿永奇

(1. 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室， 重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 3. 新疆交通建設(shè)集團股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830016)

0 引言

寒區(qū)隧道常遭遇襯砌開裂、滲漏水及掛冰、路面冒水結(jié)冰等凍害問題[1-2]，嚴重時洞周會出現(xiàn)剝落掉塊，威脅行車安全[3]。為了防止凍害發(fā)生，常在襯砌結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)保溫材料來減小隧道施工或貫通后外界氣溫對圍巖原始溫度場的擾動[4-5]。有機保溫材料因其容重小、保溫性能好、可加工性能好等優(yōu)點常在寒區(qū)隧道中被使用，且公路隧道常采用表面敷設(shè)形式，鐵路隧道設(shè)置在初期支護與二次襯砌之間。當隧道防水層破損或襯砌滲漏水時，保溫材料會受到地下水的浸泡以及氣溫引起的凍融作用。認識自然浸水-凍融條件下有機保溫材料物理性能及劣化規(guī)律，對寒區(qū)隧道運營具有極其重要的工程意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于寒區(qū)隧道保溫材料設(shè)計參數(shù)及其性能展開了大量研究。在設(shè)計參數(shù)方面： 張學(xué)富等[6]根據(jù)帶相變瞬態(tài)溫度場的熱平衡控制微分方程，針對青藏鐵路隧道研究了不同保溫材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)下隧道圍巖溫度場變化，并分析了保溫效果；姚紅志等[7]基于數(shù)值模擬分析了不同保溫隔熱層鋪設(shè)方式下的寒區(qū)隧道溫度場變化，并利用模糊綜合評價方法對比了常見的幾種保溫材料； Zhou等[8]依托大阪山隧道實例，研究了保溫層參數(shù)在季節(jié)性凍土隧道中使用的合理性和經(jīng)濟效益，并建立保溫層參數(shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型； 白赟等[9]通過數(shù)值模擬研究了對流-導(dǎo)熱作用下寒區(qū)隧道保溫層效果，提出了施工條件允許時建議采用外貼式保溫隔熱； 張玉偉等[10]基于實測溫度數(shù)據(jù)，運用Stephen公式推導(dǎo)圍巖最大凍結(jié)深度，并采用等效厚度法得出不同型式保溫層厚度計算公式。在物理力學(xué)性能方面： 湯貴海等[11]考慮寒區(qū)隧道保溫材料層間敷設(shè)方式，分析了聚氨酯保溫板的擠壓浸水凍融特性，得出擠壓、浸水、凍融環(huán)境會降低保溫材料的耐久性； 汪恩良等[12]以XPS板為研究對象，分析了凍融循環(huán)前后材料吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變之間的變化規(guī)律； Li等[13]基于室內(nèi)試驗研究了聚酚醛和聚氨酯保溫材料的等溫吸濕曲線，測試了2種含水保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律，并分析了孔隙結(jié)構(gòu)微觀形貌； 楊金龍等[14]基于室內(nèi)試驗研究了含水率對HS板、EPS板、GW板導(dǎo)熱系數(shù)的影響，得出導(dǎo)熱系數(shù)和含水率的關(guān)系； 趙波等[15]對比分析了6種常見發(fā)泡保溫材料，得出XPS和EPS都具有長期保溫效果，且在力學(xué)性能方面更具有優(yōu)勢。

采用表面或離壁敷設(shè)時，襯砌滲漏水使保溫材料貼合面受地下水浸泡或隧道洞口空氣濕度高，保溫材料會處于自然浸水-凍融循環(huán)的耦合環(huán)境中?，F(xiàn)有研究主要集中在寒區(qū)隧道保溫材料設(shè)計參數(shù)及物理性能方面，并未系統(tǒng)研究不同有機保溫材料的物理參數(shù)之間關(guān)系和劣化規(guī)律。本文選擇寒區(qū)隧道中常用的聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯3種有機保溫材料，通過室內(nèi)試驗研究在自然浸水、凍融條件下保溫材料物理性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化，并基于凍融循環(huán)過程中材料參數(shù)變化對比其劣化速率。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗材料為聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯保溫板，將3種材料的保溫板統(tǒng)一切割為100 mm×100 mm×50 mm的長方體試件。3種保溫材料試件照片如圖1所示。3種保溫材料性能指標如表1所示。

(a) 聚酚醛(b) 聚氨酯(c) 聚苯乙烯圖1 3種保溫材料試件照片F(xiàn)ig. 1 Photographs of three thermal insulation materials

表1 3種保溫材料性能指標Table 1 Performance indices of three thermal insulation materials

1.2 試驗儀器

1)DRE-Ⅲ型多功能快速導(dǎo)熱儀。用于測試試件的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)測定范圍為0.000 1～100 W/(m·K)。該儀器可以對金屬、泡沫塑料、混凝土以及粉末、液體等各向異性材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行測量。

2)XT5438-TC80-R50型高低溫試驗箱。用于實現(xiàn)試件的凍融循環(huán)過程，溫度范圍為-50～+50 ℃，溫度波動在±0.5 ℃，有效容積為80 L。

3)ETM-C型微機控制電子萬能試驗機。用于測試試件的壓縮強度，容量為50 kN，精度等級為0.5級，有效測力范圍為0.4%～100%。

4)SEM掃描電鏡ZEISS Sigma 3001。用于分析材料微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)備15 kV對應(yīng)分解率為1.0 nm；1 kV對應(yīng)分辨率為1.6 nm；最大掃描速度為50 ns/pixel；放大倍率為10～1 000 000 x；圖像存儲分辨率為32 k×24 k；樣品倉尺寸為365 mm×75 mm。

5)101-3B型烘干箱。用于烘干試件的自身水分，工作溫度為300 ℃，容積為50 cm×60 cm×75 cm。

6)材料。切割機、游標卡尺、電子天平、保鮮膜、凡士林等。

1.3 試驗方法

試驗方法分為： 自然浸水、凍融條件浸水、導(dǎo)熱系數(shù)測定、單軸壓縮測定試驗、微觀掃描等。依據(jù)QB/T 5168—2017《硬質(zhì)泡沫塑料 凍融循環(huán)試驗方法》、GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測定》。由于新材料本身具有一定的含水量，將統(tǒng)一尺寸的試件放入烘箱烘干，直到用電子天平測量試件質(zhì)量不發(fā)生變化，記錄初始質(zhì)量。考慮隧道采用表面或離壁敷設(shè)，浸水時保溫材料基本處于單面吸水狀態(tài)，試件僅留一個吸水面，其余面涂抹凡士林并用保鮮膜包裹，保證材料單面吸水。

1.3.1 吸水試驗

1)自然浸水。將處理好的試件底面與水面貼合，自來水溫度控制為20 ℃，由于3種材料吸水速度存在差異，對于聚酚醛和聚苯乙烯材料每隔4 h記錄1次試件質(zhì)量，對于聚氨酯材料每隔2 h記錄1次試件質(zhì)量。測試前需要將底面多余水分吸干，每種材料同時測試3組試件，記錄每組數(shù)據(jù)并求平均值。

2)凍融循環(huán)條件下浸水。凍融循環(huán)方式采用快凍，將飽和吸水試件放入封口試件袋，同時將3組試件放進XT5438-TC80-R50高低溫試驗箱。設(shè)置溫度為-20 ℃/20 ℃，溫度分別持續(xù)時間為1 h，溫度變化過程控制為1 h，凍結(jié)-融化時間為2 h一個循環(huán)。每5個循環(huán)結(jié)束后將試件分別進行自然浸水，導(dǎo)熱系數(shù)測定，單軸壓縮試驗，其中質(zhì)量吸水率計算如式(1)所示。

(1)

式中：W為試件的質(zhì)量吸水率，%；M1為試件吸水后的質(zhì)量(含保鮮膜、凡士林、膠帶)，g；M0為試件烘干后的質(zhì)量(含保鮮膜、凡士林、膠帶)，g；M為試件烘干后沒有包裹的質(zhì)量(僅為材料本身的質(zhì)量)，g。

1.3.2 物理力學(xué)參數(shù)與微觀測試

依據(jù)GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 熱流計法》，使用DRE-Ⅲ多功能快速導(dǎo)熱儀測定試件導(dǎo)熱系數(shù)，基于瞬態(tài)平面熱源法，分別測定凍結(jié)和融化情況下試件的導(dǎo)熱系數(shù)。依據(jù)GB/T 8813—2020《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》，使用ETM-C微機控制電子萬能試驗機對試件垂直施加壓力，加載速度為5 mm/min，以試件變形10%及以內(nèi)取壓縮強度。最后，將相同試驗條件下的有機保溫材料進行切片處理，并采用SEM掃描電鏡對切片進行掃描，觀察微觀結(jié)構(gòu)的變化。部分試驗現(xiàn)場如圖2所示。

(a) 試件凍融及烘干

(b) 試件壓縮及導(dǎo)熱系數(shù)測定圖2 部分試驗現(xiàn)場Fig. 2 Part of test site

2 試驗結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量吸水率

2.1.1 自然浸水條件下材料質(zhì)量吸水率

吸水率是保溫材料耐久性的一個重要技術(shù)指標，其增大會導(dǎo)致保溫材料的保溫性能降低。這是因為常溫常壓條件下水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/(m·K)，但空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K)，對于擁有氣泡的保溫材料而言，吸水率提高之后，保溫材料中的空氣被水代替從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增大。

每種保溫材料取3組試件，并記錄不同試件質(zhì)量在自然浸水條件下的質(zhì)量吸水率。3種保溫材料質(zhì)量吸水率隨吸水時間變化的關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯?1)材料吸水變化幅度可分為快速吸水(階段Ⅰ)—緩慢吸水(階段Ⅱ)—穩(wěn)定飽和(階段Ⅲ)3個階段； 2)聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯分別在浸水時間為32、8、6 h時，平均質(zhì)量吸水率快速達到18.88%、6.34%、16.31%； 3)聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯分別在浸水時間為192、46、50 h時，平均質(zhì)量吸水率緩慢達到44.27%、12.02%、36.67%； 4)隨后，3種保溫材料平均質(zhì)量吸水率趨于穩(wěn)定，達到上限，最終平均質(zhì)量吸水率穩(wěn)定為44.82%、12.16%、36.80%。

(a) 聚酚醛材料

(b) 聚氨酯材料

(c) 聚苯乙烯材料圖3 質(zhì)量吸水率和時間關(guān)系Fig. 3 Relationship between mass water absorption and time

對比3種保溫材料，吸水時間方面： 聚酚醛>聚苯乙烯>聚氨酯；質(zhì)量吸水率方面： 聚酚醛>聚苯乙烯>聚氨酯。這是因為聚酚醛材料相對于其他材料表面更密實，吸水速率更慢。聚氨酯和聚苯乙烯材料表面孔隙更明顯，吸水速率更快。

2.1.2 凍融循環(huán)條件下材料質(zhì)量吸水率

凍融循環(huán)條件下質(zhì)量吸水率變化如圖4所示。可以看出： 1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，保溫材料質(zhì)量吸水率基本呈線性增加； 2)經(jīng)過50次凍融循環(huán)之后，聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯平均質(zhì)量吸水率分別為62.66%、23.33%、67.50%，較未凍融時分別增大了18.84%、11.17%、30.70%。

圖4 凍融循環(huán)條件下質(zhì)量吸水率變化Fig. 4 Variation of mass water absorption under freeze-thaw cycles

3種材料的質(zhì)量吸水率與凍融循環(huán)次數(shù)擬合關(guān)系式分別如下：y=0.363 3x+45.147；y=0.222 3x+12.142；y=0.658 4x+34.119?；谫|(zhì)量吸水率的劣化速率大小順序為聚苯乙烯>聚酚醛>聚氨酯，這說明聚苯乙烯孔隙結(jié)構(gòu)更容易受凍融循環(huán)影響，導(dǎo)致孔隙吸水量更大；但聚酚醛和聚氨酯材料相對影響較小，至于其孔隙形態(tài)及變化原因還需進一步的微觀結(jié)構(gòu)分析。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)的關(guān)系

導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯觯?1)在試件每次融化-凍結(jié)時，分別測試含水(融化情況)和含冰(凍結(jié)情況)2種情況的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系都呈線性增加。2)經(jīng)過50次凍融循環(huán)之后，聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)較未凍融循環(huán)時均發(fā)生不同程度增大，融化條件時分別由0.032 8、0.032 5、0.029 1 W/(m·K)增加至0.035 0、0.042 4、0.034 4 W/(m·K)；凍結(jié)條件時分別由0.044 1、0.036 8、0.033 4 W/(m·K)增加至0.047 3、0.048 2、0.055 4 W/(m·K)。3)未凍融時導(dǎo)熱系數(shù)聚酚醛>聚氨酯>聚苯乙烯。4)50次凍融循環(huán)之后，導(dǎo)熱系數(shù)聚氨酯>聚酚醛>聚苯乙烯(融化情況)；導(dǎo)熱系數(shù)聚苯乙烯>聚氨酯>聚酚醛(凍結(jié)情況)。

(a) 聚酚醛材料

(b) 聚氨酯材料

(c) 聚苯乙烯材料圖5 導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig. 5 Relationship between thermal conductivity and freeze-thaw cycles

3種材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式分別如下： 凍結(jié)情況下，y=7×10-5x+0.044 1、y=0.000 2x+0.037 2、y=0.000 3x+0.034 4；融化情況下，y=4×10-5x+0.032 9、y=0.000 2x+0.032 7、y=0.000 1x+0.029 6。說明聚酚醛和聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)變化速率在凍結(jié)情況和融化情況基本相同，但是聚苯乙烯在凍結(jié)情況下導(dǎo)熱系數(shù)變化遠大于融化情況。因此，基于導(dǎo)熱系數(shù)的劣化速率大小順序如下： 聚氨酯>聚苯乙烯>聚酚醛(融化情況)；聚苯乙烯>聚氨酯>聚酚醛(凍結(jié)情況)。

2.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水/含冰率的關(guān)系

保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的改變主要是因為其含水量發(fā)生了變化。試驗發(fā)現(xiàn)，50次凍融循環(huán)之后，飽和質(zhì)量吸水率下的保溫材料均處于完全凍結(jié)狀態(tài)，質(zhì)量吸水/含冰率相同。導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水/含冰率關(guān)系如圖6所示。可以看出： 1)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水/含冰率關(guān)系同樣呈線性增加，其變化規(guī)律與凍融循環(huán)關(guān)系相同； 2)聚酚醛和聚苯乙烯導(dǎo)熱系數(shù)隨質(zhì)量吸水率變化幅度基本相同，但聚氨酯變化幅度較其他2種材料都大，這與圖3結(jié)論類似，說明凍融循環(huán)對保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要是材料含水量的影響，但是結(jié)冰情況下會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度發(fā)生變化。

(a) 聚酚醛材料

(b) 聚氨酯材料

(c) 聚苯乙烯材料圖6 導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水/含冰率關(guān)系Fig. 6 Relationship between thermal conductivity and mass water absorption/ice content

2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型

綜上所述，有機保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水率、凍融循環(huán)次數(shù)均呈線性關(guān)系。將變量進行無量綱化，預(yù)測三者之間的關(guān)系模型如式(2)所示。

λ=aW+bN+c。

(2)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；W為質(zhì)量吸水/含冰率；N為凍融循環(huán)次數(shù)；a、b、c為常系數(shù)。

得出聚酚醛預(yù)測模型如下：λ=4.391 5×10-5W+2.506 3×10-5N+0.030 9，R2=0.990 3(融化)；λ=-6.032 6×10-5W+8.693 3×10-5N+0.046 9，R2=0.979 1(凍結(jié))。

以聚酚醛為例，其導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水率、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系殘差如圖7所示。數(shù)據(jù)殘差基本分布在-0.000 1～0.000 1。同理可得，聚氨酯預(yù)測模型如下：λ=-4.519×10-4W+2.934 6×10-4N+0.038 2，R2=0.996 4(融化)；λ=-4.301 3×10-4W+3.256 2×10-4N+0.042 4，R2=0.990 6(凍結(jié))。聚苯乙烯預(yù)測模型如下：λ=-1.915 9×10-4W+2.265 9×10-4N+0.036 2，R2=0.993 9(融化)；λ=2.667 3×10-5W+4.130 3×10-4N+0.036 2，R2=0.997 4(凍結(jié))。相關(guān)系數(shù)均基本大于0.99，說明模型較可靠。

(a) 導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

(b) 導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量吸水率的關(guān)系圖7 聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型殘差關(guān)系Fig. 7 Residual relationship of thermal conductivity prediction model of polyurethane

2.3 壓縮強度及微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 凍融循環(huán)條件下材料壓縮強度

使用每次凍融循環(huán)后融化條件下的試件進行單軸壓縮試驗，凍融循環(huán)條件下3種保溫材料的壓縮強度變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯?1)保溫材料的壓縮強度隨凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系呈線性降低； 2)經(jīng)過50次凍融循環(huán)之后，聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯的壓縮強度分別由0.138、0.476、0.230 MPa降低至0.130、0.412、0.193 MPa； 3)材料壓縮強度的大小為聚氨酯>聚苯乙烯>聚酚醛。

圖8 凍融循環(huán)條件下壓縮強度變化Fig. 8 Variation of compression strength under freeze-thaw cycles

3種材料壓縮強度和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系分別如下：y=-0.001 2x+0.477；y=-0.000 2x+0.137 7；y=-0.000 8x+0.232 8?；趬嚎s強度的劣化速率大小順序為聚氨酯>聚苯乙烯>聚酚醛。材料的壓縮強度主要決定于材料骨架的強度，這說明聚氨酯材料的骨架強度遠大于其他2種材料，但是對凍融循環(huán)更加敏感。

2.3.2 保溫材料微觀結(jié)構(gòu)

對有機保溫材料切片進行電鏡掃描有利于觀察浸水凍融前后材料的形態(tài)、骨架、氣泡破損前后的變化。浸水-凍融后試樣切片掃描如圖9所示?？梢钥闯觯?3種有機保溫材料在形態(tài)上均呈現(xiàn)為圓形-多邊形，聚氨酯材料氣泡在未浸水時容易呈較不飽和形態(tài)，聚苯乙烯材料氣泡孔徑更大，聚酚醛材料易產(chǎn)生破孔。這說明材料浸水-凍融循環(huán)后，氣泡會先處于飽水狀態(tài)，之后水分會發(fā)生凍脹，氣泡破壞比例增大，相應(yīng)的質(zhì)量吸水率也會發(fā)生變化，骨架的強度也降低，這也是材料質(zhì)量吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮強度的變化的原因。在實際工程中，保溫材料會重復(fù)經(jīng)歷浸水-凍融往復(fù)循環(huán)，從而導(dǎo)致有機保溫材料劣化，不利于工程的長時間應(yīng)用。

(a) 聚氨酯(未凍融)(b) 聚氨酯(50次凍融)

(c) 聚酚醛(未凍融)(d) 聚酚醛(50次凍融)

(e) 聚苯乙烯(未凍融)(f) 聚苯乙烯(50次凍融)圖9 浸水-凍融后試樣切片掃描圖Fig. 9 Scanning image of sample section after immersion and freeze-thaw

2.4 物理性能與劣化速率對比

對于寒區(qū)隧道保溫材料而言，無論是采用哪種敷設(shè)方式，導(dǎo)熱系數(shù)都是最重要的參數(shù)，同時吸水率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素，在鋪設(shè)中需要重點考慮。其中，在采用雙層或夾層敷設(shè)時，需要考慮保溫材料一定的壓縮強度，但不作為主要的受荷結(jié)構(gòu)。3種保溫材料性能對比如表2所示?？梢钥闯觯?1)對比各項物理參數(shù)數(shù)值，聚氨酯質(zhì)量吸水率在凍融循環(huán)前后均低于其他2種材料，聚苯乙烯質(zhì)量吸水率較聚酚醛更容易受凍融影響； 2)聚苯乙烯處于融化狀態(tài)時其導(dǎo)熱系數(shù)均低于其他材料，但凍結(jié)時會出現(xiàn)明顯增長； 3)壓縮強度的排序在凍融前后沒有發(fā)生變化，說明壓縮強度受凍融的影響較小，聚氨酯材料壓縮強度遠大于其他2種材料； 4)結(jié)合材料物理性能及劣化速率分析，聚苯乙烯導(dǎo)熱系數(shù)基本處于最低狀態(tài)且防火等級較高，但是凍結(jié)時導(dǎo)熱系數(shù)增長較快，劣化速率較快； 5)聚氨酯材料抗壓強度要遠大于其他材料，且吸水率較低，導(dǎo)熱系數(shù)同樣受凍融影響較大； 6)聚酚醛在凍融循環(huán)條件下3種參數(shù)變化基本較小，最不易劣化，但數(shù)值上無明顯優(yōu)勢。

表2 3種材料性能對比Table 2 Comparison of performance among three materials

綜上所述，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮保溫材料物理及劣化特性，對于寒區(qū)隧道不同環(huán)境和應(yīng)用需求下進行優(yōu)選，確保材料的防凍保溫效果。同時，保溫材料劣化的主要誘發(fā)因素是其處于浸水環(huán)境下，在工程實踐中應(yīng)做好寒區(qū)隧道的防排水措施，并對保溫層進行防水涂層處理或加鋪防水層防水，避免保溫材料劣化，影響其防凍保溫效果。

3 結(jié)論與討論

本文以聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯3種有機保溫材料為研究對象，基于室內(nèi)試驗研究了保溫材料在自然浸水-凍融條件下物理性能和微觀結(jié)構(gòu)變化，并對比其劣化速率。得出以下結(jié)論：

1)各材料在吸水過程中均會經(jīng)歷快速—平緩—穩(wěn)定3個階段，質(zhì)量吸水率分別在192、46、50 h開始穩(wěn)定，最終為44.27%、12.02%、36.67%。聚苯乙烯吸水變化速率最大；50次凍融循環(huán)后，聚苯乙烯質(zhì)量吸水率最高，為67.50%。

2)未凍融時，聚苯乙烯導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.029 1 W/(m·K)；在50次凍融循環(huán)之后，融化狀態(tài)的聚苯乙烯和凍結(jié)狀態(tài)的聚酚醛最低，分別為0.034 4、0.047 3 W/(m·K)，聚苯乙烯(凍結(jié))及聚氨酯(融化)受凍融循環(huán)影響最大。3種材料導(dǎo)熱系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量吸水/含冰率關(guān)系可預(yù)測為二元線性模型，相關(guān)系數(shù)基本大于0.99。

3)各材料壓縮強度與凍融循環(huán)次數(shù)均呈線性關(guān)系。聚氨酯壓縮強度劣化快，但遠大于其他2種材料，由常溫的0.476 MPa降低至凍融循環(huán)50次后的0.412 MPa。材料隔熱性能的劣化主要受材料氣泡形態(tài)、孔徑大小和氣孔開裂的影響。

4)工程應(yīng)用上，聚苯乙烯導(dǎo)熱系數(shù)基本處于最低，但凍結(jié)時導(dǎo)熱系數(shù)增長較快，更容易劣化。凍融循環(huán)過程中，聚氨酯抗壓強度最大、吸水率最低。聚酚醛各項參數(shù)最不易劣化，但整體數(shù)值上較低。為防止保溫材料劣化，應(yīng)優(yōu)化防排水設(shè)計或進行保溫材料防水涂層處理，從而避免其處于浸水環(huán)境。

本文主要研究了自然浸水和凍融循環(huán)環(huán)境下有機保溫材料的劣化特性，可為寒區(qū)隧道防凍設(shè)計提供試驗依據(jù)。當寒區(qū)隧道采用雙層或夾層鋪設(shè)方式時，保溫材料會受到襯砌壓力或孔隙水壓力作用，其微觀氣泡形態(tài)會發(fā)生變化，影響其毛細吸水作用。同時在壓縮下材質(zhì)本身的變形也會導(dǎo)致吸水率發(fā)生變化，從而影響材料的熱物理特性。下一步還需要深入分析保溫材料在壓密過程中其物理力學(xué)參數(shù)變化，同時基于浸水-凍融環(huán)境開展寒區(qū)隧道保溫材料防凍害效果預(yù)測分析。