（材料学专业论文）渠道防水保温材料的制备与性能研究.pdf

摘要 南水北调工程是缓解我国北方水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环 境的重大战略性基础设施。为保证输水安全，减少输水渗漏，南水北调输水渠 道多采用混凝土衬砌。然而由于南水北调工程规模巨大，跨多个流域，处于我 国北方地区的渠道衬砌体由于气候寒冷，易产生冻胀破坏，严重影响了渠道的 安全运行和工程效益的发挥。因此，研究解决渠道衬砌体的冻胀破坏问题有着 非常重要的工程意义。 解决渠道冻胀的有效措施是采用优良的保温材料。本文主要制备了满足渠 道防冻胀的保温材料，并对保温材料的性能进行了研究。系统研究了玻化微珠、 粉煤灰、聚丙烯纤维、可再分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、木质纤维对玻 化微珠保温砂浆性能的影响。研究结果表明：随玻化微珠掺量的增加，保温砂 浆干表观密度、抗压强度减小，导热系数降低；合适的粉煤灰能改善砂浆的和 易性，降低保温砂浆的干表观密度；可再分散乳胶粉的掺入能提高保温砂浆的 韧性；适宜的纤维素醚掺量能改善砂浆的施工性能；聚丙烯纤维的掺入可以提 高保温砂浆的抗开裂性；木质纤维的掺入能够改善保温砂浆的组织结构，使保 温砂浆具有一定的韧性。 通过研究灰砂比、可再分散乳胶粉、聚丙烯纤维、防水剂对防水抗裂砂浆 性能的影响，结果表明：灰砂比为1 ：2 时，砂浆的和易性较好，韧性也较好；可 再分散乳胶粉可以改善砂浆的韧性，提高粘结性能；聚丙烯纤维对砂浆的施工 和易性有不利的影响，但能够改善砂浆的韧性和抗开裂性；防水剂能够显著降 低抗裂砂浆的吸水率，并保持长期吸水率小于6 。 通过乳化沥青对玻化微珠保温砂浆进行复合改性，研究乳化沥青对保温砂 浆性能的影响，结果表明：随着乳化沥青掺量的增加，玻化微珠保温砂浆的干 表观密度、吸水率均有显著降低，而抗压强度和抗折强度则呈现先增大后逐渐 减小的趋势。同时，乳化沥青对保温砂浆的保温性能也有一定的改善作用。 关键词：渠道，保温材料，抗裂砂浆，玻化微珠，乳化沥青 a b s t r a c t t h es o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ( s n w t p ) i sas t r a t e g i cw a t e r i n f r a s t r u c t u r et h a ta i m st os o l v et h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u l c e si nt h en o r t ho fc h i n a , t oo p t i m i z ew a t e rr e s o u r c e sd i s t r i b u t e da n dt oi m p r o v et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h ec h a n n e lo fs n w t pw i t hc o n c r e t ec a n a ll i n i n gi su s e dw i d e l yi no r d e rt oe n s u r e s a f e t ya n dr e d u c el e a k a g e t h es n w t p i sah u g ep r o j e c t ，a n dm a n yr i v e rb a s i n sr u n a c r o s s t h e r e f o r e ，f i o s th e a v i n gi sac o n l r n o np r o b l e mi nc o n c r e t ec a n a ll i n i n gi n w i n t e r , e s p e c i a l l yf o rc o l dw h e a t h e ri n t h en o r t ho fc h i n a ，a n di ta f f e c t e db a d l y p o s i t i v eb e n e f i to ft h ec h a n n e l c o n s e q u e n t l y , i ti so fg r e a ti m p o r t a n th o wt o s o l v e f r o s th e a v i n go fc o n c r e t ec a n a ll i n i n g h e a t i n s u l a t i n gi sae f f e c t i v em e a s u r ei ns o l v i n gf r o s th e a v i n g i nt h i sp a p e r , a k i n do fq u a l i t yi n s u l a t i n gm a t e r i a lw a sm a d e ，a n di t sp e r f o r m a n c e sw e r es t u d i e d i t m a i n l ys t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h ee f f e c to fe a c hc o m p o n e n ts u c ha sg l a z e dh o l l o w b e a d ，f l ya s h ，p o l y p r o p y l e n ef i b e r , r e - d i s p e r s i b l ee m u l s i o np o w e r s ，h y d r o x y p r o p y l m e t h y l c e l l u l o s e ，l i g n o - c e l l u l o s ew h e nt h em i xa m o u n tc h a n g e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：w i t ht h ea m o u n to fg l a z e dh o l l o wb e a di n c r e a s i n g ，d r yb u l kd e n s i t ya n d c o m p r e s s i o ns t r e n g t hd e c r e a s e d ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e d ，t o o t h es u i t a b l e a m o u n to ff l ya s hc a ni m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo fm o r t a ra n dd e c r e a s ed r yb u l k d e n s i t y ；t h ep o l y p r o p y l e n e f i b e rc a n i m p r o v et h ec r a c kr e s i s t a n c e t h er e d i s p e r s i b l e e m u l s i o np o w e r si n c r e a s e dt h et e n s i l eb o n d a p p r o p r i a t ea m o u n to fh y d r o x y p r o p y l m e t h y l c e l l u l o s e f r e s hm o r t a rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n s t r u c t i o n t h e l i g n o - c e l l u l o s ec a ni m p r o v et h eo r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r eo fm o r t a r , a n dm a d et h e m o r t a rf l e x i b i l i t y i t m a i n l y s t u d i e dc e m e n t s a n d r a t i o ，r e d i s p e r s i b l e e m u l s i o n p o w e r s ， p o l y p r o p y l e n ef i b e ra n dw a t e rr e p e l l e n ta d m i x t u r e o nm o r t a rp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nc e m e n t s a n dr a t i ow a s1 ：3 ，t h ew o r k a b i l i t ya n d t o u g h n e s so fm o r t a rw a sb e t t e r t h er e d i s p e r s i b l ee m u l s i o np o w e r sm a yi m p r o v et h e m o r t a rt o u g h n e s s ，a n de n h a n c e db o n ds t r e n g t ho fm o r t a r t h ep o l y p r o p y l e n ef i b e r i n f l u e n c e dp a s s i v e l yt h em o r t a rw o r k a b i l i t y , b u ti tc a nr e m a r k a b l yi m p r o v et h em o r t a r t o u g h n e s sa n dc r a c kr e s i s t a n c e t h ew a t e rr e p e l l e n ta d m i x t u r ec a nr e m a r k a b l y d e c r e a s ew a t e ra b s o r p t i o n a n dk e p tw a t e ra b s o r p t i o nl e s st h a n6 f o ral o n g t e r m i i t h ea s p h a l te m u l s i o nw a sa d m i x e dt o i m p r o v ei n s u l a t i n g m o r t a rs o m e p e r f o r m a n c e s t h ee f f e c to fa s p h a l te m u l s i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fg l a z e dh o l l o w b e a di n s u l a t i o nm o r t a rw a si n v e s t i g a t e d 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed r y b u l kd e n s i t ya n dw a t e ra b s o r p t i o nw e r ed e c r e a s e dd u et oa d d i t i o no fa s p h a l te m u l s i o n t h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n df l e x u r es t r e n g t hw e r ei n c r e a s e df i r s t t h e nd e c r e a s e d w i t hi n c r e a s eo fa s p h a l te m u l s i o nc o n t e n t f u r t h e r m o r e t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h ei n s u l a t i o nm o r t a rw a si m p r o v e ds l i g h t l yb ya d d i n go ft h ee m u l s i o na s p h a l t k e yw o r d s ：c h a n n e l ，i n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，a n t i c r a c k i n gm o r t a r , g l a z e dh o l l o wb e a d ， a s p h a l te m u l s i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表的和撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：赵塑量日期：望! ! ：量 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学关于保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：赵亟曼导师签名 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 南水北调工程简介 第1 章绪论 2 1 世纪水资源日益短缺成为全球性的问题。1 9 7 7 年在阿根廷召开的世界水 会议上，联合国把水资源问题提到全球的战略高度来考虑，1 9 9 3 年起确定每年 的3 月2 2 日为“世界水日”。联合国2 l 世纪议程中提出：“淡水是一种有限 资源，不仅为维持地球上一切生命所必须，且对一切社会经济部门都具有生死 攸关的重要意义”。世界各国都积极采取措施保护水资源。 我国水资源总量虽丰富，但人均拥有量却很少，仅为2 2 0 0 立方米，是世界 人均水平的1 4 ，被列为1 3 个贫水国之一。另外，我国水资源时空分布很不均 匀，长江流域及其以南地区的河川径流量占全国的8 0 以上，耕地面积仅占全 国的3 5 ，是我国的丰水地区，而海河、黄河和淮河三大流域河川径流量不到 全国的6 ，耕地面积却占全国的4 0 ，均属缺水地区。不相匹配的水土资源 组合必将影响国民经济发展和水土资源的合理利用。跨流域调水可有效解决水 资源与土地、劳动力等资源空间配置等问题，实现水与各种资源之间的最优配 置，从而促进各种资源的开发利用，支撑国民经济的可持续发展。南水北调是 党中央、国务院批准兴建的大型流域调水工程，是实现我国水资源优化配置的 战略基础性工程【l j 。 南水北调工程是优化我国水资源时空配置的重大举措，是解决我国北方水 资源严重短缺问题的特大型基础设施项目。该工程分东、中、西三条水线路， 建成后与长江、淮河、黄河相互连接，将构成我国水资源“四横三纵、南北调 配、东西互济”的总体格局。南水北调的实施对于推动经济结构战略性调整改 善生态环境，提高人民生活水平实现全面建设小康社会的目标促进地区经济社 会协调发展和可持续发展不断增强综合国力具有极为重要的作用。 1 1 2 渠道冻胀破坏的形成 为保证输水安全，减少渗漏，提高水利用效率，充分发挥水利工程效益， 对输水渠道进行衬砌是非常必要的。没有衬砌的输水系统，水量损失一般都很 武汉理工大学硕士学位论文 大。有资料显示【2 】：在自然状态下，当渠首引水5 0 m 3 s 时，末端流量为1 3 8m 3 s ， 全渠平均渗漏损失1 3 2 m 3 m 2 d ，损失率达7 2 4 。渠道衬砌虽不能完全消除输 水过程中的各种损失，但是根据经验，良好的渠道衬砌其渗漏损失不会超过 3 0 l ( m 2 d ) 。因此，渠道衬砌的施工质量，对整个输水工程经济效益的高低有着 重要的影响。混凝土防渗渠道具有防渗性能好、允许流速大、边坡糙率小、使 用寿命长和适应性强等优点，因此南水北调干渠多采用机械化连续施工的混凝 土衬砌。 通过修建渠道防渗工程，使渠系水的利用效率得到很大提高。同时也应该 注意所有这些防渗工程都存在不同程度的毁损。我国长江以北的广大区域都属 于季节性冻土区，其中冻结深度大于o 5 m 的地区占国土面积的一般以上【3 】。渠 道防渗衬砌结构的冻胀破坏在我国北方是较为普遍的问题。许多渠道衬砌工程 往往建成后第一年冬季，即出现冻土上抬、裂缝和严重变形，加之渠道经常通 水，这些冻害现象逐年加剧发展，有的三至五年，即遭完全破坏；有的工程虽 未完全损毁，勉强继续使用，但也需要年年维修，花费大量的投资和劳力，许 多新工程尚未完全建成，或完全配套之前就需重建已破坏的工程，因此就有了 “修不完的工程，配不完的套 的说法 4 5 】。由于严重的冻害问题，缩短了渠道 防渗衬砌工程使用寿命、降低了防渗效益、增大了管理维修工作的难度和费用， 甚至使渠道发生滑塌、塌堤等事故，不仅严重影响了渠道安全运行和工程效益 的发挥，而且大大影响了新建工程的发展。所以，研究解决渠道衬砌体的冻胀 破坏问题有着非常现实的工程意义和经济意义。要解决这一问题，必须首先了 解冻胀破坏的机理，摸清冻胀破坏的原因及特点，以寻求解决冻胀破坏的措施。 1 1 3 渠道冻胀破坏的特点 衬砌渠道冻胀的基本特点就是冻胀分布的不均匀性【6 1 。首先，冻胀在横断面 上的分布是很不均匀的。由于横断面上各部位接受日照不同，冻深相差悬殊。 东西向渠道上，阴阳坡面上的冻深相差有时甚至可达1 倍之多，因而冻胀量( 指 衬砌体背后的基土冻结时产生的法向冻胀位移量) 也相差很大。另外，由于渠 道水分的渗漏和浅层地下水的毛管作用对冻结层的补给，基土中的湿度场相差 也很大。因而同一坡面上，上部的冻胀值远小于下部。梯形坡脚处衬砌板在变 位时的互相制约使坡脚冻胀减小，也增大了不均匀的变形程度。其次，在渠道 纵向上，由于渠线长，沿线土壤水分条件迥异，也造成了冻胀变形在纵向分布 的不均匀性。 2 武汉理_ i = 人学硕士学位论文 渠道作为人为造成的凹形输水断面，一般说来，其冻害取决于梁床冻胀作 用的大小，但本质上则是由于冬季渠道横断面上各部位接受日照、风、温度等 条件不同，导致渠道横断面上冻结和冻胀的不均匀性，正是不均匀冻胀冻裂引 起了土渠床或刚性衬砌渠道的变形破坏。因此渠道横断面各部位所接受的日照、 风、温度等条件的差别愈大渠道不均匀变形破坏愈严重 7 1 。具体表现条件有渠道 朝向、坡度、迎风面、背风面。另外，挖方或半挖半填渠道对衬砌体冻害也会 产生影响，一般说来挖方渠道较之填方渠道有两个显著特点，一是更为接近地 下水位，二是易于接受旁渗水。因此，在冬季挖方渠道较之填方渠道的冻害作 用更大，进而对衬砌体的破坏更严重。 衬砌渠道的冻害，主要是由于冻胀沿渠道断面分布的不均匀所引起的冻胀 破坏。渠道横断面的冻胀由渠底到坡顶逐渐减小，一般最大冻胀量出现在渠底， 而边坡和坡顶冻胀量较小，有时根本不产生冻胀。这样的冻胀结果将引起渠堤 边坡的缩短，并使衬砌板产生位移和破坏。 边坡冻胀部分的直线距离缩短量与渠底冻胀量大小有关，由于冻胀渠道边 坡缩短，衬砌在渠道断面上的硅板不能适应这种变形，于是衬砌板要产生位移【8 】。 常见的位移形式有两种：一是坡面沿斜坡整体上移，另一种是坡面板隆起架空。 1 1 4 渠道冻胀破坏的原因分析 渠道的冻胀破坏的基本条件是负温、土质和水分，负温是基土发生冻胀的 外因，土质和水分是基土发生冻胀破坏的内因。一般而言，中小粒径小于0 0 5 m m 的土粒大于总土重6 的土为冻胀性土，基土冻前含水量不大于塑限含水量加2 便会产生冻胀，另外土体在冻结过程中不仅初始冻结面的水分冻结膨胀，而且 未冻结的水分在表面张力和毛细管作用下向冻结区迁移，水分迁移使冻结区的 含水量剧增，导致冻胀加剧。随着冬季气温的不断下降，冻结深度不断加大， 水分迁移不断进行，土体的膨胀量与对衬砌体产生地冻胀力也相应不断增大， 当冻胀力超过刚性衬砌体得结构强度时，衬砌体便产生法向位移，法向位移超 过容许法向位移，衬砌体便遭到冻胀破坏【9 1 。图1 1 为混凝土衬砌冻胀破坏机理 示意图。 武汉理t 大学硕士学位论文 醇娥算鬻缓 图1 - 1 渠道冻胀破坏示意图 冻土区渠道冻害从成因上分析可分为内因和外因两部分【1 0 , 1 1 】。其中地基土的 冻胀，融沉，冰冻及长期冻融循环等自然规律所产生的破坏作用，属于造成渠 道冻害的内因。而设计不合理、施工技术不正确和工程管理不好等原因是人为 因素属于造成渠道冻害的外因，所以要针对产生冻害的内因寻求防治措施。了 解造成冻害的各种人为因素，则是我们在季节冻土区修建渠道时，需要尽量避 免的错误做法。 ( 1 ) 渠道在地基土的冻胀作用下破坏； 地基土中的水冻结成冰时，产生胶结力( 冻结力) ，使冻土与基础牢固的胶 结在一起。当土中的水冻结成冰的同时其体积膨胀，当这种体积膨胀足以引起 土颗粒间的相对位移时，就形成冻结时土体积的膨胀，即称之为土的冻胀。由 于渠道基础与冻土胶结在一起，它对土的冻胀产生了约束作用，冻土就会对基 础产生冻胀力。在不均匀冻胀的作用下，当冻胀力足以造成渠道底板产生不允 许变形或者丧失稳定性时，渠道则产生冻胀破坏。这就是季节冻土区渠道冻害 产生的主要原因。 ( 2 ) 渠道在基土的融沉作用下破坏； 冻土中存在着各种构造的冰，这些冰在融化以后体积缩小，使土在自重作 用下产生一定量的下沉。冰变成水后，在水自重和外荷载作用下沿孔隙排除， 从而使土进一步压缩下沉。当渠道边坡在地基土融化时，由于渠道边坡各部分 地基土的土质和含水量的不均匀的沉降，当沉降量超过渠道边坡允许变形量时， 渠道边坡则会产生滑塌破坏。冻土地基在融化时沉降量的大小，主要决定于建 筑物自重大小，冻结土层的深浅和冻土含水量的多少。季节冻土区渠道单纯由 融沉作用破坏的不多见。但由于融沉作用加重了渠道的破坏还是较多的。 ( 3 ) 在冰荷载的作用下渠道破坏； 在季节冻土地区，冬季灌溉渠道都有不同程度的结冰，封冻，解冻的过程。 冰层厚度不等。在封冻，解冻期间，渠道边坡因受静冰压力或动冰压力作用而 4 武汉理t 人学硕士学位论文 造成破坏。 ( 4 ) 季节冻土区渠道在历年冻融循环及寒冻风化作用下加速了工程破坏； ( 5 ) 不正确的施工技术造成建筑物冻害破坏严重； 如浆砌块石坡面灌浆不满，表面不平正，易挂霜结露或形成冰楔，会产生 不规则裂缝或水平裂缝。不合理的冬季施- r - 力h 深了冻深，造成了工程受基土冻 胀作用而破坏。 ( 6 ) 工程设计不符合季节冻土区客观情况。 在设计中没有考虑冻胀力的作用，又没有采取防治冻害措施，因此在基土 冻胀作用下，使渠道工程冻胀破坏。 1 1 5 防治渠道冻胀破坏的措施 国外对渠道衬砌的冻害研究的起步比较早。如前苏联时期的h a 崔托维奇 教授，主要致力于冻土力学的研究，并侧重于建筑物地基方面的抗冻研究【1 2 】； 日本学者木诚下一、大内幸则等也曾致力于冻土及冻土物理学方面的研究【13 1 。 国外发达国家多采用“抵抗”冻胀的新技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土， 并采用砂砾换填层、加固基础、增设排水等措施衬砌渠道，如日本现在多采用 钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合形式【l4 1 ，美国、俄罗斯则多采用混凝土或 钢筋混凝土大型平板型式，都能有效抵抗冻胀，取得了良好的防渗冻胀效果【1 5 , 1 6 】。 但工程造价高，一次性投入过大，不适用于我国当前经济条件。因此，研究适 合我国国情、经济实用、防冻胀最佳的新材料具有重要意义。 我国从7 0 年代末期开始，各地对渠道衬砌体冻害进行了调查与分析，肯定 了我国冻害破坏的严重性。在此基础上，各地建立了渠道工程试验点，深入进 行了土的冻胀力、冻胀力、冰压力以及冻害防治措施等室内外试验，取得了大 量技术经验和研究成剽1 。7 1 。经过几十年的研究和工程实践，掌握了影响渠道衬 砌工程冻害的因素，如土质、水分、气温、地下水位、渠道走向及结构型式等， 对混凝土衬砌冻害的影响规律，基本清楚了渠道衬砌体冻胀破坏的机理，并于 1 9 9 1 年制定了渠道防渗规范和渠系工程抗冻胀设计规范，同时采用了“允 许一定冻胀位移量 的工程设计标准，提出了“以适应、削减或消除基土冻胀 为主，以经济实用的加强结构为辅”的防冻害原则和技术措施【1 8 ，1 9 1 ，效果很好， 与国外相比，工程造价也大大降低。 由于渠道受到多种因素的作用，而这些因素的分布随地区的不同变化很大， 因而不可能有一个适用于各种条件的万能方案，而应根据当地的气象、土壤、 武汉理工大学硕十学位论文 水文地质等不同的条件，选择防冻胀设计方案，做到保证工程安全的前提下， 费用最省。即使对于同一渠道工程，由于沿线条件变化很大，也应对渠道划断 落，根据阴阳坡的情况，分别确定其防冻方案。 根据渠道衬砌冻胀破坏的原因和特点，一般采用抵抗冻胀、回避冻胀、削 减冻胀、( 优化结构) 适应冻胀等方法防止渠道产生冻胀破坏。抵抗冻胀【2 0 】多通 过钢筋混凝土材料、加大混凝土板厚度来实现；回避冻胀则要求渠道衬砌工程 的规划设计中，尽量避开出现较大冻胀量的自然条件，或在工程措施设计时选 择管道、暗涵和采用桩、墩基础、支撑置槽和架空等结构，避开冻胀对渠道衬 砌工程的作用【2 i 】；适应冻胀是在设计渠道断面和衬砌结构时，采用合理的形式 和尺寸，使其具有适应冻胀变形的能力【2 2 1 ；削减冻胀是当渠基出现最大冻胀量 较大，衬砌体在冻胀融化的反复作用下，产生冻胀累积变形和残余位移破坏， 在采用适应、回避等方法在技术经济等方面难以解决时，可采用削减或消除冻 胀法，将渠基的最大冻胀量削减到衬砌结构允许位移范围内【2 3 1 。 目前，以消除土的冻胀因素为主并结合采用新的结构形式才是较为理想的 途径。削减冻胀可分为压实干密度、排水、蓄水保温、化学处理、换填、隔热 保温等几项措施。 ( 1 ) 压实措施 黑龙江水科所的试验研究证明 2 4 1 ，当土的饱和度一定时，土的冻胀性随干 密度的增加而下降。然而在实际渠床压密工程中，随着土体压密，饱和度将增 加，从而引起冻胀性增加。只有当干密度超过某个值以后，冻胀性才随着干密 度增大而减少，因此采用一般的压实方法难以达到减少冻胀量的要求，利用强 夯可将土的干密度提高到1 7 0 0 - 1 9 0 0k g m 3 ，含水量和渗透系数大幅度减少，使 强冻胀土变成不冻胀土，从而达到防止冻胀的目的。这一措施在房屋道路建设 中得到了应用。甘肃省曾于1 9 8 5 年采用强夯法加固靖远三场塬电灌干渠的一段， 长2 0 0 m ，在锤下2 m 范围内，干密度达到1 6 0 0 - - , 1 8 0 0k g m 3 ，取得了较好的防 湿陷和防冻胀效梨2 5 1 。此种措施具有较高的技术经济指标，一般可节省投资5 0 左右。 ( 2 ) 排水措施 补给充足的地下水、土壤以及毛细管水为防止渠床基土冻胀破坏提供了条 件。在渠床冻层下设置纵、横向暗管排水系统( 排水管可采用带级配的反滤砂 石料也可采用波纹塑料管或土工织物等新材料) 降低地下水位和基土含水量， 把渠床冻结层中的重力水或渠道渗水平排出渠外，减少渠床基土土壤冻结表层 6 武汉理工大学硕士学位论文 的水分补给，也是防止冻胀破坏的有效方法之一【2 6 】。 ( 3 ) 蓄水保温法 蓄水保温法就是在冬季输水结束时，在渠道中保留一定水位的水量，随着 气温的下降，蓄水表面冻结形成冰盖。由于蓄水冰盖的封闭阻隔作用，冰盖下 的水温较为稳定。而在蓄水水位以上的部分则用保温材料加以防护。为了防止 蓄水水位在蓄水期内的变化，二者应有一定范围的重合部分。经过引黄济青输 水河近两年来的运用，证明该法也具有良好的保温效果【2 7 】。但也存在着一定的 弊端：一是蓄水冰盖对衬砌体的冰压力危害。封闭的冰盖膨胀产生的静冰压力， 会对工程产生破坏作用。另外，当蓄水冰盖一旦破碎断裂，对渠道衬砌体也有一 定的危害；其次是漫长的蓄水期必定使大量的水分由于蒸发、渗漏等而损失掉， 这与目前的节水形势相悖。 ( 4 ) 化学处理法 化学处理法是指在渠床基土中掺入憎水性收敛物，使土具有抗水性，从而 削减土的冻胀特性，或采用在土中掺盐，降低土的冻结温度，达到减少冻深的 方法【2 引。鉴于目前此种方法所使用材料价格较高，耐久性差等原因，故在生产 实践中应用不多。 ( 5 ) 换填措施 冻胀性土壤的存在是促使渠床基土冻胀的首要因素。换填措施就是把渠床 冻结深度以内( 至少是冻结深度的8 0 ) 的冻胀性土壤更换为砂砾等非冻胀性 土壤，而渠底下的不用换，换填厚度不应小于当地最大冻土深的2 3 ，从而达到 防止渠床基土冻胀的目的 2 9 1 。图1 2 所示为换填措施示意图。 换填措施既改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用，它的优点是： 当渠道附近有大量填换材料时，造价可能低；由于对渠道基进行了彻底 换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻害危害。同时也具有以下缺 点：由于换填厚度达，土方工程量大，当换填材料运距较远时，造价较高； 施工难度大，清除了渠基原土，换填后的砂、戈壁料难以进行夯实，要达到 施工规范要求，难度较大；换填料的质量难以把握，要求回填含土量小于5 的料。采用天然材料，很难寻找料源，若采用人工加工料，则不经济。位于内 蒙古自治区东部赤峰市宁城县的甸子灌区在8 0 年代中期，根据置换法原理，应用 纤维沙袋更换冻胀性土壤进行了防冻胀实验，取得了较好的效果【3 0 1 。由于应用 该法施工较为复杂，因而，目前不宜大面积推广应用。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 换填措施示意图 ( 6 ) 保温措施 保温措施即采用良好保温效果的材料，阻止或削减渠床土与外界的热交换， 减少基土的温度下降，从而减少冻结深度，防止冻胀破坏【3 1 1 。图1 3 所示为保温 措施示意图。我国水科院【3 2 】、山裂33 1 、北京 3 4 】、宁夏3 5 1 、甘肃【3 6 1 、陕西【3 7 】等省 区及单位相继开展了这方面的研究工作。北京水科院和山西以及山东等省曾试 验采用预制混凝土板下衬聚苯乙烯泡沫板的结构，先后在山西潇河灌区、山东 引黄济青水渠，北京京密引水渠昆玉段推广应用。据山西潇河灌区观测，预制 混凝土板下铺5 e m 厚聚苯板，比预制混凝土板衬砌提高地温8 6 。减少冻深 7 3 4 8 5 3 引。而山东省水科院试验的防渗保温复合衬砌结构是将膨胀珍珠岩 进行憎水处理后，制成憎水珍珠岩和混凝土复合结构。但由于珍珠岩板的导热 系数比聚苯板大，因此铺设厚度要比聚苯板厚一些【3 9 】。 铉凝 ：幸曹街缮 图1 - 3 保温措施示意图 1 2 保温材料的研究发展现状 1 2 1 保温材料的分类 保温材料是一种减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率的材料或复合材 料。由于材料的高热阻，保温材料阻碍热流进出建筑物。保温材料通常具有质 轻、疏松、多孔导热系数小等特点。其中导热系数小是保温材料的一个主要特 武汉理工大学硕士学位论文 性。在建筑保温中，人们通常把常温下( 2 0 ) 下，导热系数小于0 1 7 4 w ( m k ) 的材料称为保温材料4 0 1 。我国保温材料品种多样，产量也很大，居世界第二位4 1 1 ， 主要有矿棉、岩棉、玻璃棉、陶瓷纤维、微孔硅酸钙、膨胀聚苯乙烯泡沫板( 即 为e p s ) 、挤塑型聚苯乙烯板( 即为x p s ) 、酚醛泡沫塑料、膨胀珍珠岩等等。 保温材料很难统一分类，按惯例可以从材质、形态、结构等方面进行分类。 ( 1 ) 按保温材料的材质分类： 有机保温材料：e p s 、x p s 、稻草板、木丝板、木屑板 无机保温材料：膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、玻化微珠、岩棉 金属保温材料：铝箔 ( 2 ) 按保温材料的形态分类： 纤维状保温材料：矿棉、岩棉、玻璃棉、陶瓷纤维、硅酸铝纤维棉等； 多孔保温材料：加气混凝土、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料等； 颗粒状保温材料：泡沫玻璃、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等； 膏状保温材料：复合硅酸盐保温涂料等； 多层复合保温材料：绝热纸、绝热铝箔等。 ( 3 ) 按保温材料密度分类： 重质保温材料( ，3 5 0 k g m 3 ) ：水泥膨胀珍珠岩、水泥膨胀蛭石等； 轻质保温材料( 5 0 3 5 0 k g m 3 ) ：聚氯乙烯硬质泡沫塑料、泡沫玻璃等； 超轻质保温材料( 弋 5 0 k g m 3 ) ：聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 、硬质聚氨酯泡 沫塑料( p u ) 等。 1 2 2 渠道保温材料的发展及存在的主要问题 保温措施是防治渠道产生冻胀破坏的有效措施，因此，保温材料的选择是 关键。保温材料的选用原则为：保温隔热材料需具有较小的导热系数、较大 的蓄热系数。在相同的保温效果的前提下，导热系数小的材料保温层厚度可以 更小，保温结构占的空间更小。保温隔热材料要具有良好的化学稳定性，不 能与周围环境中的材料发生化学反应，影响其保温隔热性能。在满足强度需 要时，优选轻质的保温隔热材料。保温隔热材料的使用年限要与建筑使用年 限相匹配。保温隔热材料的价格要与其使用功能相适应。选用环保、无毒 保温隔热材料。选用吸水率小的保温隔热材料。保温隔热材料要具有良好 的施工性能。 但由于渠道衬砌混凝土所处的环境恶劣，对保温材料的要求也更为苛刻。 9 武汉理1 二大学硕士学位论文 不仅要求保温材料导热系数低，同时要求保温材料的吸湿性要低，具有憎水性； 还应与水泥、混凝土、砖石有很强的粘结力，形成连续的保温防水层；且施工 方便，工期短，适宜各种部位和复杂情况；强度增长迅速，能长期抵御各类腐 蚀等等。目前，我国保温材料种类繁多，用于渠道保温的主要有聚苯乙烯泡沫 板、憎水珍珠岩等。 ( 1 ) 聚苯乙烯保温板俗称泡沫保温板，是一种保温性能良好的防冻保温材 料，具有保温性好、成本低、施工简单可靠的特点【4 2 1 。聚苯乙烯泡沫板作为保 温材料，传统上多用于冰箱、墙壁、屋项的隔热层。作为地基防冻胀材料，国 外曾用于公路和机动跑道。由于它兼有导热系数小、不吸水、耐腐蚀、抗老化 和质轻、运输和施工方便等优点【4 引。近年来国内有关单位亦先后开展了防冻胀 的试验及研究，并在引黄济青输水河、北京京密引水渠昆玉段等衬砌工程】上 大规模应用。研究和应用均表明，其隔热效果良好，单位厚度保温板的隔热作 用一般可达1 8 2 0 e m 。当混凝土衬砌板下铺设一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后， 可有效地削减或消除渠床的冻胀。同时，基于泡沫板在外力作用下，具有一定 的变形性，因此，即使板的隔热作用没有完全消除渠床的冻胀、亦可以在一定 程度上削减不均匀冻胀对衬砌的作用，有助于防止集中内力的产生【4 5 1 。 ( 2 ) 珍珠岩是一种酸性火山玻璃质岩石，因具有珍珠裂隙结构而得多。珍 珠岩一般泛指生产膨胀珍珠岩的原料矿产品，具有轻质、吸音、隔热、导热系 数小，适用温度广、化学性能稳定、无毒无味等特点【4 6 1 。经用各种胶结剂的粘 接，所成产品已被广泛应用于建筑工业，以供保温、隔热、吸音使用。但鉴于 膨胀珍珠岩及其制品具有很强的吸水性，吸水后保温效果大为降低【4 7 】。因此， 在衬砌渠道工程中使用必须首先解决它的吸水问题。为使其在衬砌渠道上发挥 出良好的保温作用，山东省水科所等单位经数年时间，成功地研制出憎水珍珠 岩板，并应用于渠道衬砌工程，发挥出良好的保温防冻胀作用，其单位厚度的 保温能力一般可达0 9 e m 以上【4 引。 南水北调是一项特大型跨流域调水工程，采用机械化衬砌混凝土。渠道坡 度大，使用聚苯乙烯保温板等有机保温材料均存在表面不够粗糙，保温板与混 凝土面层结合不好，极易发生混凝土面层的滑移现象，不利于机械化施工，影 响施工效果。同时保温层与混凝土面层发生滑移，难以保证施工的质量，这不 仅影响了保温材料的保温效果，还减少输水渠道的使用寿命。 国内有人用复合憎水剂对膨胀珍珠岩进行处理，并且配制成憎水性珍珠岩 砂浆【4 9 1 ，但是此种保温砂浆也只具有短期良好的防水功能，随着时间的推移， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 它的防水功能减退，其导热系数增h h t 5 0 , 5 1j 。因此，研究适用于机械化衬砌的高效 保温材料具有重要意义。 玻化微珠【5 2 】近两年出现的一种新型无机轻骨料能较大的改善无机保温材料 的缺点，是由火山岩粉碎成矿砂，经过特殊膨化烧法加工而成，产品呈不规则 球状体颗粒，内部为空腔结构，表面玻化封闭，理化性能稳定，具有质轻、隔 热防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优良特性。可替代粉煤灰漂珠、玻璃 漂珠、普通膨胀珍珠岩、聚苯颗粒等诸多传统轻质骨料在不同制品中的应用， 是一种环保型高性能无机轻质绝热材料【5 3 , 5 4 】。 国内对于采用玻化微珠为原材料的保温砂浆已有较多的研究报道【5 5 1 ，研究 表明，玻化微珠保温材料的抗压强度一般在0 6 1 2 m p a ，粘结强度在0 0 8 - - 0 1 m p a ，导热系数0 0 7 5 w ( k m ) ，体积吸水率仍然高达4 0 - 5 0 ，用于墙体 保温系统具有防火、隔热、保温性能较好、施工简便等有点 5 6 , 5 7 】。但是渠道衬砌 处于环境恶劣，该保温砂浆还存在一些不足之处，导热系数必须进一步降低， 抗压强度应进一步提高，具有优良的憎水性能。因此，在提高玻化微珠保温材 料的力学性能和热工性能时，同时解决保温材料的吸水问题，就能使玻化微珠 保温材料能够满足渠道衬砌对保温材料的要求，将其应用于渠道保温，起到防 治渠道衬砌产生冻胀破坏的功能。 1 3 项目来源 本论文的研究课题来源于国家“十一五科技支撑计划：大型渠道设计与 施工新技术研究子题一不同土质、侧渗及气温等条件下的渠道防渗漏、防冻胀、 防扬压的新型材料和结构型式研究，项目编号：2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 2 。 1 4 本文研究的主要目的和主要内容 1 4 1 研究目的 由于南水北调采用机械化衬砌混凝土，渠道坡度大，使用聚苯乙烯保温板 等有机保温材料均存在表面不够粗糙，保温板与混凝土面层结合不好，易发生 混凝土面层的滑移现象，这不仅影响了保温材料的保温效果，还减少输水渠道 的使用寿命。本文采用新型无机轻骨料一玻化微珠为保温骨料，水泥、粉煤灰 为胶凝材料，配有适量的聚丙烯纤维、可再分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、 武汉理工人学硕士学位论文 木质纤维，研制无机轻集料保温砂浆。 由于渠道衬砌对保温材料提出更高的防水要求，因此采用外涂防水抗裂砂 浆和掺入乳化沥青改善玻化微珠保温砂浆的防水性能。通过掺入可再分散乳胶 粉、聚丙烯纤维、防水剂来提高抗裂砂浆的韧性和防水性能，以满足渠道防水 的要求。而乳化沥青对玻化微珠保温砂浆进行复合改性，国内尚未见报道。通 过研究乳化沥青对玻化微珠保温砂浆性能的影响，确定乳化沥青的合理掺量。 1 4 2 研究内容 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 玻化微珠保温砂浆的配合比设计 通过研究玻化微珠一粉煤灰、可再分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、聚 丙烯纤维、木质纤维等各组分对保温砂浆物理性能、力学性能和热工性能的影 响，确定各组分在保温砂浆中的合适掺量。 ( 2 ) 防水抗裂砂浆的配合比优化设计 通过研究可再分散乳胶粉、聚丙烯纤维、防水剂等各组分对防水抗裂砂浆 性能的影响，解决防水抗裂砂浆压折比偏高，吸水率较高，抗裂性能偏差等问 题。 ( 3 ) 防水保温材料的制备及性能 通过研究乳化沥青对玻化微珠保温砂浆性能物理性能、力学性能、热工性 能、防水性能的影响，确定乳化沥青在保温砂浆中的掺量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章玻化微珠保温砂浆的制备与性能研究 2 1 引言 保温砂浆一般由保温骨料、胶凝组分、增强纤维、改性组分等组成。保温 骨料主要是降低材料的导热系数，确保保温材料的保温性能。胶凝组分确保材 料的整体性和强度，纤维组分赋予材料一定的弹性，而改性组分主要是增强各 组成材料与胶凝组分的亲和性，改善浆体料的粘性及施工和易性。 2 2 实验原料 2 2 1 保温骨料 玻化微珠是一种无机物玻璃质矿物材料，是由火山岩粉碎成矿砂，经过特 殊膨化烧法加工而成，产品呈不规则球状体颗粒，内部为空腔结构，表面玻化 封闭，理化性能稳定，与普通膨胀珍珠岩相比，具有质轻、隔热防火、耐高低 温、抗老化、吸水率小等优良特性。试验采用的玻化微珠由莱克利安科技有限 公司提供，其性能指标见表2 1 ： 表2 1 玻化微珠性能指标 2 2 2 胶凝材料 2 2 2 1 水泥 水泥水化产物是玻化微珠保温砂浆强度的主要来源，因此水泥的等级是砂 浆强度的主要影响因素。目前市场上常用的水泥等级有3 2 5 级和4 2 5 级，试验 时考虑水泥的稳定性和配制砂浆时所用水泥的特点，选用华新水泥有限公司生 产的e o4 2 5 水泥。性能如表2 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 2 粉煤灰 本研究采用武汉阳逻电厂的生产的i i 级粉煤灰，堆积密度为9 8 k g m 3 ，导热 系数为o 1 0 7 w ( m k ) ，化学成分见表2 3 ： 表2 - 3i i 级粉煤灰化学成分 2 2 3 增强纤维 2 2 3 1 聚丙烯纤维 采用市售束状单丝聚丙烯纤维，纤维长度为6 m m ，其基本性能指标如表2 4 ： 表2 4 聚丙烯纤维的主要性能指标 2 2 3 2 木质纤维 国民淀粉易来泰公司代理c f f 木质纤维，型号为：t e c h n o c e l l 0 0 1 7 n 。 2 2 4 改性组分 2 2 4 1 可再分散乳胶粉 本试验采用的是国民淀粉公司生产的e l o t e xm p 2 0 5 0 ，化学成为主要为醋 酸乙烯酯