寒区水工建筑物EPS保温板设计参数的选择

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技No.2,2005(第33卷)HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy(TotalNo.33)文章编号:1007-7596(2005)02-0005-04寒区水工建筑物EPS保温板设计参数的选择那文杰,张
滨(黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨
150080)摘
要:文章通过试验分析、研究了EPS保温板的物理力学性能及其设计参数(吸水率、厚度、导热系数)的选择方法,并证明了苯板的工程实用价值。关键词:寒冷地区;水工建筑物;EPS;参数选定中图分类号:TV6



文献标识码:A

在寒冷地区相当多的水工建筑物都不同程度的遭受到冻其在大气条件下的吸水特征,并用导热系数测定仪测其在不胀破坏,影响水工建筑物正常运行和效益的发挥。传统的防同吸水率状态下的导热系数。在平均温度为15、密度为33止冻害的做法是将基础埋置于最大冻深以下,但是将2/3的30kg/m和20kg/m时,测得干燥状态EPS保温板的导热系数工程量埋在地下很不经济。聚苯乙烯保温板(EPS)的出现及分别为0
0388和0
040(W/mK),不同吸水率状态下的导热应用,为水工建筑物的冻害防治开辟了新的途径,建筑物采用系数为0
041~0
054(W/mK)、0
042~0
056(W/mK)。导热EPS保温板后,可以大大地减轻或消除土体冻胀对建筑物的系数约增大1
05~1
4倍(见图1、图2)。影响,使基础埋深大大减少,节省了工程量和资金。就EPS保温板在水工建筑物的抗冻设计而言,其关键在于如何正确选择保温板的设计参数。为此,本文通过对EPS板一些基本性能的试验研究,以探讨如何正确选择EPS板的设计参数。1
EPS保温板的特性1.1
物理特性EPS保温板是由聚苯乙烯泡沫塑料颗粒发泡后在模具中加热压缩成型或通过挤压工艺成型的板状材料。其物理特性图1
EPS导热系数与体积吸水率关系曲线包括:密度、吸水率(重量吸水率、体积吸水率)、导热系数和比热。其密度由成型阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定,介于3310~40kg/m之间,工程中常用密度为20~40kg/m之间,仅为普通填料(土)的1/50~1/100。EPS保温板是一种质轻、压缩性强、吸水率小、导热系数低、具有一定隔水性和塑性的保温材料。其体积吸水率一般最大不超过5%,但其吸水率对导热系数的影响显著,实验表明:当EPS保温板的体积吸水率为2%时,导热系数可增大10%,当体积吸水率达到4%时,导热系数则可增大40%,由图2可看出保温效能下降了40%。因此,EPS保温板做为水工建筑物的保温材料埋入地基土中时,应考虑吸水对保温性能的影响,才能提高其保温效能,满图2
EPS热阻比与吸水率关系曲线足工程构造物的抗冻要求。根据试验规程对EPS板进行室内试验,在测试湿容重及1.2
EPS保温板冻融循环特性吸水率前,将2组不同密度的试样置于水中浸泡96h以测试为了探讨在冻融循环条件下,EPS板的特性,测定EPS板
[收稿日期]2005-01-12[作者简介]那文杰(1952-),男,辽宁北镇人,高级工程师,季节冻土区水工建筑物地基土冻胀性工程分类获1988年国家科技进步二等奖;季节冻土区水工挡土墙抗冻技术的研究1989年获黑龙江省科技进步二等奖,平原水库土坝坡防冰冻破坏试验研究1999年获黑龙江省科技进步三等奖;张滨(1957-),男,黑龙江哈尔滨人,教授级高级工程师,寒区环境条件对混凝土的侵蚀作用及防治措施的研究2000年获省科技进步三等奖。

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2005年冻融循环后的线性变形及变化特性取不同密度EPS板化(见图3)。随着冻融循环次数的加大,EPS的体积(重量)吸33(20kg/m和30Kg/m)各一组,每组2个、试件尺寸为水率在成倍增长(不成线性),其增大数值比现行规范标准大10!10!20cm),将试件浸入装有水的橡胶容器中,顶面压上2~10倍。适当重物防止试件浮起。试验是在1
5m!1
0m!1
0m的冷实验室试验表明,EPS保温板在不同温度、湿度(饱水)和冻箱中进行的,温度设定为∀20。箱内配有自动控温设施,冻融循环条件影响下,其热物理属性的改变是值得关注的。每当进行50次冻融循环后,将试件取出检测一次试件的几何它的导热系数可比原来增大10倍,由此可见EPS板作为水工变形及重量,经过200次冻融循环试验,表明EPS的线性热膨建筑物的保温材料埋入地基土中时,其热阻值必须满足基础胀系数没有发生明显的改变,EPS的吸水率发生了显著的变工程的抗冻要求,避免基础出现负温或冻结现象。图3
EPS冻融循环次数含水率曲线1.3
力学特性荷载,用百分表测应变,每隔60min加一次荷载并记录一次应1.3.1
可压缩性变读数,荷载等级为12
5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、150kPa、抗压强度是EPS的重要指标。我们曾在室内进行试验,200kPa、300kPa(平均加载速率约为0
016mm/min)。对直径
75mm、高150mm的园柱试件在5mm/min的应变速率和典型条件(温度为23,相对湿度50%)下,采取应变控制形式的无侧限单轴压缩试验,试验结果如图4所示。从图4的应力-应变曲线可以看出不同密度的EPS在变形初始阶段表现为很好的弹性状态,在1%~2%的应变范围内表现为线弹性行为,之后发生屈服现象。EPS在压缩条件下的屈服不是出现在某一点,而是在某一范围。屈服后EPS表现为屈服硬化,且开始阶段仍是线形的,当应变继续增长,EPS呈现非线性,此时EPS的空腔结构已遭破坏,产生明显的塑性变形。图5
EPS应力~应变曲线(应力控制)

由应力-应变关系曲线可以看出,应力控制与应变控制试验规律基本相同。当应变小于2%时的强度值基本一致,当应变大于2%时应力控制有侧限时的抗压强度要明显低于无侧限时的抗压强度。图6为不同密度EPS弹性阶段(应变小于2%)的强度值,取95%的保证率可作为不容许变形工程的设计依据(见表3)。图4
EPS应力~应变曲线(应变控制)1.3.2
蠕变特性EPS属热塑性材料,与其他土工合成材料一样,在设计中

图5是在有侧限的应力控制式所得到的应力-应变曲应考虑材料随时间的性能变化。这种变化包括蠕变和松驰。333线,EPS试件尺寸为
62mm、高20mm圆形。密度分别为分别对密度为15kg/m、20kg/m、30kg/m干燥EPS圆柱333316kg/m、20kg/m、30kg/m和40kg/m(试验温度18,相对湿试件(直径100mm,高50mm)在不同竖向应力作用下,做有侧度50%)。试验是在一钢架平台上进行的。用砝码施加垂直限条件下的蠕变试验,得其实验曲线和变化规律如图7和表 2005年第2期











那文杰等:寒区水工建筑物EPS保温板设计参数的选择















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1所示。表2查取。试验得出以下结果:不同荷载作用下,蠕变曲线不同,当荷载较小时,蠕变增量极小;当荷载超过某一范围,蠕变增量显著增大。荷载小于1/2抗压强度(容许抗压强度即应变小于2%时的抗压强度)时,可以忽略蠕变影响。

从图中可看到EPS最主要的蠕变出现在加载初期,随着时间的增长蠕变速度逐渐下降,1年后变化相当缓慢。所以,EPS基层由蠕变产生的额外永久变形在基础工程中只有微小的影响。

表1EPS蠕变性能表密度/kgm-3)302015图6
EPS弹性阶段应力~应变曲线荷载/kPa753050203015蠕变/%(1d)0
150
090.400.080.530.35蠕变/%(130d)0.530.291.070.391.510.63与总蠕变比/%283137213556

表2导热系数修正系数值表EPS密度/kgm3体积吸水率/%00.5-123420-3011.051.11.21.43

注:本表允许内插取值。图7
EPS蠕变性能曲线(密度20kg/m)

表3聚苯乙烯泡沫塑料板物理力学性能表性能指标项
目单
位#∃%&∋表观密度不小于kg/m32025304050(相对变形1%)kPa35406080压
缩(相对变形2%)kPa7080110160强
度(相对变形10%)kPa100120150200300导热系数不大于W/(m.K)0.0410.039吸水率(体积)不大于%422223
保温材料的设计导热系数在一般正常条件下使用的EPS保温材料或其他材料,在进行建筑热工设计计算时,可直接取用GB/T10801
1(2002国标中的导热系数值(见表3)。但是,在一些特殊条件或特殊环境下(水工建筑中)使用保温材料时还应按材料的吸湿率进行修正,修正后的导热系数才能用于水工建筑热工设计计算。这就需要引入一个叫导热系数的修正系数,将国标规范中的导热系数作为标准值0,乘上修正系数即为导热系数设计值d,即:d=0(1)图8
导热系数修正系数与含水率关系曲线式中:d为导热系数设计值(在水工建筑热工设计计算中采用的实际计算用的材料导热系数),W/(mK);0为导热系3
保温板设计厚度的确定数标准值(干燥状态下的导热系数),按表3选取,W/(mK);关于保温板设计厚度比较方便的设计方法有两种:为导热系数的修正系数,根据保温材料体积含水率按图8或

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2005年3.1
相关比拟法0D=(Kd0R-!)(6))相关比拟法∗实质是通过典型实验工程观测资料,求出式中:(((导热系数修正系数,为湿/0的比值按表2查取;典型工程底板下刚好无冻结层时的保温基础的热阻值Ro为Kd(((日照遮荫程度修正系数,按+渠系工程抗冻设计)典型热阻∗。再根据)冻结指数线性相关、地热流相等∗的假规范,(SL23)选取;定,计算拟建工程的保温基础设计热阻值,然后求出保温层厚2R(((拟建工程的保温基础热阻,
mK/W;按(3)式计度。该方法是一种简捷、实用、且被工程实践所验证的有效方算;法。0(((保温材料的导热系数标准值,W/mK;I设计热阻值

R=R(2)I0!(((基础板厚度cm;2(((基础材料的导热系数,混凝土为1.55W/mK。式中:R(((拟建工程的保温基础热阻,
mK/W;33.2
对于中小型工程可以采用经验估算法,即保温板的厚度Ro(((典型热阻(由实验方法求得)
mK/W;I(((拟建工程地点的冻结指数,d;S=(1/10~1/15)HdIo(((典型工程地点的冻结指数,d(可参考黑式中:Hd(((工程地点设计冻深。龙江水利科学研究院万家冻土试验站的资4
结论通过EPS室内试验和实际工程应用可以得出如下结论:料);4.1
EPS保温板自重轻,强度高,吸水率低,隔热性好,运输全保温基础(基础板下刚好无冻层)的基础典型热阻为:2方便,是一种良好的工程隔热材料,能有效的保护地基温度场Ro=2
6mK/W相应实测冻结指数Io=1870d代入公式的稳定。采用EPS保温板作为寒区水工建筑物地基土上的防(2)得拟建工程保温基础的热阻值。冻胀保温体是一种行之有效的方法。R=0.06IK(3)4.2从实际使用效果看EPS材料具有足够的承载力,水工建式中:K(((安全系数,由建筑物地域,结构形式,水文地筑物要根据不同的荷载来选择不同密度的EPS板,对于不允质等因素决定,一般取1.1~1.2。许变形的构造物应选择EPS弹性阶段的强度指标。根据热工原理,欲建工程保温基础热阻等于地表热阻、混4.3
EPS保温板有一定的防水隔渗能力(不是最佳的防水材凝土基础热阻、保温层热阻之和,即:料),其防水隔渗性能将影响到保温板的保温效果和抗冻害变1S!0R=+0+h(4)形能力,因此水工上用的EPS保温板在施工中应考虑吸水对1!0保温性能的影响,正确选择EPS板的设计参数才能延长工程s=(R--)0(5)h使用寿命。式中:(((地表放热系数,=13V;一般工程上可取=15;4.4
EPS保温材料的设计导热系数(不能选用一般正常条件3R(((拟建工程的保温基础热阻,
mK/W;下使用的导热系数)的选择要考虑工程地域水文地质(地下S(((保温层厚度,cm;水、土壤水份条件、湿度等)的影响因素按最不利情况选择。0(((保温层材料的导热系数标准值,按表3选取,4.5
本文的研究结论和EPS物理力学参数指标,对我国寒区W/mK;水工建筑物抗冻工程的设计、施工具有一定的参考和使用价h(((对应的保温层、混凝土导热系数,W/mK;值,由于作者试验涉及的材料数量及实验工程有限,所以有必!0(((混凝土(衬砌)基础厚度,cm;要通过更多相关试验以便进一步补充、完善。V(((当地平均风速,m/sec。参考文献:保温板的设计厚度按下式计算:[1]
GB/T10801.1(2002,绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料[S].[2]
SL211(98,水工建筑物抗冰冻设计规范[S].'