聚苯板和聚氨酯板渠道保溫防凍脹效果及經(jīng)濟(jì)性分析

趙彥琳， 吉 曄， 張 宏 ， 張宇峰 ， 沈瑩瑩

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.中國灌溉排水發(fā)展中心， 北京 100054)

1 研究背景

節(jié)水工程技術(shù)中，渠道的襯砌防滲對減少渠道的滲漏損失有顯著效果[1]。渠道剛性襯砌在季節(jié)性凍土地區(qū)發(fā)生凍脹破壞的現(xiàn)象十分普遍，同時灌區(qū)效益低下、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、運(yùn)營管理困難等一系列渠道工程運(yùn)行中的問題亟待解決[2-4]。在渠道剛性襯砌下鋪設(shè)隔熱材料層，可以對渠基土起到較好的保溫效果，以防止渠道凍脹破壞[5]。在對渠道防凍脹材料研究中，曹永智等[6]結(jié)合怡鐵干渠的防凍脹應(yīng)用，總結(jié)了聚苯板的性能指標(biāo)和選取方法；邢義川[7]研發(fā)了用于渠道保溫防滲的新型卷材(SDM)，比傳統(tǒng)保溫材料施工方便且效果更好；宋玲等[8]對渠道保溫材料的防凍脹功能、防滲性和耐久性等性能提出了針對性的要求；程滿金等[9]結(jié)合工程試驗(yàn)，總結(jié)分析了渠道不同試驗(yàn)部位、不同試驗(yàn)條件下凍脹參數(shù)的變化規(guī)律和聚苯板的合理厚度；何武全等[10]提出了一種能滿足渠道防凍脹要求的復(fù)合型聚氨脂保溫板材，試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好；郭靖等[11]采用ANSYS計(jì)算軟件，模擬分析了不同厚度的聚乙烯苯板對渠系建筑物的溫度場、位移場的影響。聚苯乙烯泡沫保溫板(簡稱聚苯板)和硬質(zhì)聚氨酯保溫板(簡稱聚氨酯板)是目前工程中兩種主要的保溫板材，具有易于施工、輕質(zhì)高強(qiáng)、絕熱性能優(yōu)越等特點(diǎn)[12]。

當(dāng)前針對聚苯板和聚氨脂板在渠道保溫防凍脹效果比較和經(jīng)濟(jì)性分析方面的研究較少。本文結(jié)合

黑龍江蛤蟆通灌區(qū)試驗(yàn)資料，對聚苯板和聚氨酯板的保溫性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了比較分析，可為兩種材料在防凍脹應(yīng)用中的推廣起到指導(dǎo)作用。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)渠道基本情況

在位于黑龍江省寶清縣的蛤蟆通灌區(qū)總干渠(2+498～2+598 m)，進(jìn)行了聚苯板和聚氨脂板保溫防凍脹效果對比試驗(yàn)。當(dāng)?shù)貙儆谥袦丶撅L(fēng)氣候，主要?dú)庀髤?shù)見表1。

表1 蛤蟆通灌區(qū)主要?dú)庀髤?shù)

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)灌區(qū)的特點(diǎn)，試驗(yàn)渠道采用保溫防凍脹結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示[13]。設(shè)計(jì)了4種方案來比較兩種材料的隔熱保溫效果，各試驗(yàn)方案渠道保溫板鋪設(shè)方式見表2。兩種渠道保溫材料的物理力學(xué)性能參數(shù)見表3。

圖1 渠道防滲保溫防凍脹結(jié)構(gòu)型式

試驗(yàn)方案預(yù)制混凝土板/cm砂漿過渡層/cm聚乙烯塑料膜/mm試驗(yàn)段長度/cm保溫材料及厚度方案1(對比段)1030.320無方案21030.315聚氨酯板4cm方案31030.315聚苯板8cm方案41030.315聚苯板10cm

表3 兩種渠道保溫材料的物理力學(xué)性能參數(shù)

2.3 觀測內(nèi)容及方法

地溫試驗(yàn)觀測點(diǎn)分別布設(shè)于每個試驗(yàn)段的陰坡(西坡)、陽坡(東坡)的1/3、2/3處，觀測埋深分別為10 cm(保溫板上表面)、30 cm(保溫板下表面)及50 cm地層深度，使用鉑電陰傳感器采集不同保溫板鋪設(shè)方案下的基土地溫?cái)?shù)據(jù)(13 min/次)；凍脹量觀測采用水準(zhǔn)儀測量，每10 d測量一次觀測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的高差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同方案地溫變化特征分析

渠基土的凍脹過程與外界負(fù)氣溫的極值和持續(xù)時間直接相關(guān)。將渠坡1/3和2/3位置和相應(yīng)位置處30及50 cm地下深度的地溫，結(jié)合各試驗(yàn)方案編組描繪地溫變化過程線，可直觀地對比出在相同條件下不同方案渠基土的凍結(jié)時間、凍結(jié)歷時和保溫效果(圖2)。

圖2 2015-10-01-2016-05-01各試驗(yàn)方案地溫極值過程線

方案1(對比段)未布設(shè)保溫板，地溫變化受外界氣溫的直接影響，溫度波動劇烈，與氣溫值相近且渠基土發(fā)生了嚴(yán)重的凍脹破壞；采用了保溫措施的2～4方案，其地溫過程線與外溫變化過程顯著分離，在漫長的凍結(jié)期內(nèi)，地溫變化平緩，且基本處于0度線附近及以上，相較對比段，防凍脹效果十分明顯；在保溫板厚度相同的情況下，受日照遮陰和地下水位埋深影響，西坡(陰坡)比東坡(陽坡)溫度偏低，渠坡2/3處比1/3處溫度相對較低。

對于各保溫方案，50 cm埋深處均未出現(xiàn)負(fù)溫；30 cm埋深處，方案2和方案3東坡(陽坡)未出現(xiàn)負(fù)溫，保溫效果良好，西坡(陰坡)相對東坡平均溫度較低，出現(xiàn)了輕微的短期凍結(jié)，但尚在允許的凍脹位移范圍內(nèi)，不至于發(fā)生破壞；方案2(4 cm聚氨酯板)和方案3(8 cm聚苯板)地溫過程線基本重合，說明這兩種方案雖選用了不同的保溫材料，卻獲得了相近的保溫效果，且從數(shù)值上可初步得出，同樣的防凍脹要求下，聚氨脂板的選用厚度約為聚苯板厚度的1/2；方案4選用了較厚的10 cm聚苯板，在整個觀測周期內(nèi)并未出現(xiàn)負(fù)溫，保溫效果良好，也可和方案3的布設(shè)厚度形成規(guī)律性對比和相互驗(yàn)證。

由以上分析可以得到，允許一定范圍的凍脹前提下，在蛤蟆通灌區(qū)及其相近地區(qū)，結(jié)合陰、陽坡和渠底的不同防凍脹要求，選用8～10 cm厚的聚苯板或不小于4 cm厚的聚氨脂板，可以滿足渠道保防凍脹工程中經(jīng)濟(jì)和安全和需要。

3.2 不同方案凍脹量變化特征分析

對比段西坡的最大凍脹位移和融通后的殘余凍脹位移量分別為14.3和10.1 cm，東坡凍脹量分別為9.9和3.7 cm，發(fā)生了嚴(yán)重的凍脹破壞；東坡的含水量低于西坡也是造成東坡凍脹量小于西坡的重要影響因素之一。采用了保溫措施的渠段(方案2～4)渠坡凍脹量明顯小于對比段，且方案2～4的最大凍脹量隨保溫效果的增強(qiáng)呈遞減趨勢，其中方案2(4 cm聚氨酯板)凍脹量略大于方案3(8 cm聚苯板)，方案4(10 cm聚苯板)融通后最大凍脹量只有0.6 cm，保溫效果良好(表4)。

對不同方案凍脹量變化的特征分析可以得到，8 cm聚苯板的保溫防凍脹效果基本與4cm聚氨酯板的的保溫防凍脹效果相當(dāng)；渠道凍脹量的主要影響因素為渠基土凍前含水量和凍結(jié)過程中的水分遷移；若能采取有效措施降低渠基土含水量，減弱或阻止水分在凍結(jié)期發(fā)生遷移，即可有效提高渠道保溫防凍脹效果[14-15]。

表4 最大凍脹量統(tǒng)計(jì)表 cm

3.3 不同保溫方案的經(jīng)濟(jì)性分析

為了便于進(jìn)行相同條件下的投資分析比較，試驗(yàn)工程渠道，渠底采用與渠坡相同的防滲襯砌結(jié)構(gòu)型式(圖1)，以此分別計(jì)算各方案的投資進(jìn)行比較(表5)。

表5 防凍脹襯砌渠道投資分析表

根據(jù)試驗(yàn)工程的經(jīng)濟(jì)分析可知，方案1(無保溫) 單位面積投資為144.30元/m2，方案2、方案3、方案4的單位面積投資分別為189.11、184.92、202.06元/m2，與方案1相比，每平方米投資分別增加了31.06%、28.15%、40.02%。通過對地溫和凍脹量的特征分析，4 cm厚的聚氨脂保溫板和8 cm厚的聚苯板保溫效果接近，但單位面積的投資分別為189.11和184.92元/m2，聚氨脂板略高。因此，聚氨脂保溫板和聚苯板雖在材料的適用范圍和應(yīng)用技術(shù)條件上要求相同，但價格較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

4 結(jié) 論

(1)無保溫措施的防滲襯砌渠道，凍結(jié)期渠基土溫度隨外溫的變化波動劇烈，負(fù)溫極值與氣溫接近且發(fā)生了嚴(yán)重的凍脹破壞。將保溫層與渠道剛性襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)合起來是削減渠基凍脹的有效措施。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，4 cm厚的聚氨脂板在保溫效果上與8 cm厚的聚苯板相當(dāng)，且在蛤蟆通灌區(qū)及其相似地區(qū)，結(jié)合陰、陽坡和渠底的不同防凍脹要求，選用厚度8～10 cm的聚苯板或不小于4 cm的聚氨脂板，可以滿足渠道保防凍脹工程中經(jīng)濟(jì)和安全的需要。

(3)進(jìn)行相同防滲襯砌結(jié)構(gòu)型式條件下的投資分析比較，方案2、方案3、方案4與方案1(對比段)相比，單位面積投資分別增加了31.06%、28.15%、40.02%。在實(shí)際應(yīng)用中，聚氨脂板和聚苯板的技術(shù)要求相近，但聚氨脂板造價相對較高，可根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)查選用。