EPS/XPS 聚苯板保温材料在三峡工程中的研究与应用

摘要：为防止因气温骤降引起大坝混凝土表面裂缝，应对坝体进行表面保温。根据设计要求并结合三峡二期工程保温材料实际运用情况，通过一系列试验比选，最终选择聚苯板作为三峡工程三期大坝、厂房永久暴露面保温材料。经使用验证，采用聚苯板作为保温材料保温效果良好，施工工艺简便，满足坝体跟进保温要求，且因耐久性好可多年保温，具有较好的经济性。
关键词：坝体保温； 聚苯板； 三峡三期工程


气温骤降是引起大体积混凝土表面裂缝的主要成因。根据有关资料，三峡坝区气温骤降多发生在秋、春季，此期间温度降幅也达到最大。气温骤降引起的坝块裂缝，主要发生在混凝土早龄期，以6～20 d发生率最高。二期工程厂坝混凝土裂缝成因研究成果表明，秋冬季节，由于气温年变化的影响，坝体内外存在较大温差，即使对于已浇筑2～3年的老混凝土坝体也可能产生裂缝。因三峡大坝暴露面大，坝址气温骤降频繁，更凸显坝体表面保护的重要性。设计提出对于三期厂坝永久暴露面在10～4月份浇筑的混凝土，拆模后立即设永久保温层，5～9月份浇筑的混凝土，10月份设永久保护层，保温后混凝土等效放热系数β≤1.5～2.0 w/m2•℃。
三峡二期工程中主要采用1.5～2.0 cm厚表面粘结彩条布的高发泡聚乙烯塑料卷材作为保温材料，存在封闭不严导致透风，保温材料较易受损，耐久性差诸问题，故其保温效果不理想。为此，在三峡三期厂坝开工后，即开展了大量试验比选工作，以确定合适的保温材料。
1 保温材料性能及保温效果试验
在对国内生产的保温材料广泛调研基础上，选取了三种较为适合用于坝体大面积保温的材料，即聚苯板、珍珠岩发泡保温涂料和发泡聚氨酯。三种材料的施工方法，聚苯板保温材料的做法为：人工涂刷粘结剂+人工粘贴聚苯板+防水涂料；珍珠岩发泡保温涂料的做法为：人工涂抹珍珠岩发泡涂料；聚氨酯保温材料的做法为：机械喷涂聚氨酯。
1.1 保温材料性能
聚苯板保温材料由粘结剂、聚苯板、防水涂料组成。①粘结剂：由矿物型胶凝材料、优化级配的骨料及特殊的添加剂组成。其拉伸粘结强度≥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：是一种双组分、丙烯酸类高聚物改性的水泥基防水材料，由无机（水泥基）材料和高分子材料复合而成。当两种组分按一定比例拌和后，其中的聚和物乳液失水而成为具有粘结性和连续性的弹性膜层，水泥因与乳液中的水发生水化反应而产生硬化，水泥硬化体分散、填充在聚合物膜层牢固地形成一个坚固而有弹性的防水层。防水涂料可以提高聚苯板的机械强度和耐久性，其拉伸强度≥0.12 MPa。
聚氨酯硬质泡沫由主料与辅助材料组合而成，包括发泡剂、催化剂、稳定剂、阻燃剂。聚氨酯硬质泡沫在没有加入发泡剂之前是一种强度极高的粘合剂；在加入发泡剂制成泡沫后，其粘结力仍然很强，仍能跟水泥（混凝土）连为一体。由于水对聚醚型氨酯基本上没有溶解、腐蚀作用，水与泡沫不起反应，所以被水淹后不易脱落。
珍珠岩发泡保温涂料是依据对冶金工业炉窑保温的原理，以珍珠岩、矿物纤维为主要原料，以水性结合剂复合而成，它具有无毒、无污染、保温隔热、阻燃等特性，可以在任何形状的物体表面进行保温。使用后可直接用高压水冲洗干净，没有环境污染，采用的矿物原料可以在自然中消解。
以上3种材料的主要理化指标见表1、2、3。
保温材料等效放热系数β值的计算公式：
β效＝k／(0.05+δ／λ)
其中k为修正值，根据保温的密封情况而定，k＝1.0～1.20；当粘贴接缝紧密不透风时，取k＝1.20（或更趋近于1）。
λ为热导系数；
δ为保温板厚度。
上述公式反映了等效放热系数与板厚的关系，由此可计算出保温材料在相同等效放热系数条件下的板厚： δ＝λ(k／β效-0.05) 取β效＝1.5 w/m2•℃，k＝1.20。
聚苯板、珍珠岩发泡保温涂料和发泡聚氨脂三种材料的导热系数分别取0.034、0.045和0.019 w/m•k，分别计算得板厚为2.55、3.38和1.43 cm。
从上述材料需要的厚度对比，在满足相同的等效放热系数条件下，珍珠岩发泡保温涂料需要的厚度最大，聚苯板需要的厚度次之，发泡聚氨酯需要的厚度最小。
1.2 保温效果试验
在三峡工地现场测试了聚苯板、珍珠岩发泡保温材料的保温效果；限于条件，发泡聚氨脂的保温效果直接采用新疆塔西河石门子水库大坝的有关测试数据。
测试现场：在纵向围堰右侧选取2个0.6 m×2 m区域内各凿槽埋设2支电阻温度计，另外再埋设2支电阻温度计测试现场气温和混凝土表面温度。混凝土表面温度计凿浅槽埋设于混凝土表面。同时用酒精玻璃温度计测试环境气温，与电阻温度计测量结果进行互校。仪埋完成后，进行保温材料施工。I区采用2.8 cm厚聚苯板，粘结剂粘结，表面涂防水涂料。II区采用珍珠岩发泡涂料，按不下坠脱落要求，涂抹厚度为1.8～2.2 cm。保温材料及仪器埋设2天后，按1天3次（早上8∶00，下午15∶00，晚上23∶00） 进行观测，从2003年8月21日开始观测，连续测量1个月，特征值统计见表4。
两种材料相比较，聚苯板的保温效果要优于珍珠岩发泡保温涂料的保温效果。
发泡聚氨酯保温效果：
新疆塔西河石门子水库大坝采用发泡聚氨酯作为坝体保温材料。据测试资料，喷涂聚氨酯后坝面20天内，当气温在-12℃～3.5℃之间，温度变幅为15.5℃条件下，内部温度在4.1℃～6.8℃之间，内部温度变幅为2.7℃。
可见，聚氨酯有较好的保温效果。
2 保温材料比选
(1)聚苯板 操作工艺简单，易施工，只需在聚苯板上涂抹粘结剂，然后将涂抹好的聚苯板粘贴在混凝土面上，最后在聚苯板表面涂刷一道防水涂料。
三峡工程混凝土永久外露面均使用的是大型悬臂钢模板，模板支腿部位保温一直是薄弱环节，因模板支腿结构影响，此部位只能采用吊挂保温被临时保温，因封闭不严导致保温效果较差。一般将模板提升后再进行永久保温。采用聚苯板粘贴工艺可在模板支腿支点部位处裁剪聚苯板预留缺口，先行将模板支腿其他部位保温，待模板提升后，再将支腿部位缺口补上，较好地解决了坝体跟进保温问题。聚苯板较轻，易于转运，适合高空粘贴作业。人工粘贴作业时，采取系安全带措施后可使用固定在模板支架上的软梯或在模板下支架上进行，施工方便。
聚苯板粘贴后不易脱落，耐久性强，可作为永久保温。混凝土面粘贴聚苯板厚度均匀，不因人为操作因素而出现的厚度不均现象；涂刷防水剂后的聚苯板表面与没有粘贴的混凝土面颜色相近，外形较好。
聚苯板本体机械强度较差，在外力作用下较宜折断，表面较宜破损，但涂抹水泥基柔性防水涂料后可解决此问题。
(2)珍珠岩发泡保温涂料
耐久性、整体性较好。保温涂料施工需由人工直接在混凝土面涂抹，涂抹耗时较长，材料转运不便，也不适合进行高空作业。涂抹后24 h硬化期内受水冲刷或其它因素影响宜脱落。
保温涂料涂抹厚度因下坠而不宜过厚，且厚度也不易控制，宜出现厚度不均现象，同时，导热系数也较大，受上述几种因素制约。
(3)发泡聚氨酯
聚氨酯操作工艺复杂，喷涂需借助空压机、喷涂机等设备，设备布置需占压仓面施工部位。喷涂必须采用喷枪进行，需离开坝面一定距离，喷涂作业困难，喷涂厚度不易控制。喷涂前，设备吊运安装调试及材料准备工作量较大，故发泡聚氨酯仅适于大面积喷涂，不适应跟进保温。
经综合比较，聚苯板保温性能满足要求，在操作工艺、耐久性等方面明显优于珍珠岩发泡保温涂料和发泡聚氨酯材料，能够保证大坝整体保温质量。
3 聚苯板的应用
3.1 应用部位及型式
考虑到大坝上游面产生裂缝的危害性，应加强该部位的表面保护。经业主决策，实施过程中大坝上游面高程98.0m以下及基础约束区范围采用加厚至5 cm聚苯板。大坝上游的其它部位、下游永久面、钢管槽侧墙、主厂房Ⅲ区下游高程43.0～80.0 m(尾水管以上，尾水平台牛腿根部以下)之间的部位、右厂排坝段高程82.0 m以下使用3 cm厚聚苯板。均采用粘结剂＋聚苯板＋表面防水涂料的做法。
3.2 施工工艺
3.2.1 施工程序
基面处理→配制专用粘结砂浆→聚苯板涂抹砂浆→粘贴聚苯板→刷表面防水剂。
3.2.2 施工方法
为方便检查混凝土外观施工质量，所有保温板采用外贴施工方法。先将保温板用粘结剂粘贴在混凝土面，然后在保温板上涂刷防水涂料。
保温板粘贴施工在模板上升后由人工完成，保温板粘贴作业按4～5人为1组，先将坝体贴保温板部位的灰浆铲除并用水清洗干净，经外观检查合格后即可粘贴聚苯乙烯板。高空作业使用软梯，软梯系在其上部已安装好的模板上，作业人员系双保险后顺软梯下至工作面，仓面上的其他工作人员预先在聚苯乙烯板上涂刷粘结剂，然后将聚苯乙烯板用绳索放下，软梯上的作业人员再将聚苯乙烯板粘贴到混凝土面上，最后用手拍打保温板，确保粘贴牢固。聚苯板粘贴由下至上错缝进行，缝距1/2板长。聚苯乙烯板在坝段之间分缝处粘贴时不跨缝，亦不在留缝处涂刷防水涂料。
3.2.3 聚苯板的粘贴工艺
混凝土表面预处理：清除混凝土表面的浮灰、油垢及其它杂物。
采用标准的10/12带齿刮板，将干燥的聚苯板背面涂抹粘结剂。粘结剂按每袋（25 kg）+水6 L配制。
将涂抹好的聚苯板平整、牢固贴在混凝土面上，板与板之间挤紧不留缝隙，碰头缝处不涂抹粘结剂。每贴完1块，及时清除挤出的粘结剂，板间不留间隙。若因聚苯板面不方正或裁切不直形成缝隙，用聚苯板条塞入并打磨平。
预先在聚苯板外表面涂刷一遍防水涂料，待防水涂料干后再进行聚苯板粘贴。粘贴完成后，在聚苯板表面采用抹、滚、刷的方法再均匀刷涂1道防水涂料，特别注意对接缝部位的封闭涂刷。防水涂料的粉料、液料按6∶4（重量比）比例混合配制。每道涂刷完成后应认真检查，防水涂层不得出现漏刷、裂纹、起皮、脱落等现象。24 h内不得有流水冲涮。
3.2.4 维护和检查
每年入秋前要对永久保温层进行检查和维护，对脱落部位立即进行修补完善，以确保保温效果。[BT1]
4 应用效果测试
在三期厂坝大量采用聚苯板作为保温材料后，为检测加厚至5 cm聚苯板的实际保温效果，在右厂18-2-甲块上游面进行了保温性能测试。从2003年9月24日18∶20至25日18∶20连续24 h内，每1 h监测1次，其后按照每2 h 1次监测1周，同时用玻璃温度计测外界气温。温度过程线见图1。
图1 右厂18-2-甲块上游面5cm厚聚苯板温度过程线
测试结果：外界气温在14.0℃～35.0℃范围变化，温度变幅为21.0℃的条件下，右厂18-2-甲块上游面聚苯板内部温度在23.8℃～24.4℃之间，温度变幅为0.6℃。在连续两测点气温变幅最大值为6.8℃时，聚苯板保温后混凝土表面温度变幅仅为0.3℃。试验结果表明：5cm厚聚苯板内部基本上保持相对恒温、恒湿，有效地减少了混凝土内外温差过大及干缩造成的裂缝。