聚苯板保溫材料在三峽工程中的研究與應(yīng)用

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氣溫驟降是引起大體積混凝土表面裂縫的主要成因。根據(jù)有關(guān)資料，三峽壩區(qū)氣溫驟降多發(fā)生在秋、春季，此期間溫度降幅也達(dá)到最大。氣溫驟降引起的壩塊裂縫，主要發(fā)生在混凝土早齡期，以6～20 d發(fā)生率最高。二期工程廠壩混凝土裂縫成因研究成果表明，秋冬季節(jié)，由于氣溫年變化的影響，壩體內(nèi)外存在較大溫差，即使對于已澆筑2～3年的老混凝土壩體也可能產(chǎn)生裂縫。因三峽大壩暴露面大，壩址氣溫驟降頻繁，更凸顯壩體表面保護(hù)的重要性。設(shè)計(jì)提出對于三期廠壩永久暴露面在10～4月份澆筑的混凝土，拆模后立即設(shè)永久保溫層，5～9月份澆筑的混凝土，10月份設(shè)永久保護(hù)層，保溫后混凝土等效放熱系數(shù)β≤1.5～2.0 w/m2?℃。 
    三峽二期工程中主要采用1.5～2.0 cm厚表面粘結(jié)彩條布的高發(fā)泡聚乙烯塑料卷材作為保溫材料，存在封閉不嚴(yán)導(dǎo)致透風(fēng)，保溫材料較易受損，耐久性差諸問題，故其保溫效果不理想。為此，在三峽三期廠壩開工后，即開展了大量試驗(yàn)比選工作，以確定合適的保溫材料。
    1、保溫材料性能及保溫效果試驗(yàn) 
    在對國內(nèi)生產(chǎn)的保溫材料廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，選取了三種較為適合用于壩體大面積保溫的材料，即聚苯板、珍珠巖發(fā)泡保溫涂料和發(fā)泡聚氨酯。三種材料的施工方法，聚苯板保溫材料的做法為：人工涂刷粘結(jié)劑+人工粘貼聚苯板+防水涂料；珍珠巖發(fā)泡保溫涂料的做法為：人工涂抹珍珠巖發(fā)泡涂料；聚氨酯保溫材料的做法為：機(jī)械噴涂聚氨酯。
    1.1 保溫材料性能 
    聚苯板保溫材料由粘結(jié)劑、聚苯板、防水涂料組成。①粘結(jié)劑：由礦物型膠凝材料、優(yōu)化級配的骨料及特殊的添加劑組成。其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度≥0.10 MPa，透水性（24 h）≤3.0 ml。②聚苯板：采用模塑聚苯乙烯泡沫塑料制作的板材。③防水涂料：是一種雙組分、丙烯酸類高聚物改性的水泥基防水材料，由無機(jī)（水泥基）材料和高分子材料復(fù)合而成。當(dāng)兩種組分按一定比例拌和后，其中的聚和物乳液失水而成為具有粘結(jié)性和連續(xù)性的彈性膜層，水泥因與乳液中的水發(fā)生水化反應(yīng)而產(chǎn)生硬化，水泥硬化體分散、填充在聚合物膜層牢固地形成一個堅(jiān)固而有彈性的防水層。防水涂料可以提高聚苯板的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，其拉伸強(qiáng)度≥0.12 MPa。 
    聚氨酯硬質(zhì)泡沫由主料與輔助材料組合而成，包括發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑、阻燃劑。聚氨酯硬質(zhì)泡沫在沒有加入發(fā)泡劑之前是一種強(qiáng)度極高的粘合劑；在加入發(fā)泡劑制成泡沫后，其粘結(jié)力仍然很強(qiáng)，仍能跟水泥（混凝土）連為一體。由于水對聚醚型氨酯基本上沒有溶解、腐蝕作用，水與泡沫不起反應(yīng)，所以被水淹后不易脫落。 
    珍珠巖發(fā)泡保溫涂料是依據(jù)對冶金工業(yè)爐窯保溫的原理，以珍珠巖、礦物纖維為主要原料，以水性結(jié)合劑復(fù)合而成，它具有無毒、無污染、保溫隔熱、阻燃等特性，可以在任何形狀的物體表面進(jìn)行保溫。使用后可直接用高壓水沖洗干凈，沒有環(huán)境污染，采用的礦物原料可以在自然中消解。  
    以上3種材料的主要理化指標(biāo)見表1、2、3。
    保溫材料等效放熱系數(shù)β值的計(jì)算公式： 
    β效＝k／(0.05+δ／λ) 
    其中k為修正值，根據(jù)保溫的密封情況而定，k＝1.0～1.20；當(dāng)粘貼接縫緊密不透風(fēng)時，取k＝1.20（或更趨近于1）。 
    λ為熱導(dǎo)系數(shù)； 
    δ為保溫板厚度。 
    上述公式反映了等效放熱系數(shù)與板厚的關(guān)系，由此可計(jì)算出保溫材料在相同等效放熱系數(shù)條件下的板厚： δ＝λ(k／β效-0.05) 取β效＝1.5 w/m2?℃，k＝1.20。 
    聚苯板、珍珠巖發(fā)泡保溫涂料和發(fā)泡聚氨脂三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別取0.034、0.045和0.019 w/m?k，分別計(jì)算得板厚為2.55、3.38和1.43 cm。 
    從上述材料需要的厚度對比，在滿足相同的等效放熱系數(shù)條件下，珍珠巖發(fā)泡保溫涂料需要的厚度最大，聚苯板需要的厚度次之，發(fā)泡聚氨酯需要的厚度最小。
    1.2 保溫效果試驗(yàn) 
    在三峽工地現(xiàn)場測試了聚苯板、珍珠巖發(fā)泡保溫材料的保溫效果；限于條件，發(fā)泡聚氨脂的保溫效果直接采用新疆塔西河石門子水庫大壩的有關(guān)測試數(shù)據(jù)。 
    測試現(xiàn)場：在縱向圍堰右側(cè)選取2個0.6 m×2 m區(qū)域內(nèi)各鑿槽埋設(shè)2支電阻溫度計(jì)，另外再埋設(shè)2支電阻溫度計(jì)測試現(xiàn)場氣溫和混凝土表面溫度?；炷帘砻鏈囟扔?jì)鑿淺槽埋設(shè)于混凝土表面。同時用酒精玻璃溫度計(jì)測試環(huán)境氣溫，與電阻溫度計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行互校。儀埋完成后，進(jìn)行保溫材料施工。I區(qū)采用2.8 cm厚聚苯板，粘結(jié)劑粘結(jié)，表面涂防水涂料。II區(qū)采用珍珠巖發(fā)泡涂料，按不下墜脫落要求，涂抹厚度為1.8～2.2 cm。保溫材料及儀器埋設(shè)2天后，按1天3次（早上8∶00，下午15∶00，晚上23∶00） 進(jìn)行觀測，從2003年8月21日開始觀測，連續(xù)測量1個月，特征值統(tǒng)計(jì)見表4。
    兩種材料相比較，聚苯板的保溫效果要優(yōu)于珍珠巖發(fā)泡保溫涂料的保溫效果。 
    發(fā)泡聚氨酯保溫效果： 
    新疆塔西河石門子水庫大壩采用發(fā)泡聚氨酯作為壩體保溫材料。據(jù)測試資料，噴涂聚氨酯后壩面20天內(nèi)，當(dāng)氣溫在-12℃～3.5℃之間，溫度變幅為15.5℃條件下，內(nèi)部溫度在4.1℃～6.8℃之間，內(nèi)部溫度變幅為2.7℃。 
    可見，聚氨酯有較好的保溫效果。
    2、保溫材料比選 
    (1)聚苯板 操作工藝簡單，易施工，只需在聚苯板上涂抹粘結(jié)劑，然后將涂抹好的聚苯板粘貼在混凝土面上，最后在聚苯板表面涂刷一道防水涂料。 
    三峽工程混凝土永久外露面均使用的是大型懸臂鋼模板，模板支腿部位保溫一直是薄弱環(huán)節(jié)，因模板支腿結(jié)構(gòu)影響，此部位只能采用吊掛保溫被臨時保溫，因封閉不嚴(yán)導(dǎo)致保溫效果較差。一般將模板提升后再進(jìn)行永久保溫。采用聚苯板粘貼工藝可在模板支腿支點(diǎn)部位處裁剪聚苯板預(yù)留缺口，先行將模板支腿其他部位保溫，待模板提升后，再將支腿部位缺口補(bǔ)上，較好地解決了壩體跟進(jìn)保溫問題。聚苯板較輕，易于轉(zhuǎn)運(yùn)，適合高空粘貼作業(yè)。人工粘貼作業(yè)時，采取系安全帶措施后可使用固定在模板支架上的軟梯或在模板下支架上進(jìn)行，施工方便。 
    聚苯板粘貼后不易脫落，耐久性強(qiáng)，可作為永久保溫?；炷撩嬲迟N聚苯板厚度均勻，不因人為操作因素而出現(xiàn)的厚度不均現(xiàn)象；涂刷防水劑后的聚苯板表面與沒有粘貼的混凝土面顏色相近，外形較好。 
    聚苯板本體機(jī)械強(qiáng)度較差，在外力作用下較宜折斷，表面較宜破損，但涂抹水泥基柔性防水涂料后可解決此問題。 
    (2)珍珠巖發(fā)泡保溫涂料 
    耐久性、整體性較好。保溫涂料施工需由人工直接在混凝土面涂抹，涂抹耗時較長，材料轉(zhuǎn)運(yùn)不便，也不適合進(jìn)行高空作業(yè)。涂抹后24 h硬化期內(nèi)受水沖刷或其它因素影響宜脫落。 
    保溫涂料涂抹厚度因下墜而不宜過厚，且厚度也不易控制，宜出現(xiàn)厚度不均現(xiàn)象，同時，導(dǎo)熱系數(shù)也較大，受上述幾種因素制約。 
    (3)發(fā)泡聚氨酯 
    聚氨酯操作工藝復(fù)雜，噴涂需借助空壓機(jī)、噴涂機(jī)等設(shè)備，設(shè)備布置需占壓倉面施工部位。噴涂必須采用噴槍進(jìn)行，需離開壩面一定距離，噴涂作業(yè)困難，噴涂厚度不易控制。噴涂前，設(shè)備吊運(yùn)安裝調(diào)試及材料準(zhǔn)備工作量較大，故發(fā)泡聚氨酯僅適于大面積噴涂，不適應(yīng)跟進(jìn)保溫。 
    經(jīng)綜合比較，聚苯板保溫性能滿足要求，在操作工藝、耐久性等方面明顯優(yōu)于珍珠巖發(fā)泡保溫涂料和發(fā)泡聚氨酯材料，能夠保證大壩整體保溫質(zhì)量。
    3、聚苯板的應(yīng)用
    3.1 應(yīng)用部位及型式 
    考慮到大壩上游面產(chǎn)生裂縫的危害性，應(yīng)加強(qiáng)該部位的表面保護(hù)。經(jīng)業(yè)主決策，實(shí)施過程中大壩上游面高程98.0m以下及基礎(chǔ)約束區(qū)范圍采用加厚至5 cm聚苯板。大壩上游的其它部位、下游永久面、鋼管槽側(cè)墻、主廠房Ⅲ區(qū)下游高程43.0～80.0 m(尾水管以上，尾水平臺牛腿根部以下)之間的部位、右廠排壩段高程82.0 m以下使用3 cm厚聚苯板。均采用粘結(jié)劑＋聚苯板＋表面防水涂料的做法。
    3.2 施工工藝
    3.2.1 施工程序 
    基面處理→配制專用粘結(jié)砂漿→聚苯板涂抹砂漿→粘貼聚苯板→刷表面防水劑。
    3.2.2 施工方法 
    為方便檢查混凝土外觀施工質(zhì)量，所有保溫板采用外貼施工方法。先將保溫板用粘結(jié)劑粘貼在混凝土面，然后在保溫板上涂刷防水涂料。 
    保溫板粘貼施工在模板上升后由人工完成，保溫板粘貼作業(yè)按4～5人為1組，先將壩體貼保溫板部位的灰漿鏟除并用水清洗干凈，經(jīng)外觀檢查合格后即可粘貼聚苯乙烯板。高空作業(yè)使用軟梯，軟梯系在其上部已安裝好的模板上，作業(yè)人員系雙保險(xiǎn)后順軟梯下至工作面，倉面上的其他工作人員預(yù)先在聚苯乙烯板上涂刷粘結(jié)劑，然后將聚苯乙烯板用繩索放下，軟梯上的作業(yè)人員再將聚苯乙烯板粘貼到混凝土面上，最后用手拍打保溫板，確保粘貼牢固。聚苯板粘貼由下至上錯縫進(jìn)行，縫距1/2板長。聚苯乙烯板在壩段之間分縫處粘貼時不跨縫，亦不在留縫處涂刷防水涂料。
    3.2.3 聚苯板的粘貼工藝 
    混凝土表面預(yù)處理：清除混凝土表面的浮灰、油垢及其它雜物。 
    采用標(biāo)準(zhǔn)的10/12帶齒刮板，將干燥的聚苯板背面涂抹粘結(jié)劑。粘結(jié)劑按每袋（25 kg）+水6 L配制。 
將涂抹好的聚苯板平整、牢固貼在混凝土面上，板與板之間擠緊不留縫隙，碰頭縫處不涂抹粘結(jié)劑。每貼完1塊，及時清除擠出的粘結(jié)劑，板間不留間隙。若因聚苯板面不方正或裁切不直形成縫隙，用聚苯板條塞入并打磨平。 
    預(yù)先在聚苯板外表面涂刷一遍防水涂料，待防水涂料干后再進(jìn)行聚苯板粘貼。粘貼完成后，在聚苯板表面采用抹、滾、刷的方法再均勻刷涂1道防水涂料，特別注意對接縫部位的封閉涂刷。防水涂料的粉料、液料按6∶4（重量比）比例混合配制。每道涂刷完成后應(yīng)認(rèn)真檢查，防水涂層不得出現(xiàn)漏刷、裂紋、起皮、脫落等現(xiàn)象。24 h內(nèi)不得有流水沖涮。
    3.2.4 維護(hù)和檢查 
    每年入秋前要對永久保溫層進(jìn)行檢查和維護(hù)，對脫落部位立即進(jìn)行修補(bǔ)完善，以確保保溫效果。[BT1]
    4、應(yīng)用效果測試 
    在三期廠壩大量采用聚苯板作為保溫材料后，為檢測加厚至5 cm聚苯板的實(shí)際保溫效果，在右廠18-2-甲塊上游面進(jìn)行了保溫性能測試。從2003年9月24日18∶20至25日18∶20連續(xù)24 h內(nèi)，每1 h監(jiān)測1次，其后按照每2 h 1次監(jiān)測1周，同時用玻璃溫度計(jì)測外界氣溫。溫度過程線見圖1。
    圖1 右廠18-2-甲塊上游面5cm厚聚苯板溫度過程線
    測試結(jié)果：外界氣溫在14.0℃～35.0℃范圍變化，溫度變幅為21.0℃的條件下，右廠18-2-甲塊上游面聚苯板內(nèi)部溫度在23.8℃～24.4℃之間，溫度變幅為0.6℃。在連續(xù)兩測點(diǎn)氣溫變幅最大值為6.8℃時，聚苯板保溫后混凝土表面溫度變幅僅為0.3℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：5cm厚聚苯板內(nèi)部基本上保持相對恒溫、恒濕，有效地減少了混凝土內(nèi)外溫差過大及干縮造成的裂縫