循環(huán)凍融下寒區(qū)工程常用保溫材料性能變化試驗研究

李凌潔， 穆彥虎， 明 鋒， 朱小明， 張 坤， 龐小沖

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000； 2.中國科學院大學，北京100049；3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州730000； 4.西北民族大學土木工程學院，甘肅蘭州730124）

0 引言

在廣袤的寒區(qū)，保溫材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括各類交通基礎(chǔ)設(shè)施、房屋建筑、工程建筑和市政/能源管道。對于路基、機場跑道、隧道和邊坡等交通基礎(chǔ)設(shè)施，保溫材料的應(yīng)用能減緩地基土體或結(jié)構(gòu)物與外界環(huán)境的熱量交換過程，進而減輕或消除由地基土體或建筑材料經(jīng)歷季節(jié)凍融而引發(fā)的結(jié)構(gòu)物凍害問題［1-4］。對于房屋和工業(yè)建筑，敷設(shè)在建筑外層的保溫材料或結(jié)構(gòu)不僅可以防治結(jié)構(gòu)物的凍害，而且能夠緩解供熱壓力和減少空調(diào)的使用，從而達到改善室內(nèi)環(huán)境、降低建筑能耗和節(jié)能減排的目的［5-6］。對于市政管道和長距離油氣管道，敷設(shè)保溫材料不僅能夠減緩管道與周圍環(huán)境的熱量交換，降低管道沿程熱量損失，而且有助于確保管道系統(tǒng)的長期安全運營［7-9］。因此，從節(jié)約能源、降低建筑能耗和延長建筑物使用壽命的角度出發(fā)，在寒區(qū)工程中大規(guī)模地使用保溫材料對于寒區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

保溫材料的種類多樣，一般是由固體基質(zhì)材料骨架和蜂窩狀的閉孔結(jié)構(gòu)孔隙組成的，通過基質(zhì)材料的低熱導性以及控制內(nèi)部熱傳導路徑和限制孔隙內(nèi)對流換熱的方式達到減緩熱量傳導的目的［10］。按照材料成分，目前常用的保溫材料可劃分為有機和無機兩大類，另外，近年來由氣凝膠、真空絕熱板、相變材料或廢棄物材料等制成的新型保溫材料和結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速［5，11］。在不同應(yīng)用場景中，當保溫材料面臨輻射發(fā)熱、凍融、干濕和鹽蝕等多場耦合的循環(huán)作用時，其保溫、防火、防水和強度等物理力學性能會出現(xiàn)不同程度的退化，這將影響其長期使用效果和壽命［12］。凍融循環(huán)作為寒區(qū)一種典型環(huán)境荷載作用，可造成土體和混凝土等建筑材料物理力學性質(zhì)的顯著退化［13-15］。對于保溫材料而言，循環(huán)凍融作用可引發(fā)其內(nèi)部閉孔結(jié)構(gòu)破裂和固體骨架斷裂，隨著凍融作用次數(shù)的增加，先前形成的結(jié)構(gòu)缺陷會進一步加劇這一凍融損傷過程，進而影響到其吸水率、保溫和力學性能的變化。近年來，隨著寒區(qū)保溫材料的大規(guī)模應(yīng)用，保溫材料的凍融耐久性問題日益突出。

針對循環(huán)凍融作用下保溫材料的耐久性問題，國內(nèi)外學者開展了大量的室內(nèi)試驗研究。在物理性質(zhì)方面，主要集中在表觀密度和吸水率兩方面。表觀密度是影響同種材質(zhì)保溫材料導熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，但兩者之間并非簡單的線性關(guān)系，存在一個最佳或界限密度，這個密度對應(yīng)的導熱系數(shù)最?。?6-17］。吸水率是保溫材料的另一個重要的物理性質(zhì)，一般而言其與保溫材料的保溫和力學性能成反比。已有研究表明，經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)越多，保溫材料的吸水率越高，吸收水分的速度也越快［18］，但是不同的凍融循環(huán)方式對保溫材料吸水率的影響程度不一［19-20］。同時，當水中含有一定濃度的鹽分時，其吸水率受凍融循環(huán)的影響也不同于純水參與凍融循環(huán)和干燥凍融循環(huán)的影響［21］。凍融循環(huán)作用對保溫材料保溫性能的影響研究主要是針對導熱系數(shù)展開的，然而由于試驗方法和材料類型存在差異導致了試驗結(jié)果差異顯著。Andersons 等［22］的試驗結(jié)果表明PU 材料的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，汪恩良等［23］、Berardi 等［24］、華治國［25］和Niu 等［26］發(fā)現(xiàn)XPS、氣凝膠增強保溫材料以及一些新型保溫材料的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)的增加其變化幅度不大，而張云龍等［27］測試結(jié)果表明PU和酚醛在經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后導熱系數(shù)逐漸變小。一般而言，浸潤后的保溫材料經(jīng)歷凍融循環(huán)后其導熱系數(shù)的變化要大于干燥凍融循環(huán)情況下的變化［24，28-29］，同時鹽分對經(jīng)歷過凍融循環(huán)作用的保溫材料的導熱系數(shù)的變化也存在一定的影響［21］。

關(guān)于循環(huán)凍融作用下保溫材料的力學性質(zhì)變化研究，針對不同工程應(yīng)用場景關(guān)注的角度有所不同。強度方面，汪恩良等［23］和華治國［25］研究發(fā)現(xiàn)，有些保溫材料的壓縮強度會隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，如水泥基保溫板和用秸稈制成的地質(zhì)聚合物保溫材料［30］，也有些保溫材料的壓縮強度隨凍融次數(shù)增加變化不明顯，如用小麥秸稈制成的保溫材料［31］。關(guān)于拉伸強度的研究，主要針對建筑物外墻保溫系統(tǒng)，張金花等［32］、殷明［33］、王亞群［34］發(fā)現(xiàn)不同保溫材料與相對應(yīng)的保溫系統(tǒng)黏層之間的黏結(jié)強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，但是不同保溫材料或結(jié)構(gòu)其拉伸強度受凍融循環(huán)影響程度不一［26，32-33，35］。通過對保溫材料剪切強度受凍融循環(huán)影響的試驗研究發(fā)現(xiàn)，剪切強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，但是不同材料的影響程度存在差異［33，35］。循環(huán)凍融作用下保溫材料的變形行為主要是從彈性模量和蠕變變形兩個角度來量化的。經(jīng)歷循環(huán)凍融作用后，有的保溫材料的彈性模量會隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，如XPS［26］，但也存在彈性模量隨凍融循環(huán)增大而增大的情況，如以小麥秸稈為原料的保溫材料［31］。保溫材料的蠕變變形不大，屬于衰減蠕變，凍融循環(huán)作用可對保溫材料的蠕變變形起到促進作用［26］。

目前，由于保溫材料涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，工作場景差異顯著，同時材料的種類和結(jié)構(gòu)多樣，因此已有保溫材料的凍融耐久性研究在室內(nèi)試驗方式、凍融溫度和時長控制等方面存在著顯著的差異，由此也產(chǎn)生了不同的試驗結(jié)果。在寒區(qū)交通工程應(yīng)用場景中，保溫材料在使用過程中往往伴隨著含鹽水分的侵入，然而目前針對含鹽水分侵入條件下保溫材料的凍融耐久性研究較少［21］?；诖?，本文選取了4 種寒區(qū)工程中常用的保溫材料，開展了浸純水和浸鹽水條件下的凍融循環(huán)試驗，對經(jīng)歷0、5、10、20 和30 次凍融循環(huán)的樣品進行了表觀密度、吸水率、導熱系數(shù)、壓縮強度和彎曲強度的系列測試，并利用掃描電鏡對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析。同時，為提供對比，同步開展了干燥條件下4種保溫材料的凍融循環(huán)試驗及上述物理力學性質(zhì)測試。以期能夠為寒區(qū)工程實踐中保溫材料的合理選擇和工程穩(wěn)定性評估提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為寒區(qū)工程中4 種常用的保溫材料，如圖1 所示，包括FLK、XPS、PU 和EPS。試驗材料的主要性能及規(guī)格見表1。

表1 試驗材料的主要性能及規(guī)格Table 1 Properties and specifications of tested materials

圖1 試驗樣品Fig.1 Tested thermal insulation materials

1.2 凍融試驗

針對不同的寒區(qū)工程應(yīng)用場景，開展了4 種保溫材料在浸純水和鹽水兩種條件下的凍融循環(huán)試驗。對于浸水凍融循環(huán)試驗，目前常用的4 種方式包括浸沒法［36］、噴灑或注射法［37-38］、高濕度空氣養(yǎng)護法和由溫度、濕度和氣體流動速度控制的環(huán)境養(yǎng)護法［39-43］。結(jié)合實驗室條件，選擇浸沒法將樣品浸泡96 h后用保鮮膜包好，放入密封袋密封，以防止保溫材料在凍融循環(huán)過程中水分散失［20］。在制備鹽溶液時，參考青藏高原東北部阿爾金山隧道內(nèi)水體鹽分含量測試結(jié)果，選擇SO42-濃度為800 mg·L-1的Na2SO4溶液浸泡樣品96 h，之后將浸泡好的樣品用保鮮膜包好，放入密封袋中，為凍融循環(huán)試驗做準備。同時，為了提供對比試驗，開展了干燥條件下的循環(huán)凍融試驗，即將切割好的樣品不做處理直接進行凍融循環(huán)。試驗測試所用保溫材料樣品的切割按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

針對保溫材料的凍融耐久性試驗方法，目前可供參考的規(guī)范較多且差異較大。考慮到樣品數(shù)量及試驗耗時，并確保凍結(jié)過程中樣品能夠完全凍結(jié)，本文采用恒溫環(huán)境箱體進行凍結(jié)，室溫條件下進行融化的方式來完成凍融循環(huán)，凍結(jié)溫度為-20 ℃。其中，凍結(jié)和融化持續(xù)時間均為12 h，一次凍融所需時間為24 h。凍融循環(huán)次數(shù)參考保溫材料凍融耐久性試驗相關(guān)規(guī)范要求設(shè)定為30次。

1.3 物理力學性質(zhì)測試

（1）表觀密度

表觀密度的測試依據(jù)規(guī)范《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》［44］進行。首先利用游標卡尺量取樣品的長、寬、高，每個尺寸至少量取3個位置，分別計算每個尺寸的平均值，再通過平均值計算樣品的體積。利用電子天平稱取樣品的質(zhì)量，然后利用質(zhì)量除以體積即可得到樣品的表觀密度。

（2）吸水率

保溫材料的吸水率一般采用質(zhì)量和體積吸水率兩個指標來衡量，本文利用質(zhì)量吸水率來表征材料的吸水能力，每組至少有3 個樣品，樣品尺寸為150 mm×150 mm×50 mm。利用浸沒法，浸沒時間為96 h，質(zhì)量吸水率計算如式（1）：

式中：ω為質(zhì)量吸水率，%；mw為吸水后試件的質(zhì)量，g；ms為原試件的質(zhì)量，g。

（3）導熱系數(shù)

導熱系數(shù)的測定是依據(jù)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》［45］進行的。本次試驗采用的導熱系數(shù)測定儀為AMDRY3001-Ⅵ智能型雙平版導熱系數(shù)測定儀。試驗時，用游標卡尺測出保溫材料的厚度，在計算機程序中設(shè)置35 ℃的熱板溫度和預(yù)熱時間。該試驗需要設(shè)置一個對照組，樣品尺寸為300 mm×300 mm×25 mm。

（4）壓縮強度

用游標卡尺對經(jīng)歷過凍融循環(huán)的樣品進行尺寸測量，然后將其外表面擦干，進行壓縮強度試驗。加載速率為樣品厚度的10%，當壓縮至樣品厚度15%時停止試驗，根據(jù)《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》中的方法確定壓縮強度［46］。

（5）彎曲強度

保溫材料的彎曲強度試驗參考《硬質(zhì)泡沫塑料彎曲性能的測定第2 部分：彎曲強度和表觀彎曲彈性模量的測定》［47］進行。試驗過程中，負壓壓頭以（20±1）mm·min-1的速率向支撐在兩支座上的樣品施加荷載，荷載應(yīng)垂直于試樣施加在兩支點中間，材料斷裂試驗終止。每組至少5 個樣品，尺寸為350 mm×100 mm×50 mm。彎曲強度的計算公式如式（2）所示：

式中：R為彎曲強度，kPa；Fa為最大負荷，kN；L為支座間跨度，mm；b為試件寬度，mm；d為試件厚度，mm。

（6）掃描電鏡

對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的保溫材料進行干燥，干燥后用小刀裁成3～4 mm 的試樣。因為保溫材料屬于非金屬材料，不能導電，所以在進行掃描電鏡試驗前需要對試樣進行真空噴金鍍膜，完成以上步驟后，再將試樣放在掃描電鏡下進行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

為考察干燥、浸純水和浸鹽水循環(huán)凍融作用對保溫材料物理力學性質(zhì)的影響，本文對經(jīng)歷了0、5、10、20 和30 次凍融循環(huán)的4 種保溫材料的表觀密度、吸水率、導熱系數(shù)、壓縮強度和彎曲強度進行了測試，并通過掃描電鏡觀察了其微觀結(jié)構(gòu)的變化。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 物理性質(zhì)變化

2.1.1 表觀密度

表觀密度是指保溫材料單位體積的質(zhì)量，可以綜合反映保溫材料內(nèi)部細胞、孔隙的大小和數(shù)量情況［16-17］。圖2 給出了FLK、XPS、PU 和EPS 四種保溫材料在30 次凍融循環(huán)內(nèi)的表觀密度變化情況。可以看出，F(xiàn)LK 的表觀密度要比其他三種材料大，PU和XPS的表觀密度比較接近，EPS的表觀密度較小。

圖2 4種保溫材料的表觀密度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 2 Variations in apparent density of four thermal insulation materials with increasing freeze-thaw cycles

經(jīng)過浸純水后，F(xiàn)LK 和EPS 的表觀密度增加顯著，增加幅度分別為300%和115%，PU 的表觀密度增加約20%，XPS 的表觀密度增加最小，僅為2%。浸水前后表觀密度的變化反映了基質(zhì)材料的親水性和憎水性。親水性的材料吸收水分的能力更強，由于水的密度大于保溫材料的密度，所以浸潤后親水性保溫材料表觀密度的變化幅度要大于憎水性保溫材料。在實際工程中，保溫材料往往難以避免水分的侵入，而表觀密度的變化又與其親水性相關(guān)，因此在選擇保溫材料時，應(yīng)首先考慮材料的親水性和憎水性。與浸純水相比，4 種材料浸鹽水后其表觀密度的變化不盡相同，其中FLK 在浸鹽水后表觀密度較干燥狀態(tài)下增加約235%，PU 為15%，EPS為170%。由于XPS獨特的成形工藝，導致其吸水性不強，所以其表觀密度受鹽水浸潤作用的影響不大［48］。

凍融作用會導致保溫材料內(nèi)部的閉孔結(jié)構(gòu)破壞和固體骨架斷裂，閉孔結(jié)構(gòu)中的氣體和水分釋出導致保溫材料的質(zhì)量減小，進而導致保溫材料的表觀密度減小。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，4 種保溫材料在3 種循環(huán)凍融條件下表觀密度的變化有所不同。干燥狀態(tài)下，除PU 的表觀密度變化不明顯外，其余3 種保溫材料在循環(huán)凍融作用下表觀密度均有所減小，但幅度不超過10%。XPS 的基質(zhì)材料為憎水性材料，因此在浸純水和鹽水兩種條件下，其表觀密度變化與干燥凍融狀態(tài)下相近，變化幅度在2%左右。FLK 盡管在浸純水后其表觀密度較干燥狀態(tài)下增加了3 倍，但在循環(huán)凍融過程中其表觀密度的變化不顯著，30次凍融后變化幅度在20%以內(nèi)。與前兩種材料相比，在浸純水和鹽水條件下的PU 和EPS，其表觀密度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈明顯減小的趨勢，其中兩種條件下的PU 的減小幅度為15%和8%，而兩種條件下的EPS的減小幅度為26%和42%，這主要是因為PU 和EPS 具有大的孔隙結(jié)構(gòu)，水更容易從孔隙中流出，導致試件質(zhì)量減小。

2.1.2 吸水率

吸水率與保溫材料的凍融耐久性密切相關(guān)。保溫材料的閉孔結(jié)構(gòu)和固體骨架在凍融循環(huán)中發(fā)生破壞，已破壞的孔隙結(jié)構(gòu)和固體骨架為水分提供儲存空間和運輸通道，使得保溫材料的吸水能力增強，凍融循環(huán)次數(shù)越多，保溫材料的吸水率越大［20］。圖3 給出了FLK、XPS、PU 和EPS 四種保溫材料在30 次凍融循環(huán)內(nèi)其吸水率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況?？梢钥闯觯稍餇顟B(tài)下，親水的FLK 的吸水率較PU和EPS大一個數(shù)量級，達到了2.3%，而XPS吸水率最低，僅為0.04%，幾乎不吸水。干燥狀態(tài)下經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，F(xiàn)LK、XPS和EPS的吸水率均有所增加，30 次后的增加幅度分別為93%，55%和43%，PU 的吸水率有所減小，但變化幅度不超過10%。吸水率的變化與其干燥狀態(tài)下經(jīng)歷凍融作用后表觀密度的變化相反。由于沒有水分的參與，這些變化與其基質(zhì)材料在凍融作用過程中的熱脹冷縮有關(guān)。

圖3 4種保溫材料的吸水率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 3 Variations in water absorption rate of four thermal insulation materials with increasing freeze-thaw cycles

在浸純水和鹽水96 h 后，4 種保溫材料的吸水率明顯較干燥狀態(tài)下小。但是，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后吸水率增加顯著，且浸潤狀態(tài)下的增加幅度比干燥狀態(tài)下的增加幅度大，這是因為浸潤保溫材料中含有的水分或鹽分，在凍結(jié)時發(fā)生體積膨脹或析出晶體會加劇保溫材料的閉孔結(jié)構(gòu)和固體骨架的破壞，從而導致浸潤的保溫材料在凍融循環(huán)條件下吸收更多的水分［21］。經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，F(xiàn)LK 在浸純水狀態(tài)下其吸水率增加20%，而浸鹽水狀態(tài)下增加了近1.3 倍。XPS 在浸純水和鹽水狀態(tài)下其吸水率增加1.3 和4.3 倍。PU 經(jīng)歷30 次凍融循環(huán)作用后，浸純水和鹽水狀態(tài)下其吸水率增加均超過了2倍。EPS 經(jīng)歷30 次凍融循環(huán)作用后，其吸水率增加最為顯著，浸水和浸鹽水狀態(tài)下分別增加6.5 和4.7倍。

2.1.3 導熱系數(shù)

圖4給出了FLK、XPS、PU 和EPS 在30 次凍融循環(huán)內(nèi)導熱系數(shù)的變化情況?？梢钥闯?，初始干燥狀態(tài)下，EPS 的導熱系數(shù)最大，為0.038 W·K-1·m-1，導熱系數(shù)最低的是PU。經(jīng)過浸純水后，由于水的導熱系數(shù)遠遠大于保溫材料的導熱系數(shù)，所以吸水率越大的保溫材料，其導熱系數(shù)也越大。親水性保溫材料FLK 的導熱系數(shù)增加最大，增加幅度接近97%，而憎水性保溫材料XPS、PU 和EPS 的增加幅度不同，其中EPS增加幅度約為12%，另外兩種增加幅度小于5%。浸鹽水后保溫材料導熱系數(shù)的變化與浸純水條件下變化規(guī)律類似，與干燥狀態(tài)相比，浸鹽水后FLK 的導熱系數(shù)增加約83%，EPS 的增加幅度為14%，而其余兩種的增加幅度小于6%。

圖4 4種保溫材料的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 4 Variations in thermal conductivity of four thermal insulation materials with increasing freeze-thaw cycles

干燥狀態(tài)下，經(jīng)歷凍融作用后4 種保溫材料導熱系數(shù)的變化并不顯著。經(jīng)歷30 次凍融循環(huán)后，F(xiàn)LK 的導熱系數(shù)增加幅度為17%，而XPS、PU 和EPS的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化幅度較小。浸純水和鹽水情況下，由于凍融循環(huán)增大了FLK 的吸水率，導致在30 次凍融循環(huán)后，親水性的FLK 的導熱系數(shù)增加顯著，其導熱系數(shù)在兩種情況下分別增加了43%和60%，但是在浸純水和鹽水條件下，憎水性材料的導熱系數(shù)變化不大，并且隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律相似，這主要是因為其本身吸收的水分少，在凍融過程中，水分凍結(jié)膨脹過程對材料結(jié)構(gòu)的影響不大，三種材料的導熱系數(shù)在30次循環(huán)凍融內(nèi)變化幅度不超過4%。

2.2 強度變化

2.2.1 壓縮強度

壓縮強度反映了材料抵抗壓縮破壞的能力。在寒區(qū)道路工程中，保溫材料往往鋪設(shè)在路基下部，因此壓縮強度對于其保溫性能以及路基結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有顯著的影響。圖5 給出了4 種保溫材料在干燥、浸純水和鹽水三種狀態(tài)下未經(jīng)歷凍融循環(huán)時的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線形狀看，加載初期應(yīng)力隨應(yīng)變的增加快速上升，此時材料中的孔隙結(jié)構(gòu)被壓密，當孔隙被壓密至軸向應(yīng)變2%～4%時，材料發(fā)生線彈性變形，此后材料發(fā)生不可恢復的塑性變形。不同材料在屈服塑性變形階段，變形行為存在差別，F(xiàn)LK 呈應(yīng)力應(yīng)變平衡或者應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，XPS、PU 和EPS 在屈服階段都發(fā)展為應(yīng)變硬化，但PU 和EPS 在孔隙壓密與線彈性變形之間會出現(xiàn)一段應(yīng)變增大但應(yīng)力不變的現(xiàn)象。

圖5 4種材料的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Relationship between compressive stress and strain of four thermal insulation materials

從壓縮強度來看，當保溫材料處于干燥狀態(tài)時4 種保溫材料的壓縮強度有很大的差異，其中XPS的壓縮強度最大，約為600 kPa，壓縮強度最低的是EPS。經(jīng)過浸潤作用后，4種保溫材料的壓縮強度受水分的軟化作用的影響的程度不同。FLK 和PU 的壓縮強度明顯降低，降低幅度為15%和11%，而EPS和XPS 受水的影響較小。由于本次試驗中鹽離子的濃度較低，造成鹽水和純水性質(zhì)相似，所以浸鹽水后保溫材料壓縮強度的變化與浸純水條件下的變化規(guī)律類似。圖6 給出了FLK、XPS、PU 和EPS四種保溫材料在30 次凍融循環(huán)內(nèi)的壓縮強度的變化情況?？梢钥闯?，循環(huán)凍融作用對干燥狀態(tài)下4種材料的壓縮強度影響不大，30 次凍融循環(huán)后其壓縮強度的減小幅度不足5%。這是因為凍融循環(huán)對干燥保溫材料的孔隙結(jié)構(gòu)和固體骨架的破壞不大。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，浸純水和浸鹽水狀態(tài)下的FLK、XPS 和PU 的壓縮強度降低幅度不大，而EPS的下降幅度相對顯著，30 次凍融后分別降低了10%和13%。

圖6 4種保溫材料的壓縮強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 6 Variations in compressive strength of four thermal insulation materials with increasing freeze-thaw cycles

2.2.2 彎曲強度

彎曲強度反映了材料抵抗彎折的能力。圖7給出了4 種保溫材料在干燥、浸純水和浸鹽水條件下未經(jīng)歷凍融循環(huán)時的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，加載初期應(yīng)力隨應(yīng)變的增加快速上升，此時材料中的孔隙結(jié)構(gòu)被壓密，該過程經(jīng)歷的時間和應(yīng)變比較少。之后應(yīng)力和應(yīng)變進入線性增長階段，此時材料發(fā)生線彈性變形，此后材料發(fā)生不可恢復的屈服塑性變形。不同材料在屈服塑性變形階段，變形行為存在差別，F(xiàn)LK、PU 和EPS 表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，XPS 的應(yīng)力在屈服階段隨應(yīng)變的增長趨于最大值，而后突然發(fā)生破壞。從彎曲強度來看，當保溫材料處于干燥狀態(tài)時4種保溫材料的彎曲強度有很大的差異，XPS 的彎曲強度最大，約為750 kPa，EPS 的彎曲強度最小，約為130 kPa。經(jīng)過純水浸泡后，4 種保溫材料的彎曲強度受水分影響的程度不同。浸純水后，F(xiàn)LK 的彎曲強度較干燥狀態(tài)下下降幅度可達35%，而PU、XPS 和EPS 下降幅度不超過4%。浸鹽水后，4 種保溫材料的彎曲強度下降與浸純水后的變化類似，其中FLK 的彎曲強度下降為33%，而其余三種材料的下降幅度均小于6%。

圖7 4種材料的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系Fig. 7 Relationship between bending stress and strain of four thermal insulating materials

圖8給出了FLK、XPS、PU 和EPS 四種保溫材料在30 次凍融循環(huán)內(nèi)的彎曲強度的變化情況。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，4種保溫材料在3種循環(huán)凍融條件下的彎曲強度均隨凍融循環(huán)作用呈下降趨勢。在干燥凍融狀態(tài)下，彎曲強度變化均不顯著，30 次凍融后4 種保溫材料的下降幅度均不超過7%。對于浸純水條件而言，30次凍融循環(huán)后FLK 彎曲強度下降了0.3%，XPS 下降了8.1%，PU 下降了1.1%，EPS下降了1.6%。而在浸鹽水條件下，30次凍融后FLK 的彎曲強度下降了7.9%，XPS 下降了1.8%，PU 的彎曲強度基本不變，EPS 下降了2.6%?？傮w而言，保溫材料的彎曲強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其變化不明顯，整體上試驗結(jié)果上下波動，反映了不同樣品間的結(jié)構(gòu)差異和各向異性［49］。

圖8 4種保溫材料的彎曲強度與凍融循環(huán)的關(guān)系Fig. 8 Variations in bending strength of four thermal insulation materials with increasing freeze-thaw cycles

3 微細觀結(jié)構(gòu)分析

圖9展示了4 種保溫材料的掃描電鏡圖像。由于PU 孔隙較大，在選擇掃描電鏡放大倍數(shù)時選擇200 倍，而其余3 種材料選擇放大500 倍的圖像。可以看出，4 種保溫材料均有蜂窩狀的孔隙結(jié)構(gòu)，細胞壁呈半透明狀態(tài)。但是不同材料的微觀結(jié)構(gòu)存在一定的差異，XPS 由于特殊的成形工藝，孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定方向性。EPS的黏結(jié)顆粒間存在巨大的孔隙是造成其強度低的原因。PU 孔隙尺寸要大于其他材料的尺寸。FLK 和XPS 的孔隙呈致密狀。凍融循環(huán)會導致保溫材料的閉孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和固體骨架的斷裂，但30次凍融循環(huán)內(nèi)掃描電鏡圖像的差異從視覺上難以被察覺和量化。

圖9 4種材料的掃描電鏡圖像Fig.9 Scanning electron microscopy images of four thermal insulation materials

4 結(jié)論及展望

針對實際寒區(qū)工程應(yīng)用場景，開展了工程中常用的4 種保溫材料在浸純水、浸鹽水以及干燥條件下的循環(huán)凍融試驗，測試了表觀密度、吸水率、導熱系數(shù)、壓縮強度和彎曲強度等保溫材料關(guān)鍵的物理力學指標隨凍融循環(huán)作用的變化情況，試驗結(jié)果表明：

（1）浸潤后4 種保溫材料的表觀密度較干燥狀態(tài)下均有所增加，其中FLK和EPS的增加幅度顯著，分別達到了2～3 倍和1.1～1.7 倍，PU 的增加幅度在15%～20%之間，但XPS 的增加幅度不超過2%。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，EPS的表觀密度減小較為顯著，30 次凍融后，在浸純水和浸鹽水條件下分別減小26%和42%，F(xiàn)LK和PU的減小幅度小于20%。

（2）FLK、XPS 和EPS 的吸水率隨凍融次數(shù)增加而顯著增加，干燥狀態(tài)下3 種材料在30 次凍融后其吸水率增加幅度為93%、55%和43%，浸純水狀態(tài)下增加0.2 倍、1.3 倍和6.5 倍，浸鹽水狀態(tài)下增加1.3、4.3和4.7倍。PU 的吸水率在干燥凍融狀態(tài)下變化不大，但在浸純水和鹽水的情況下，經(jīng)歷30 次凍融后其增加幅度均超過了2倍。

（3）浸潤后親水性FLK 的導熱系數(shù)增加幅度接近2 倍，而憎水性材料XPS 和PU 的變化相對較小，增加幅度不超過5%，EPS 增加約12%。干燥狀態(tài)下，經(jīng)歷30 次凍融后FLK 的導熱系數(shù)增加量值可觀，約為17%，其余三種材料變化較小。浸潤狀態(tài)下，憎水性材料導熱系數(shù)隨凍融作用變化不大，但浸純水和鹽水條件下親水性FLK 在30 次凍融后其導熱系數(shù)增加約為50%。

（4）浸潤后4 種保溫材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀未發(fā)生明顯變化，但其壓縮強度均有所減小，其中FLK 和PU 的下降相對顯著，分別為15%和11%。干燥狀態(tài)下經(jīng)歷30 次凍融后，4 種保溫材料的壓縮強度的減小幅度不足5%。浸純水和浸鹽水狀態(tài)下，30 次凍融循環(huán)后FLK、XPS 和PU 的壓縮強度降低幅度較小，但EPS 的下降幅度相對顯著，分別達到了10%和13%。

（5）浸潤后4 種保溫材料的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀未發(fā)生明顯變化。浸純水和鹽水后，F(xiàn)LK 的彎曲強度較干燥狀態(tài)下下降幅度分別可達35%和33%，而在兩種情況下，PU、XPS 和EPS 下降幅度分別不超過4%和6%。干燥狀態(tài)下，凍融30 次后4 種保溫材料彎曲強度變化均不超過7%。浸純水狀態(tài)下，凍融30 次后XPS 的彎曲強度下降相對顯著，下降幅度達到了8%，其余三種材料下降幅度不超過2%。浸鹽水狀態(tài)下，凍融30 次后FLK 的彎曲強度下降相對顯著，下降幅度達到了8%，其余三種材料下降幅度不超過3%。

（6）通過掃描電鏡圖像能夠很好地觀察保溫材料的內(nèi)部孔隙呈蜂窩狀分布，細胞壁呈半透明狀。FLK 和XPS 的孔隙致密，但PU 內(nèi)部顆粒松散，孔隙結(jié)構(gòu)較大，EPS的固體顆粒之間有許多大孔隙，所以PU 和EPS 的表觀密度要小于FLK 和XPS。凍融循環(huán)作用會導致保溫材料的閉孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和固體骨架的斷裂，但通過掃描電鏡圖像難以肉眼觀測或通過圖像處理量化。

保溫材料在寒區(qū)工程中的應(yīng)用非常廣泛，目前市場上保溫材料類型非常多，科學合理地選擇保溫材料不僅關(guān)系到其長期保溫效果，同時對于工程構(gòu)筑物的長期穩(wěn)定性具有重要的意義。在實際使用過程中，不僅需要考慮保溫材料自身的保溫和力學性能，同時還要結(jié)合工程使用場景確保保溫材料的長期耐久性。結(jié)合本文試驗測試結(jié)果，可以看出對于埋地類保溫材料而言，水分參與的凍融循環(huán)作用對其保溫和力學性能的影響不容忽視。在寒區(qū)道路工程中常用XPS 和EPS 作為保溫層，雖然凍融作用對其保溫性能影響不顯著，但是水分浸潤后其導熱系數(shù)增加和壓縮強度降低量值可觀，因此在對寒區(qū)道路路基長期熱狀況和穩(wěn)定性的評估中應(yīng)考慮水分的影響。親水性保溫材料FLK 目前常用作寒區(qū)隧道保溫結(jié)構(gòu)層，如果將其敷設(shè)在寒區(qū)隧道的初襯和二襯中間，則難以避免水分和循環(huán)凍融作用對其的影響，此時其導熱系數(shù)增加和強度降低同樣量值可觀，需要在其保溫效果的評估中予以考慮。此外，關(guān)于如何基于實驗室凍融作用后測試的結(jié)果去模擬和預(yù)測實際工程中保溫材料性能的劣化，目前缺乏較好的方法，需要在后續(xù)研究中關(guān)注。