泡沫塑膠鋪設道路隔溫層
概述
在季凍區道路凍害是造成其結構破壞主要原因之一,是道路路基路面設計必須考慮的因素。道路產生凍害,有路面結構層材料抗凍性和水穩定性沒有達到相應要求的原因,更主要的是路基工作區的水溫狀況隨季節變化導致其承載力也隨之變化。 路基土冬季不均勻凍脹抬升道路結構,春季土中冰晶體融化又使道路結構融沉。在道路使用期限內,每年路基土的含水量、密度、土體結構和承載力隨季節重複變化,造成道路結構的凍融破壞(瀝青路面開裂、翻漿、水泥混凝土路面斷板)。俄羅斯採用在道路結構中鋪設泡沫塑膠隔溫層方法,增大熱阻,人為隔斷由路面結構傳向路基的冷熱變化,在道路使用年限內,使路基溫度場處於相對熱穩定狀態,達到消除其凍害的目的,取得了成功的經驗。
1 泡沫塑膠鋪設道路隔溫層所起的主要作用
①減小抗凍層的厚度。在俄羅斯以凍脹量為抗凍設計的控制指標,規範要求各等級公路的凍脹量應控制在容許範圍內,如高速公路容許凍脹量值不允許大於2 cm。為此必須用合格沙、沙石混合料等不凍脹性材料來鋪設抗凍層,特別是在低填淺挖地段,且地下水位又較高的情況下,抗凍層厚度可達到1 m 或更多。若當地沙石材料難以保障,用泡沫塑膠作保溫處理是預防道路凍脹的有效手段。
②減小排水層的厚度。 因路基受到大氣降水、地面水、地下水和溫度等因素的影響,其濕度發生累積使承載力降低並導致道路的早期損壞。 當用凍脹性土填築的路基,在水源充足時,路基在冬季凍結過程中水分向凍結線遷移而聚流,凍結後形成大塊冰晶體。春融後,路基融水主要通過排水層排出。為保障道路結構和路基工作區保持乾燥狀態,常用合格沙石材料來增強路面內部排水。 但在季凍區水土條件不良地段修建高等級公路時,要用很厚的沙排水層來保障其泄水能力, 縮短滲流路徑。即使這樣,也很難使沙排水層的滲流係數達到2 m /d。此時用泡沫塑膠鋪設保溫層,可保障道路結構下路基土不凍,其土中水分不形成冷生遷移,從而消除進入到排水層的主要水源,減薄排水層厚度20～ 25 cm。
③ 降低路基填土高度 ,減少挖方深度。 俄羅斯規範規定: 季凍區 ,由細粒土填築的路基工作區厚度應等於 2 /3大地凍深 ,且從路面算起的道路結構和路基工作區的總厚度不應小於 1. 5 m。 用泡沫塑膠鋪設隔溫層可以降低路基填土高度 ,放寬對路基填土種類和濕度的要求 ,其最小高度由路面力學計算和抗凍驗算確定。 另外 ,在水土條件不良的挖方地段 ,在同一標高下還可減薄道路結構本身的厚度 ,與用沙石材料設定抗凍層的道路結構設計方案相比可以減少挖方深度 ,減少土石方量。
④ 用過濕土修築路基。 俄羅斯季凍區有許多濕地 ,道路沿線只有過濕的粉土和粘土。 但規範規定: 禁止使用過濕的細粒土填築路基工作區。 因為該類土不可能被壓實到規範所要求的狀態。 當地氣候條件又不可能使土晾乾再壓。此時 ,只要路基本身不受地下水和地表水的影響 ,路基上層 0. 5 m 範圍內過濕土含水量可以超出含水量的 15% ,下層範圍內填築同種類型的土可以超出含水量的 25% ,最大可達到其液限 ,但壓實標準必須達到壓實度 K = 0. 93～ 0. 95, 且採用泡沫塑膠作保溫處理使壓實的土基在道路使用年限內不發生冰凍。這樣 ,竣工後路基土的排水壓密固結隨時間推移自然完成。
⑤ 放寬對車載要求。在俄羅斯定期對全國公路網進行檢測 ,對最不利的季節 (春季 )路基承載力達不到要求的公路路段 ,限制重載車輛通行 ,當融水排盡後再取消限制。 在道路結構中用泡沫塑膠鋪設隔溫層後路基不凍結 ,其密度、含水量、土體結構和承載力隨季節變化很小 ,保障公路全年正常運營。總之 ,泡沫塑膠作為隔溫層成功地套用於道路建設中是近 10年的事 ,俄羅斯已系統編制用泡沫塑膠鋪設道路隔溫層的設計和施工指南。
2 隔溫材料的特點、性質及其研究方法
泡沫塑膠是塑膠家族中的一個門類 ,是加熱發泡膨脹的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、尿醛和酚醛的總稱。單純用以上基料樹脂製成的泡沫塑膠 ,因其強度低、質軟常被施工機械壓碎或在道路運營過程中被壓扁而使隔溫層失效。 俄羅斯用於鋪設隔溫層的泡沫塑膠是以各種樹脂為基料 ,加入一定劑量的發泡劑、催化劑、穩定劑、增塑劑、填料和增強材料等經加熱發泡製成的 ,但仍以樹脂命名 ,因成分和工藝不同種類很多 ,性能各異。 泡沫塑膠質輕、密度小 (一般在 20～ 100 kg /m3 , 個別的能達到 200 kg /m3 ) ,易加工成型 ,主要擁有以閉孔為主的孔隙 ,導熱係數低 = 0. 02～ 0. 06 W /( m· K) ,是現今保溫效果的材料。泡沫塑膠隔溫層應能承受由道路結構層傳來的車輛荷載的反覆作用及其由該作用引起壓縮和彎拉變形; 經受水的浸潤、疏乾和完全浸泡材料性質不變; 在- 60℃～ + 60℃溫度範圍內耐受不均勻冰凍和融化作用; 泡沫塑膠板應耐受因施工誤差引起的不均勻變形;泡沫塑膠無毒 ,在鹽、細菌作用下性質不變 ,且抗鼠咬;但在強酸鹼、有機化肥等環境下 ,應重新檢驗材料的穩定性。 泡沫塑膠的缺點是易老化 ,在加工、儲存和使用過程中 ,使用性能逐漸變壞 ,使隔溫層保溫失效。選擇適宜於鋪設道路隔溫層的泡沫塑膠種類和型號要經過三個階段的實驗檢驗: 首先是實驗室檢驗。由於泡沫塑膠的品種規格本來就多 ,加上新品種的不斷出現 ,而且同一品種規格的材料 ,往往因批號不同在性能上也有差異 ,因此必須在實驗室檢測所選泡沫塑膠的物理力學性能。按俄羅斯國標要求: 用作道路隔溫層的泡沫塑膠在 10% 線性變形時的抗壓強度不應小於0. 40 M Pa,彎拉強度不應小於 0. 70 M Pa ,吸水率不應大於 0. 45% 。其次為實驗路驗證。 在季凍區水土條件不良地段用所選泡沫塑膠修築實驗路。 用埋設在面層及路基中的熱電偶來測量溫度 ,同時用專門的鑽孔觀測道路結構凍深和地下水位 ,在路面設定鋼釘和基點 ,用水準儀定期觀測路面凍脹量。 觀測時間不少於 3 a,在特別冷的年份增加觀測。檢驗隔溫層減小凍深 ,且控制路面凍脹量的有效性。
另外 ,在泡沫塑膠隔溫層有效的前提下 ,冬季冷量積聚在路面 ,面層溫度要比一般道路偏低 ,致使在潮濕和大霧天氣道路表面冷凝析出冰霜而喪失抗滑能力。故泡沫塑膠的鋪設深度不應太淺。一般 ,按此要求的埋設深度不應小於 25 cm。這對瀝青路面尤為重要 ,若面層溫度冬低夏高會使瀝青材料抗裂和抗剪能力降低 ,道路反而早壞。
3 套用實例
俄羅斯在 1983年選用 DOW 公司生產的泡沫塑膠 Sty ro foam HI-50修築了實驗路。 Sty ro foam HI-50為白色擠塑聚苯乙烯隔熱保溫板 , 採用鹵化氯氟烴( HC FC)發泡劑製造 ,可再生使用 ,使用溫度範圍為 -50～ + 75℃。 該實驗路位於奧姆斯科至新西伯利亞二級公路的楚雷姆段 ,長 600 m。 1995年從實驗路上取樣。 實驗路證明 ,該型號泡沫塑膠在道路結構中的使用壽命和品質完全滿足高等級公路的要求 ,可在道路建設中推廣使用。故後在卡什拉- 莫斯科外環、謝爾普霍夫 - 圖拉等高速公路中先後使用該種泡沫塑膠作為隔溫層。
4按傳熱學理論確定泡沫塑膠隔溫層的厚度
消除或減小路基的凍結深度,控制道路結構的凍脹量是以泡沫塑膠的導熱係數和適當的厚度這兩個條件來保障。通常,按三層體系確定泡沫塑膠隔溫層的厚度: 中間層為泡沫塑膠,其上的所有道路結構層按阻熱能力等效換算成一層,其下的結構層(包括土基)按土的導熱性進行等效換算,並將其視作半無限地基。設定多厚的泡沫塑膠取決於大氣負溫及道路面層溫度隨之變化的規律、由道路等級所要求的容許凍脹量值、道路結構凍深、位於隔溫層上下材料的傳熱學性質和其結構厚度、路基幹濕類型和土的凍脹性質、地下水位和土的親水能力、隔溫層的位置、道路的設計使用壽命。 由於涉及因素多,很難對泡沫塑膠隔溫層的傳熱學和力學性質建立精確模型,多採用層狀半空間體非穩態導熱問題的理論解繪製諾謨圖並用經驗修正。 對容許凍脹量、凍深、地下水位等主要因素作為確定厚度的控制指標,而次要因素或者不考慮或者通過修正係數來解決。
5泡沫塑膠隔溫層的施工特點
泡沫塑膠Styrofoam 的規格尺寸可由供需雙方協商,一般, 長1 250 mm ,寬600 m m,厚30、40、50、60、80、100 m m,板邊有直邊、企口和交疊三種形式。泡沫塑膠Sty rofoam 的埋設深度應不小於0. 5 m ,鋪設寬度應比行車道寬出0. 5～1. 5 m或與路基同寬。泡沫塑膠板應平鋪在乾燥的路基頂面,路基應壓實和整平,並用砂找平,鋪設過程為手工操作。在每塊板上至少應楔入兩個木釘固定板位,若板為二層或三層, 上層板應蓋住下層接縫,上下層應交錯疊放。在設定與未設隔溫層的路段之間套用不同厚度的泡沫塑膠板過渡。用砂覆蓋已鋪好的泡沫塑膠板,注意用推土機徐徐推進砂層,施工機械不能直接接觸板體。不允許泡沫塑膠接觸溫度較高的砂子,禁止在泡沫塑膠上直接鋪熱拌瀝青混合料。 為使泡沫塑膠板免遭施工機械和汽車荷載的損害,該層以上的道路結構持力層厚不應小於15 cm。泡沫塑膠不允許在陽光直射的戶外保存超過5 d以上,禁止在倉儲和施工中靠近火源。
6使用壽命和成本分析
由於泡沫塑膠Sty rofoam HI-50具有獨特的全閉孔結構,水穩定性好且不吸水,兼有極佳的機械強度, 所以它經久耐用,一般能使用15 a。如路基土中無腐蝕性介質,可使用幾十年。它是重季節冰凍地區,受標高控制的低填淺挖潮濕或過濕路段用來防治道路凍脹和翻漿的有效工程措施。泡沫塑膠Styro foam HI-50價格昂貴,它在中國的售價約為1 400元/m,則50 mm 厚板材為70元/ m, 75 mm 厚為105元/ m, 100 m m 厚為140元/m。在東北重冰區,道路凍深大於2. 00 m,當路基為粉土時,瀝青路面最小防凍厚度為0. 80～1. 00 m。實際上,二級公路按強度要求的路面厚度約為0. 50 m ,用砂石填築的防凍層厚為0. 30～0. 50 m。若用泡沫塑膠Sty ro foam HI-50替代砂石類防凍層,則只要40～70 m m 即可, 道路結構大幅度減薄。40～70 mm 厚Sty ro foam HI-50價格為56～98元/ m。而缺少砂石地區,由於外運砂石價格可高達70～80元/m, 則做0. 30～0. 50 m 厚防凍層造價為21～40元/m。顯然,泡沫塑膠隔溫層貴於砂石類防凍層。但是,隨著人類大量使用砂石材料,天然砂石料源日益減少,而且砂石在使用過程中易受到淤塞和污染使排水防凍功能失效, 不得不提前進行大修。使用Sty ro foam HI-50一次投資大,但它使用壽命長,從長遠看還是經濟的。故用泡沫塑膠代替砂石防凍層是今後的發展方向。在我國,套用泡沫塑膠類隔溫材料,由於造價高, 在公路建設中尚未得到推廣。 應進一步從材料研究入手,有望使國產泡沫塑膠滿足路用要求且價格降低。
7 結語
①設定泡沫塑膠隔溫層可減小或消除道路結構凍深,控制道路結構的凍脹量,保障路面平整連續,提高其使用壽命並降低工程造價;
②泡沫塑膠隔溫層只起功能性(對路基隔冷保溫)作用,不作為持力層;
③泡沫塑膠不能承受高荷載,必須最佳化道路結構組合設計,以趨利避害;
④在現代工藝條件下,泡沫塑膠的性能可進一步提高,施工方法和施工標準也逐步完善 。
防凍隔溫層效果
1 工程概況
大坂山隧道位於國道 227線大通縣與門源縣交界處的祁連山和崑崙山中乾區 , 地理坐標為東京101°23′～ 101°25′、北緯 37°21′～ 37°23′,區域屬內陸高寒季風氣候 , 年內冬長而嚴寒 , 夏短而多雨 , 屬多年凍土島狀分布區。年平均溫度- 3. 1℃ , 月平均氣溫 15. 8℃ , 月平均最低氣溫 - 25. 6℃ , 極端氣溫22. 5℃, 極端最低氣溫- 34℃。最大凍結深度南坡3. 0 m , 北坡4. 5 m, 最大積雪深度200 cm。
大坂山隧道在多年凍土的下融區穿過,隧道全長為1 530 m ,進口樁號K105+ 020,高程3 792. 75 m ,出口樁號K106+ 550,高程3 749. 90 m,海拔高度僅次於南美洲安第斯山隧道,居亞洲第一。屬高海拔寒冷地區公路隧道。為確保隧道結構安全、耐久的使用性能,預防凍害產生, 該隧道採取了防凍隔溫層。它是由5 cm厚聚氨酯保溫層, 3 cm 厚矽酸鋁防火保溫層及4 mm 無機玻璃鋼保護罩構成的防凍措施,經過1年左右的使用,效果良好。
2防凍隔溫層材料性能測試及評定
2. 1 防火阻燃性能測試及評定
隧道內的防凍隔溫材料,既要能隔溫又能防火, 因此對實驗段採用的材料進行了實體防火阻燃性能測試及評定。
2. 2 物理指標及熱學參數測試
依據表 1的實測指標及特點 ,篩選以下材料進行了物理指標及熱學參數測試 ,其測試結果如下:
( 1)硬質聚氨酯泡沫塑膠
密度 37. 6 kg /m3; 吸水率 2. 9% ; 壓縮性能 168k Pa; 水蒸氣透濕係數 6. 3 ng /( Pa· m· s) ; 導熱係數 0. 020 9 W /( m· k)。
( 2) PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑膠
密度 31. 5 kg / m3 ; 吸水率 1. 0% ; 壓縮性能 16k Pa;水蒸氣透濕係數 0. 35 ng /( Pa· m· s) ;導熱係數 0. 035 2 W /( m· k)。
( 3)乾法矽酸鋁纖維板
密度 188 kg /m3 ; 導熱係數 0. 036 W /( m· k);渣球含量 0. 0% ; 纖維平均直徑 6. 5 μm; 含水率0. 2% ; 憎水率 97. 3% ; 有機物 0. 8% 。
( 4)玻璃鋼
樹酯含量 60% ; 固化度 86% ; 抗彎強度 152; 抗拉強度 146 ; 抗壓強度 135 ; 耐腐M Pa M Pa M Pa性好。
3 防凍隔溫層現場實驗及效果測試
為了進行比較 ,對硬質聚氨酯泡沫塑膠、 PEF45倍泡沫塑膠、 FBT 保溫塗料等 4種材料進行了各約10 m 的現場實驗施工。 實驗情況如下:
( 1) K105+ 088～ K105+ 093段 ,距進洞口 59m,施工工藝採用 PEF聚乙烯 ( 45倍 )泡沫塑膠板材安裝 ,厚度 10 cm。 並在表面粘接 1 cm厚玻璃鋼防火層。
( 2) K105+ 093～ K103+ 103段 , 距進洞口 64m ,施工工藝採用 PU 材料分層噴塗法 ,厚度 6 cm。
( 3) K106+ 528～ K106+ 518段 , 距出洞口 17m ,施工工藝採用 PU 模具發泡沫 ,厚度為 6 cm。 並在 K106+ 518～ K106+ 520段的 PU表面粘接了 3cm 厚 FBT 稀土材料 ,於 K106+ 520～ K106+ 518段的 PU表面鋪掛了鐵皮防火保護層。
( 4) K105+ 103～ K105+ 110段 ,距洞口 74 cm ,未設隔溫層。
3. 1 防凍隔溫層實驗段溫度測試防凍隔溫層由硬質聚氨酯泡沫塑膠 , PEF聚乙烯泡沫塑膠、矽酸鋁纖維板、小錨桿鐵皮網、玻璃鋼板材等材料組成。
3. 1. 1 測溫孔布置
分別選取 K105+ 088～ K105+ 093、 K105+ 093～ K105+ 103和 K105+ 103～ K105+ 110三個實驗段。
3. 1. 2 測溫儀器
在隧道進出口各設一所氣象站和一所洞溫觀測站。 並配置以下儀器:
( 1)雙金屬溫度儀 (周記儀 ) ;
( 2)雙銀 (乾球 )溫度計;
( 3)實驗段預埋了 60 cm 和 80 cm 深度的測溫管 (內置幹球溫度計 ); 070、 K105+ 320、
( 4) 隧道竣工後在 K105+K105+ 520、 K105+ 785、 K106+ 050、 K106+ 450斷面處理設定了 50 cm 和 100 cm深度的後期觀測測溫管 (內置熱敏電阻 );
( 5)手持式紅外掃瞄器 (紅外線表面測溫儀 );
( 6)百葉箱等。
3. 1. 3 觀測時間及頻率
氣象溫度觀測指定專人 ,並規定每日 2、 8、 14、20時用溫度計進行測溫; 用雙金屬溫度儀記錄每日的極值溫度;實驗段的溫度觀測規定每 10 d連續測試 2 d ,每次讀數間隔時間為 2 ; 同時用手持式紅外表面測溫儀測試測點的表面溫度。
3. 1. 4 溫度觀測內容
在溫度觀測中 ,安排了以下觀測項目: 洞外氣溫、洞內氣溫、隧道襯砌表面溫度、距襯砌表面 60cm 和 80 cm 深處圍岩的溫度。溫度測試過程中正洞未貫通 ,影響到測值偏高。但是防寒洞與正洞在 K105+ 680處豎井貫通 ,使洞內已形成氣流對流 ,再加之實驗段位於洞口 ,故本階段觀測值比較接近正洞貫通後的實際情況。
3. 2 測試成果與分析
成果分析
( 1)未設定隔溫層時 ,在距襯砌表面 60 cm 和 80 cm 深處圍岩溫度基本在 0℃以下。在有裂隙水的情況下 ,會產生結冰現象 ,由於水結冰時體積要增大 9% ,從而產生凍脹力 ,引起襯砌混凝土開裂。所以在襯砌表面設定防凍隔溫層是必要的。
( 2) 距襯砌表面 60cm 和80cm 深處圍岩溫度基本保證在 0℃以上 ,從而保證了襯砌背面水不結冰 ,防止了凍害的發生。證實了所選用的隔溫層材料是合理的,體現了鋪設隔溫層的效果。
(3)全年洞外氣溫變化幅度最大,洞內氣溫和壁面溫度較接近,且變化幅度較洞外氣溫要小。體現了地下工程有恆溫性的特點。
(4)未設隔溫層的實驗段60 cm 孔和80 cm 孔內溫度變化幅度較設定隔溫層的各實驗段孔內溫度變化幅度要大,由此說明設定隔離層是改善和控制襯砌內溫度不受外界影響的有效辦法。
(5)從表中可知,各實驗段洞內氣溫與壁面溫度基本接近,因此,設計時把洞內氣溫作為壁面溫度進行導熱計算是可行的。總之,從地溫測孔測試數據看,冬季保溫層後面襯砌溫度可保持在0℃以上。經過一個冬季的觀察, 選定了硬質聚氨酯泡沫塑膠。 但現場發泡工藝不理想,導熱係數指標超標,平整度差,因此在仰拱施工中採用了硬質聚氨酯型材。 硬質聚氨酯材料具有導熱係數低、防水優良的優點,但具有可燃性,直接用於隧道不安全。試驗施工中採用的FBT 等防火保溫塗料,出現剝落現象,而其它防火層又不隔熱。後又選用乾法矽酸鋁纖維材料,這種材料具有導熱係數低,耐高溫的優點,缺點是防水性能較差。針對這種材料的特點,把矽酸鋁纖維設定在硬質聚氨酯外面, 再用玻璃鋼及防水保溫塗料作為保護層進行實驗性施工,最後經比較選出硬質聚氨酯泡沫塑膠型材(主體保溫層)+ 乾法矽酸鋁纖維板(複合保溫及防火層)+ 玻璃鋼(保護層)的方案。
4 結 語
寒冷地區隧道防凍害是一個棘手的問題, 筆者通過現場實驗, 證實了採用防凍隔溫措施進行防治凍害的可行性, 並對防凍隔溫層的材料組合和施工工藝進行了最佳化。 今後對隧道通車後防凍隔溫層的使用效果和長期有效性還應加強觀測, 同時, 還應加強對寒冷地區隧道產生凍害機理的理論分析研究。
