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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)股份有限公司, 新疆 烏魯木齊 830016)
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(yán)重時(shí)洞周會(huì)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(duì)圍巖原始溫度場(chǎng)的擾動(dòng)[4-5]。有機(jī)保溫材料因其容重小、保溫性能好、可加工性能好等優(yōu)點(diǎn)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(hù)與二次襯砌之間。當(dāng)隧道防水層破損或襯砌滲漏水時(shí),保溫材料會(huì)受到地下水的浸泡以及氣溫引起的凍融作用。認(rèn)識(shí)自然浸水-凍融條件下有機(jī)保溫材料物理性能及劣化規(guī)律,對(duì)寒區(qū)隧道運(yùn)營具有極其重要的工程意義。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于寒區(qū)隧道保溫材料設(shè)計(jì)參數(shù)及其性能展開了大量研究。在設(shè)計(jì)參數(shù)方面: 張學(xué)富等[6]根據(jù)帶相變瞬態(tài)溫度場(chǎng)的熱平衡控制微分方程,針對(duì)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(chǎng)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(chǎng)變化,并利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)比了常見的幾種保溫材料; Zhou等[8]依托大阪山隧道實(shí)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(jì)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(duì)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(shí)建議采用外貼式保溫隔熱; 張玉偉等[10]基于實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù),運(yùn)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(jì)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(huì)降低保溫材料的耐久性; 汪恩良等[12]以XPS板為研究對(duì)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(yàn)研究了聚酚醛和聚氨酯保溫材料的等溫吸濕曲線,測(cè)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(yàn)研究了含水率對(duì)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(duì)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(shì)。
采用表面或離壁敷設(shè)時(shí),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(huì)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(jì)參數(shù)及物理性能方面,并未系統(tǒng)研究不同有機(jī)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(jī)保溫材料,通過室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)比其劣化速率。
試驗(yàn)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(biāo)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(biāo)Table 1 Performance indices of three thermal insulation materials
1)DRE-Ⅲ型多功能快速導(dǎo)熱儀。用于測(cè)試試件的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定范圍為0.000 1~100 W/(m·K)。該儀器可以對(duì)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(jìn)行測(cè)量。
2)XT5438-TC80-R50型高低溫試驗(yàn)箱。用于實(shí)現(xiàn)試件的凍融循環(huán)過程,溫度范圍為-50~+50 ℃,溫度波動(dòng)在±0.5 ℃,有效容積為80 L。
3)ETM-C型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。用于測(cè)試試件的壓縮強(qiáng)度,容量為50 kN,精度等級(jí)為0.5級(jí),有效測(cè)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(duì)應(yīng)分解率為1.0 nm;1 kV對(duì)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(chǔ)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(jī)、游標(biāo)卡尺、電子天平、保鮮膜、凡士林等。
試驗(yàn)方法分為: 自然浸水、凍融條件浸水、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定、單軸壓縮測(cè)定試驗(yàn)、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(yàn)方法》、GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測(cè)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(cè)量試件質(zhì)量不發(fā)生變化,記錄初始質(zhì)量??紤]隧道采用表面或離壁敷設(shè),浸水時(shí)保溫材料基本處于單面吸水狀態(tài),試件僅留一個(gè)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(yàn)
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(duì)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(duì)于聚氨酯材料每隔2 h記錄1次試件質(zhì)量。測(cè)試前需要將底面多余水分吸干,每種材料同時(shí)測(cè)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(shí)將3組試件放進(jìn)XT5438-TC80-R50高低溫試驗(yàn)箱。設(shè)置溫度為-20 ℃/20 ℃,溫度分別持續(xù)時(shí)間為1 h,溫度變化過程控制為1 h,凍結(jié)-融化時(shí)間為2 h一個(gè)循環(huán)。每5個(gè)循環(huán)結(jié)束后將試件分別進(jìn)行自然浸水,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定,單軸壓縮試驗(yàn),其中質(zhì)量吸水率計(jì)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(cè)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(cè)定 熱流計(jì)法》,使用DRE-Ⅲ多功能快速導(dǎo)熱儀測(cè)定試件導(dǎo)熱系數(shù),基于瞬態(tài)平面熱源法,分別測(cè)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(cè)定》,使用ETM-C微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(qiáng)度。最后,將相同試驗(yàn)條件下的有機(jī)保溫材料進(jìn)行切片處理,并采用SEM掃描電鏡對(duì)切片進(jìn)行掃描,觀察微觀結(jié)構(gòu)的變化。部分試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)定圖2 部分試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 2 Part of test site
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(gè)重要技術(shù)指標(biāo),其增大會(huì)導(dǎo)致保溫材料的保溫性能降低。這是因?yàn)槌爻簵l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(duì)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(shí)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(gè)階段; 2)聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯分別在浸水時(shí)間為32、8、6 h時(shí),平均質(zhì)量吸水率快速達(dá)到18.88%、6.34%、16.31%; 3)聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯分別在浸水時(shí)間為192、46、50 h時(shí),平均質(zhì)量吸水率緩慢達(dá)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(dá)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(shí)間關(guān)系Fig. 3 Relationship between mass water absorption and time
對(duì)比3種保溫材料,吸水時(shí)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?yàn)榫鄯尤┎牧舷鄬?duì)于其他材料表面更密實(shí),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??梢钥闯觯?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(shí)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?yàn)榫郾揭蚁?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(duì)影響較小,至于其孔隙形態(tài)及變化原因還需進(jìn)一步的微觀結(jié)構(gòu)分析。
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(shí),分別測(cè)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(shí)均發(fā)生不同程度增大,融化條件時(shí)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(shí)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(shí)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(yuǎn)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?yàn)槠浜堪l(fā)生了變化。試驗(yàn)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??梢钥闯觯?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(duì)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(huì)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(cè)模型
綜上所述,有機(jī)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(jìn)行無量綱化,預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)模型殘差關(guān)系Fig. 7 Residual relationship of thermal conductivity prediction model of polyurethane
2.3.1 凍融循環(huán)條件下材料壓縮強(qiáng)度
使用每次凍融循環(huán)后融化條件下的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),凍融循環(huán)條件下3種保溫材料的壓縮強(qiáng)度變化曲線如圖8所示??梢钥闯觯?1)保溫材料的壓縮強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度變化Fig. 8 Variation of compression strength under freeze-thaw cycles
3種材料壓縮強(qiáng)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(qiáng)度的劣化速率大小順序?yàn)榫郯滨?聚苯乙烯>聚酚醛。材料的壓縮強(qiáng)度主要決定于材料骨架的強(qiáng)度,這說明聚氨酯材料的骨架強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他2種材料,但是對(duì)凍融循環(huán)更加敏感。
2.3.2 保溫材料微觀結(jié)構(gòu)
對(duì)有機(jī)保溫材料切片進(jìn)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(jī)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(shí)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(huì)先處于飽水狀態(tài),之后水分會(huì)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(huì)發(fā)生變化,骨架的強(qiáng)度也降低,這也是材料質(zhì)量吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮強(qiáng)度的變化的原因。在實(shí)際工程中,保溫材料會(huì)重復(fù)經(jīng)歷浸水-凍融往復(fù)循環(huán),從而導(dǎo)致有機(jī)保溫材料劣化,不利于工程的長時(shí)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
對(duì)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(shí)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(diǎn)考慮。其中,在采用雙層或夾層敷設(shè)時(shí),需要考慮保溫材料一定的壓縮強(qiáng)度,但不作為主要的受荷結(jié)構(gòu)。3種保溫材料性能對(duì)比如表2所示??梢钥闯觯?1)對(duì)比各項(xiàng)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(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)均低于其他材料,但凍結(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯增長; 3)壓縮強(qiáng)度的排序在凍融前后沒有發(fā)生變化,說明壓縮強(qiáng)度受凍融的影響較小,聚氨酯材料壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)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(jí)較高,但是凍結(jié)時(shí)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(qiáng)度要遠(yuǎn)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(shì)。
表2 3種材料性能對(duì)比Table 2 Comparison of performance among three materials
綜上所述,在實(shí)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(duì)于寒區(qū)隧道不同環(huán)境和應(yīng)用需求下進(jìn)行優(yōu)選,確保材料的防凍保溫效果。同時(shí),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(shí)踐中應(yīng)做好寒區(qū)隧道的防排水措施,并對(duì)保溫層進(jìn)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。
本文以聚酚醛、聚氨酯、聚苯乙烯3種有機(jī)保溫材料為研究對(duì)象,基于室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)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(huì)經(jīng)歷快速—平緩—穩(wěn)定3個(gè)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(shí),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(cè)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(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)均呈線性關(guān)系。聚氨酯壓縮強(qiáng)度劣化快,但遠(yuǎn)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(shí)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(qiáng)度最大、吸水率最低。聚酚醛各項(xiàng)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(jì)或進(jìn)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(jī)保溫材料的劣化特性,可為寒區(qū)隧道防凍設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。當(dāng)寒區(qū)隧道采用雙層或夾層鋪設(shè)方式時(shí),保溫材料會(huì)受到襯砌壓力或孔隙水壓力作用,其微觀氣泡形態(tài)會(huì)發(fā)生變化,影響其毛細(xì)吸水作用。同時(shí)在壓縮下材質(zhì)本身的變形也會(huì)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(shí)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(cè)分析。