（材料学专业论文）渡槽保温材料的制备与性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺的特大水利基础设施工 程，关系中国经济和社会可持续发展。大型渡槽是南水北调工程中重要的组成 部分，其长期运行的安全状况直接影响整个南水北调工程的安全。温度应力是 可能造成渡槽结构破坏的一个重要因素，过大的温度应力可导致渡槽混凝土产 生裂缝，破坏渡槽混凝土的整体性，严重影响渡槽结构的耐久性。因此，降低 大型渡槽的温度应力，使其长期安全稳定的运行，具有非常重要的实际意义。 本文采用保温措施以降低渡槽温度应力，制备了渡槽保温材料及配套的防 水抗裂砂浆。采用海泡石纤维和硅灰等改善保温材料的性能，以满足渡槽的结 构和环境特点，用扫描电镜( s e m ) 研究了渡槽保温材料的微观结构。采用废橡胶 粉和有机硅防水剂等改善抗裂砂浆的性能，在降低成本的同时提高抗裂砂浆的 抗裂性能和防水性能，并通过模拟运算得出合适的保温层施工厚度。 渡槽保温材料的实验结果表明：海泡石纤维有助于渡槽保温材料干混料中 水泥与玻化微珠的均匀分散，能明显改善保温浆料的泌水、离析现象，且在基 本不影响导热性能的基础上，增大渡槽保温材料的抗压、抗折强度，提高保温 材料的抗裂性。适量的硅灰有助于改善渡槽保温材料的流动性，增大保温材料 的抗压，抗折强度，并降低保温材料的吸水率。 防水抗裂砂浆的实验结果表明：可再分散乳胶粉与废橡胶粉均能提高抗裂 砂浆的柔韧性，但废橡胶粉对抗裂砂浆的抗压折强度和粘结强度有不利的影响， 因此采用两者复合掺加的方式，在有效的提高抗裂砂浆的柔韧性的同时降低成 本，使抗压折强度和粘结强度影响不大，提高抗裂砂浆的综合性能。外涂和内 掺有机硅防水剂都能提高抗裂砂浆的短期和长期防水性能，但内掺防水剂可降 低施工难度。 根据大型渡槽的结构特点，将三维瞬态热传导分析通过适当的假设转化， 将渡槽侧壁的温度场分析简化为一维平板导热分析。在假定工况下，通过转化 得到渡槽侧壁温度差与保温层厚度的计算公式，通过计算可知，当保温层厚度 为3 c m 时，两种极限工况条件下渡槽内外壁温度差均小于1 0 ，保证大型渡槽 的安全稳定运行。 关键词：大型渡槽，保温材料，防水抗裂砂浆，海泡石纤维，废橡胶粉 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r si so n eo ft h el a r g e s ts c a l eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o ni nc h i n a t h ep r o j e c ti st or e s o l v et h ec r i t i c a ls h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c ei nn o r t hc h i n a , w h i c hr e f e r st ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ee c o n o m ya n ds o c i e t y t h el a r g e - s c a l ea q u e d u c ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t si nt h ep r o j e c t 1 1 1 es a f e t yo fl o n g - t e r mo p e r a t i o no ft h ea q u e d u c th a sd i r e c t l y r e l a t i o n s h i pt ot h en o r m a lr u n n i n go ft h ew h o l ep r o j e c t b u tt h et e m p e r a t u r es t r e s si sa b a df a c t o rw h i c hw o u l dp o s s i b l yb ea b l et od a m a g et h ec o n c r e t eo ft h ea q u e d u c t t h e e x c e s s i v et e m p e r a t u r es t r e s sw o u l dc a u s ec r a c k i n gi nt h ea q u e d u c t , w h i c hw o u l d b r i n gn e g a t i v ee f f e c t st ot h ei n t e g r i t ya n dd u r a b i l i t yt ot h es t r u c t u r eo ft h ea q u e d u c t o b v i o u s l y , t h e r ei sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oe l i m i n a t eo rd e c r e a s et h et e m p e r a t u r e s t r e s si no r d e rt ok e e pt h ea q u e d u c ti ns a f ef o rl o n gt i m e t h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n dw a t e r p r o o fa n dc r a c k i n gr e s i s t a n tm o r t a rf o r a q u e d u c tw e r ep r e p a r e do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho nt h ef e a t u r e so ft h ea q u e d u c t s e p i o l i t ef i b r ea n ds i l i c af u m ew e r eu s e df o ri m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so ft h e r m a l i n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，a n ds e mw a su s e dt oa n a l y z et h em i c r o s t r u c t u r e so ft h e r m a l i n s u l a t i o nm a t e r i a l s a tt h es a m et i m et h ec r u m br u b b e ra n do r g a n o s i l i c o nw a t e r p r o o f a g e n tw e r eu s e df o ri m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so ft h ew a t e r p r o o fa n dc r a c k i n g r e s i s t a n c e f u r t h e r m o r et h es u i t a b l et h i c k n e s so ft h et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a lw a s c a l c u l a t e d t h er e s u l t so ft h et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l ss h o wt l l a t s e p i o l i t ef i b r e c o n t r i b u t e st oh o m o d i s p e r s eo fc e m e n ta n dg l a z e dh o l l o wb e a d ，d e c r e a s e sc o n s i s t e n c y a n ds e g r e g a t i o nd e g r e eo ft h e r m a li n s u l a t i o np a s t e ，i m p r o v e sb l e e d i n ga n di s o l a t i n g p h e n o m e n o na n dc r a c kr e s i s t a n c e ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t h a r ei m p r o v e du n d e rt h ec o n d i t i o no fc o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i o nb a s i c a l l yk e e p s c o n s t a n t 1 1 1 ep r o p e ra m o u n to fs i l i c af u m ec o n t r i b u t e st oi m p r o v et h ef l u i d i t y , i n c r e a s e st h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t h , d e c r e a s e sw a t e ra b s o r p t i o n r a t eo ft h et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l s 1 1 1 er e s u l t so ft h ew a t e r p r o o fa n dc r a c k i n gr e s i s t a n tm o r t a rs h o wt h a tb o t h c r u m br u b b e ra n dr e - d i s p e r s i b l el a t e xp o w d e rc o u l di n c r e a s et h ef l e x i b i l i t y , w h i l e 武汉理丁大学硕士学位论文 c r u m br u b b e rh a sn e g a t i v ei n f l u e n c eo nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t h a n db o n d i n gs t r e n g t h a n dt h ec o m p r e s s i v e ，b e n d i n ga n db o n d i n gs t r e n g t hw i l l d e c r e a s eal i t t l ew h e nt h et w oa r eu s e dt o g e t h e r s ot h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa r e m c r e a s e db u tt h ec o s ti sd e c r e a s e d b o t he x t e r n a la p p l i c a t i o na n dd o p e do r g a n o s i l i c o n w a t e r p r o o fa g e n tc o u l di n c r e a s ew a t e r p r o o fp e r f o r m a n c ef o rs h o r t t e r ma n dl o n g - t e r m ， b u tt h ed o p e do n ec o u l dd e c r e a s et h ed i f f i c u l t i e so fc o n s t r u c t i o n t h r o u g hh y p o t h e s i sa n dc o n v e r s i o n , t h ed i f f i c u l t3 - d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e r a n a l y s i sw i l lb es i m p l i f i e dt o1 - d i m e n s i o n a lp l a t eh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s u n d e rt h e a s s u m p t i v ec o n d i t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ab e t w e e nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n d t h i c k n e s s ，i tc o u l db ec a l c u l a t e dt h a t3 c mi ss u i t a b l et h i c k n e s s ，w h e nt h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei sl o w e rt h a nio * co nt h ea s s u m e dc o n d i t i o n s s ot h el a r g e s c a l ea q u e d u c t w i l lo p e r a t es t a b l yf o rl o n gt i m e k e yw o r d s ：l a r g e s c a l ea q u e d u c t ，t h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，w a t e r p r o o fa n d c r a c k i n gr e s i s t a n tm o r t a l , s e p i o l i t ef i b r e ，c r u m br u b b e r 1 1 1 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：燃 日期： 迎里：么! ! l 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：凌盔煮互导师签名 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章前言 水作为自然生态系统的重要要素，是万物生命之源。随着人类社会人口与 经济的发展，水资源短缺日益严重。目前我国面临的水资源问题有：水资源在 地域上分布极不均匀，其特点是东南多，西北少【l 】。 为改变我国水资源分布不均的状况，实现水资源的合理再分配和高效利用， 保证社会经济与环境的可持续发展，大量水利工程已投入使用或规划建造。南 水北调工程是2 1 世纪我国实现水资源优化配置最具挑战性的基础设施工程，耗 资巨大、工程范围广、涉及面广、其稳定安全的施工和运行影响我国经济和社 会的可持续发展【2 1 。 大型渡槽是南水北调输水总干线的重要组成部分，仅中线总干渠就规划了 几十座大型渡槽，其设计与运行安全直接影响南水北调输水工程的安全，意义 重大 3 】。大型渡槽为薄壁混凝土结构，由于南水北调沿线部分地段四季温差或昼 夜温差大，易使大型渡槽混凝土产生较大的温度应力，处理不好可引起混凝土 开裂，对渡槽的长期安全性产生了极大的威胁，因此，采取必要措施降低大型 渡槽稳定运行期的温度应力具有重要的工程意义。 理论和实践证明采取保温措施对降低稳定运行期混凝土( 如水坝混凝土等) 温度应力和提高混凝土耐久性有较好的效果，然而目前针对大型渡槽特点的保 温材料还未见在工程中应用，且墙体保温材料不能完全适应大型渡槽的结构和 环境特点，因此，本文致力于大型渡槽保温材料的制备与性能研究。 1 1 1 南水北调工程简介 南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺的重大举措，是关系到 我国经济可持续发展的特大型水利基础设施建设项目，是具有世界规模的宏伟 战略性资源工程。其工程范围广，涉及大半个中国，横跨1 3 个省市，全部完工 将要到2 0 5 0 年；耗资巨大，总投资近5 0 0 0 亿元；涉及面广，是一项庞大的系 统工程，牵涉到我国政治、社会和经济的方方面面，关系着国家可持续发展的 武汉理工大学硕士学位论文 大局。南水北调工程分东、西、中三条线路，分别从长江上、中、下游调水， 形成连接长江、淮河、黄河、海河的水资源大系统，从而开辟我国水资源“四 横三纵，南北调配、东西互济 的总体格局【4 】。 南水北调中线主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成。水源区工 程为丹江口水利枢纽后期续建和汉江中下游补偿工程；输水工程即引汉总干渠 和天津干渠。其中输水工程总干渠自南阳市淅川县陶岔渠首引水，沿已建成的 8 k m 渠道延伸，在伏牛山南麓山前岗垅与平原相间的地带，向东北行进，经南 阳过白河后跨江淮分水岭方城垭口入淮河流域。经宝丰、禹州、新郑西，在郑 州西北孤柏咀处穿越黄河。然后沿太行山东麓山前平原，京广铁路西侧北上， 至唐县进入低山丘陵区，过北拒马河进入北京境，过永定河后进入北京区，终 点是玉渊潭；总干渠全长1 2 4 1 2 k m 5 1 。 1 1 2 渡槽在南水北调工程的应用 渡槽是输水工程中跨越河渠、道路、山冲、谷口等地时常用的架空输水建 筑物，是水工建筑物中应用最广的立体交叉建筑物之一。除用于输送渠水外， 还可供排洪、排沙、通航和导流等用途。 目前我国渡槽的发展状况，渡槽在横断面上，以矩形槽应用较为广泛；在 材料使用上，在使用一般钢筋混凝土的基础上，趋于使用钢丝网水泥、高标号 预应力混凝土，钢材采用高强钢丝、低合金钢等。其次由于渡槽槽身构件采用 预应力工艺处理后，使渡槽在结构上发生了质的变化，抗裂性、抗震性和刚度 大大提高，克服了钢筋混凝土过早出现裂缝的弱点，充分发挥了高强钢材的潜 力，渡槽的断面和变形也相对减少，而跨度却可显著地增大。简言之，渡槽发 展研究的总趋势是，加速开展适应各种流量、各种跨度特别是大跨度的大型渡 槽结构型式的研究【6 】。 南水北调中线总干渠就规划有几十座大型渡槽，其中两典型的大型渡槽如： 漕河渡槽是位于河北省保定市满城县境内，总长2 3 0 0 m ，是南水北调中线京石 段应急供水工程的一个重要组成部分，又是控制应急段工程能否按时向北京供 水的关键工程和卡关项目之一，也是我国当前已建的最大输水渡槽。资料显示， 渡槽设计流量为1 2 5 m 3 s ，加大流量为1 5 0m 3 s 。其结构为三槽一联结构，单槽 尺寸为6 0 r e x 5 4 m ，最大跨度为3 0 m ，距地面最大高度为1 6 m 【7 1 。 沼河渡槽是南水北调中线干线工程上的一座大型河渠交叉建筑物，渡槽设 计流量2 3 0 m 3 s ，加大流量2 5 0m 3 s 。槽身总长6 4 0 m ，为4 0 r n 跨三槽一联预应 武汉理工人学硕七学位论文 力混凝土矩形槽结构。渡槽过水断面净宽7 r a x 3 槽，槽内设计永深56 6 4 m ，加 大水深60 5 7 m ，槽身侧墙高83 m ，中墙厚o7 m ，边墙厚o6 r a i8 1 。 大型渡槽是南东北调工程中重要的组成部分之一，其设计、施工和长期稳 定运行的安全状况直接影响到整个南水北调工程的安全，意义重大。其中，大 型渡槽的设计和施工均可以通过严密的监管和审核来保证工程质量，而大型渡 槽长期稳定运行的安全状况，是一个漫长的过程且不确定因素最多的环节，因 此，为保证大型渡槽混凝土的长期安全和耐久性，需要针对大型渡槽的结构特 点采取有效的防治措施。 11 3 大型渡槽在稳定运行期存在的问题和防治措施探索 大型渡槽的设计年限大干1 0 0 年期间存在各种各样的不确定因素，导致 对渡槽混凝十的维护存在各种各样的困难，而温度应力问题是一个长期存在且 对渡槽混凝土的耐久性有较大威胁的安全隐患之一，必须给予特别的重视。 温度应力，由于温度变化，结构或构件产生伸或缩而当伸缩受到限制时， 结构或构件内部便产生应力。对于混凝士而言，若混凝土结构存在温度梯度， 混凝叶二内部就会产生拉伸或者收缩，由于混凝土为刚性材料，伸缩自然受到限 制而产生温度应力。 研究大型渡槽稳定运行期的温度应力，必须先了解大型渡槽的结构，同时 确定边界条件和温度作用的各种类型。图l 一1 和图1 2 为大型渡槽结构图： 幽i 1 渡梢侧壁结构图 赠 叫 挂 j 一一一一一 幽1 2 渡槽运行如示意倒 渡槽外表面置于复杂的自然环境中，经受着各种自然环境条件变化的影响， 其外表面温度随时都在发生变化。它与所处的地理位置、地形地貌条件、结构 物的方位、朝向以及季节、太阳辐射强度、气温变化、云、雾、阿、雪等有关， 1 武汉理1 。大学硕十学位论文 在渡槽的外表面上还不断地以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热 交换，边界条件较为复杂。而内袭面因与水体相接触，其温度相对保持稳定。 在不断变化的外表面和相对稳定的内表面作用下，渡槽内部各点的温度在不断 变化，渡槽处于复杂的温度变化过程中。受周围环境气温以及r 照辐射等作用， 将使渡槽外表面温度上升或降低，而结构的内表面温度受水的影响温度变化不 大，从而渡槽混凝土结构会形成较大的温度梯度，由此产生复杂的温度应力叽 在稳定运行过程中，夏季渡槽外壁受太阳辐射温度显著刊高，而渡槽内壁 与水接触，温度较低，形成内外较大温差，使槽身产生较大温度应力：冬季环 境温度相对较低，渡槽内水温相对较高渡槽外壁与环境直接接触，渡槽内壁 与水直接接触，导致内外较大的温差梯度，也使槽身产生较大的温度应力【1o 】。 局部温度应力的集中，产生较大的拉应力，成为影响大型渡槽工程安全的一大 隐患。 温度应力分布可以从武汉大学水利水电学院所做的仿真模拟计算清晰的看 h ，如图1 3 1 5 为渡槽稳定运行期夏季连续同照温度场及温度应力分布圈 1 - 6 l 一8 为渡槽稳定运行期秋冬季降温温度场及温度应力分如。 匐1 匐镝 1 4 f i i - 3 1 - 5 渡槽稳定逆行期夏季连续开j 嗽x ，y 、z 向的正廊力云酗 ；锄i 削l 西1 - 8 渡搏稳定运行期秋冬季降温x 、y 、z 向的三戍力云图 以溜州渡耩为例，计算结果【3 愠示：渡槽结构在太阳辐射和气温、水温的影 响下，其结构内的温度在h i 断变化并导致可观的内外壁温度差产生。夏季连 武汉理工大学硕士学位论文 续日照工况下，西边墙最大温度出现在1 6 时左右，温度可达3 4 5 ，此时边壁 最大温度差可达1 2 5 。x 向拉应力主要出现在底板上部，最大为2 2 m p a ；y 向拉应力主要出现在渡槽外侧竖墙内壁上，最大可达3 2 m p a ；z 向拉应力主要 出现在渡槽竖墙内壁及内侧墙中上部，最大可达2 o m p a 。 秋冬季连续降温工况下，秋冬季降温产生拉应力较大，且在槽外壁，与自 重、槽内水荷载等产生应力叠加，出现较为不利工况。x 向拉应力主要出现在拉 杆上，最大可达5 2 m p a ；y 向拉应力主要出现在渡槽外侧竖墙外壁上，最大可 达2 4 m p a ；z 向拉应力主要出现在渡槽底板横梁下侧，最大可达2 5 m p a 。 因此，渡槽处于自然环境中，长期经受自然界气温和日照辐射的作用，混 凝土内部温度场随时间变化，温度应力不容忽视。据研究调查，运行期的温度 应力是可能造成渡槽结构破坏的一个重要因素j ，温度载荷产生的拉应力超过 混凝土的抗裂缝能力时，就可能出现裂缝。裂缝不仅会导致水的渗漏，而且会 引起钢筋锈蚀，严重影响渡槽结构的整体性和耐久性。 目前针对大型渡槽温度应力问题所采取的措施的研究探索主要有： ( 1 ) 提高混凝土的性能采用高效减水剂，降低水灰比，减少水泥和水的用 量，降低水化热，提高混凝土的强度，减少混凝土的收缩、徐变，改善混凝土 的抗裂和抗渗性能。采用纤维( 聚丙烯纤维、玻璃纤维等) 增强，提高混凝土 的抗裂能力。采用粉煤灰和矿渣粉的配合优化高性能混凝土的工作性、力学性 能、收缩变形及抗渗、抗碳化和抗冻等耐久性能【1 2 。6 1 。 ( 2 ) 优化渡槽结构采用有限元三维模拟分析，计算渡槽温度场分布，采用 合理的渡槽结构，较好的改善渡槽的安全使用性能【r 7 。1 8 】。 ( 3 ) 采用保温措施耿运生【1 9 】采用等效厚度计算法，研究了以聚苯板为渡槽 侧壁的保温材料的理论计算，李书群【2 0 】等提出以聚氨酯为保温层，然而都未在 实际工程中应用，仅在理论上分析了保温措施的可性行。 提高混凝土的性能和优化渡槽结构对改善渡槽混凝土稳定运行期的安全性 能有较好的效果，但不能从本质上降低渡槽混凝土的温度应力大小。而保温措 施，虽不能完全消除温度应力，但可以有效地降低温度应力。资料显示【2 n ，当 混凝土内外壁温差为1 0 时，混凝土表面拉应力约1 m p a ，远小于混凝土许可拉 应力范围，可在一定程度上防止裂缝的产生，因此，采用保温措施可有效的维 持渡槽混凝土内外壁的温差在一个较小的范围内浮动，不但解决了温度应力问 题，而且能使渡槽混凝土免于暴露于自然环境中，降低了混凝土的老化速度， 提高混凝土的耐久性，有利于大型渡槽的长期安全稳定。 5 武汉理工大学硕士学位论文 但保温材料的选择和保温材料在大型渡槽上的应用方面仍面临一些问题， 亟待解决。 1 1 4 保温材料的研究应用现状 随着我国节能环保的要求的逐年提高，保温材料的研究和应用也逐渐发展， 从采用单一的以加气混凝土、混凝土空心砌块、多孔砖等做外墙的建筑外墙自 保温体系到复合墙体保温技术，即采用外墙保温的方式进一步提高了节能效率。 外墙保温又分为外墙内保温和外墙外保温两个阶段，相对于内保温，外保温不 管从实用，还是经济的角度，都拥有许多的优势【2 2 1 。 从大型渡槽的结构特点来看，也只能采取外保温的方式。目前，国内应用 比较广泛的外保温形式有以下几种【2 3 - 2 5 】：( 1 ) 外挂式外保温( 2 ) 聚苯板与墙体一 次浇注成型( 3 ) 硬质聚氨酯泡沫塑料外保温系统( 4 ) 聚苯颗粒保温砂浆外保温 系统( 5 ) 无机保温砂浆。 这几种外保温形式都有各自的优势和劣势，外挂式保温的抗风压和压剪粘 结性较差，易出现表面裂缝、空鼓和脱落等技术问题。聚苯板和聚氨酯保温系 统，虽保温效果好，但有机保温材料，易老化，粘结强度低，且价格昂贵。聚 苯颗粒保温系统，由于颗粒为有机材料，颗粒质量良莠不齐，使质量难以控制， 易出现施工问题，且耐久性也不好。无机保温材料理化性能良好，但吸水率高， 易导致保温材料失效，反而增加混凝土结构的负担。 因此，不断研究和探索新的保温材料以进一步改善现有保温材料的劣势， 有助于改善工程质量，提高工程效率。 近几年出现的新型无机轻骨料玻化微珠【2 6 1 ，能较大的改善无机保温材料吸 水率高的缺点，并能很好的体现无机保温材料的优势，成为保温材料的趋势之 一。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，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。 保温材料的应用要根据实际情况的分析，渡槽保温材料的应用也要根据大 型渡槽的特点。现有保温材料种类繁多，内保温无法应用于大型渡槽结构，外 保温应用于大型渡槽侧壁时与墙体有一定的类似，但大型渡槽存在与墙体不同 的结构和环境特点，满足墙体要求的保温材料，不一定就能完全应用于大型渡 6 武汉理工大学硕士学位论文 槽上，还需要做进一步的研究，使保温材料在性能上能满足大型渡槽的结构特 点和环境特点。 保温材料为多孔材料，质轻，但强度低，耐冲击性能和抗裂性能差，通常 需要施加一个额外的保护层，以保证保温材料的安全。抗裂砂浆是目前应用较 多的一种方式。 抗裂砂浆是干拌砂浆的一种，干拌砂利2 7 】是将水泥、砂，矿物掺合料和功 能性添加剂按一定比例，在专业生产厂子干燥状态下均匀拌制，混合成的一种 颗粒状或粉状混合物，然后以干粉包装或散装的形式运至工地，按规定比例加 水拌和后即可直接使用的干拌砂浆材料，又称为干混砂浆。 干拌砂浆最早于1 8 9 3 年在欧洲发明，由特里诺瓦( t e r r a n o v a ) 首先申请矿物 质纹理外观的饰面干混砂浆的生产专利【2 引，随着对建筑质量要求的不断提高， 对建筑材料的多样化要求，干拌砂浆取得了飞速的发展。尤其是当干粉砂浆用 于保温材料抹面时，就要求干粉砂浆有较好的粘结强度，较好的韧性，有一定 的防水性能，以防止抹面层的破坏导致整个保温系统的破坏。 目前因保温材料的广泛使用，对抗裂砂浆的研究也越来越多：韩春源【2 9 】通 过研究苯乙烯一丙烯酸丁酯乳液的单体改性砂浆，极大提高了抗裂性能和抗弯 性能，且密实度大为增加；梅爱华【3 0 】研究了低掺量聚丙烯纤维( 重量掺量为0 1 9 ) 对普通砂浆的抗折、抗压、抗渗、收缩率的影响，研究表面加入一定量的纤维 能显著提高砂浆的抗裂抗渗、降低砂浆收缩率、提高抗压抗折强度等；马保国【3 l 】 等研究可再分散乳胶粉掺量对用于墙体薄抹灰的抗裂干粉砂浆的压折比、耐冻 融性、干燥收缩性的影响，系统评价该种砂浆的抗裂性能，同时也从压覆网格 布、刷弹性养护液等施工工艺角度分析提高砂浆抗裂性能的措施。 但现有产品为提高抗裂砂浆的韧性掺加了较多的可再分散乳胶粉或聚合 物，极大的提高了抗裂砂浆的成本，且此类抗裂砂浆防水性能不佳，在环境比 较恶劣时亦容易开裂。 因此，成本低、抗裂性好、防水性能好的抗裂砂浆的研究需要与渡槽保温 材料的研究同步进行，以保证渡槽保温材料的安全性和稳定性。 1 1 5 渡槽保温材料的特点要求 大型渡槽长期暴露于自然环境中且风载荷高，因此其对保温材料的要求不 同于一般建筑墙体对保温材料的性能要求。由于风载荷高，渡槽保温材料应具 有粘结强度高，无锚固定，抗风压能力强的特点；由于长期暴露于自然环境中， 7 武汉理工大学硕士学位论文 渡槽保温材料应具有吸水率低、透气性好、耐候性好的特点；由于渡槽侧壁施 工面积大，渡槽保温材料应具有抗压折强度高，抗裂性能好。 目前应用较广泛的有机保温材料，如聚苯乙烯板和聚氨酯涂料等，虽有着 优异的保温隔热性能，但聚苯乙烯板保温材料存在着易老化，粘结强度低，抗 风压能力差，抗压强度低的缺点，与渡槽用保温材料粘结强度高，耐候性好， 抗风压能力强，无锚固定的性能要求不符合；对于聚氨酯保温材料由于一次喷 涂施工而成，虽施工方便，但几乎不透气，水蒸气无法散失，不利于水工混凝 土的长期稳定性，而且聚氨酯也存在有机材料的老化问题，因此，有机保温材 料不适宜用于渡槽保温材料。 传统的无机保温砂浆，如膨胀珍珠岩保温砂浆，虽然其理化性能稳定，不 易老化，但是存在着吸水率大( 吸水率高达2 0 0 - 9 0 0 ) ，且砂浆在凝结硬化 过程中由于失水产生的干燥收缩较大，致使保温材料产生空鼓、龟裂、脱落的 现象，严重影响了其性能，在实际应用中已经被淘汰。 现有玻化微珠类保温材料的抗压强度仅在1 o m p a 左右，粘结强度在0 1 m p a 左右，体积吸水率在2 0 - 5 0 之间，保温层仍会因吸水丧失保温效果，严重时 会导致保温层开裂和脱落，极大地影响了工程质量，并构成安全隐患，但由于 玻化微珠性能优异，与水泥无界面问题，且导热系数低，耐候性好，通过适当 的改进能较大的提高玻化微珠保温材料的抗压折强度和粘结强度，提高其抗裂 性能，并降低吸水率，对在大型渡槽上的应用有着极大的潜力。 吸水率高是目前无机保温材料的通病，通常是在保温层外施加一层很薄的 抗裂砂浆，然后在抗裂砂浆上做涂料防水层或添加面砖，成为一个保温系统， 使保温材料不吸水，这种处理方式效果显著，但是成本较高。而在保温层外施 加一层防水抗裂砂浆，通过研究降低防水抗裂砂浆的成本，既能保证保温层的 安全，又能减少施工工序和降低成本。 因此，在提高玻化微珠保温材料的力学性能和热工性能时，同时通过防水 抗裂砂浆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渡槽保 温材料的要求，使其应用于渡槽保温，起到改善大型渡槽温度应力和保护渡槽 混凝土的功能。 1 2 项目来源 本文的研究课题来源于国家“十一五”科技支撑计划：大流量预应力渡槽设计 8 武汉理工大学硕士学位论文 和施工技术研究子题一大型渡槽混凝土表面保温、防渗防裂材料，项目编号： 2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 5 。 1 3 本项目的研究目的和主要研究内容 本文以玻化微珠为保温骨料，制备了满足大型渡槽结构和环境要求的渡槽 保温材料和相应的防水抗裂砂浆，并通过计算确定合适的保温层施工厚度。以 保温措施来降低大型渡槽内外壁的温差，使内外壁温差在一个较小的范围内浮 动，保证大型渡槽在稳定运行期的温度应力在许可应力范围内，确保大型渡槽 的长期安全稳定的运行，确保南水北调工程的输水安全。 本文的主要研究内容： 1 以渡槽的结构和环境特点为前提，通过对物理性能，力学性能，热工性 能等的综合研究比较，确定了化微珠、海泡石纤维、硅灰、外加剂的合适掺量， 重点研究了海泡石纤维和硅灰对保温材料性能的影响。 2 通过抗裂砂浆的力学性能，抗裂性能等性能的研究比较，确定废橡胶粉 与可再分散乳胶粉的复合掺量，以及粉煤灰的合适掺量，重点研究废橡胶粉， 以及废橡胶粉与可再分散乳胶粉复合掺加对抗裂砂浆性能的影响，以希望降低 成本的同时，提高抗裂砂浆的性能。 3 通过有机硅防水剂对抗裂砂浆进行防水改进，以进一步提高抗裂砂浆的 防水性能，是抗裂砂浆兼具防水与抗裂两项功能。 4 通过三维瞬态热传导分析通过适当的假设转化，通过传热公式的转换， 计算出渡槽保温材料保温层的合适厚度。 9 武汉理l k 学硕士学位论文 第2 章渡槽保温材料的制备与性能研究 本章以玻化微珠、海泡石纤维、硅扶、水泥和外加荆为主要原材料制备渡 槽保温材料，通过实验确定台适的配制方法和养护制度；通过海泡石纤维来改 善玻化微珠保温材料的力学性能，物理性能和抗裂性能；通过硅灰来改善玻化 微珠保温材料的力学性能和吸水性能。研究了玻化微珠、海泡石纤维、硅扶和 外加剂等对渡槽保温材料性能的影响。 2 1 实验材料 水泥：华新r o4 2 5 水泥，堆积密度1 5 0 0 k g m 3 。 驶化微珠：武汉莱克利安科技有限公司提供，其基奉性能见表2 - 1 ： 表2 1 玻化微珠基本性能指标 粒度堆积密度导热系数漂浮率表面玻化体积吸水率 ( r a t a )( k g ，m ) ( w mk ) 惭)率惭) ( ) 01 5 1 51 1 0 - 1 2 0 00 4 5 - - 00 5 3 9 59 03 65 玻化微珠的化学成份以s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 为土，拥有潜在的火山扶活性 与水泥基体相容性好，界面粘结好。其结构见图2 一l ，图2 - 2 。 幽2 i 玻化微珠s e m 刚( 玻璃质完链)附2 - 2 玻化微球s e m 酗( 玻璃质破损 海泡石纤维：易县大志保温建材有限公司生产，纤维长度2 8 m m ，呈扶白 武汉理j 大学碗士学位论文 绒状，比重2 4 23 9 ，锄3 。其化学成分为硅( s i ) 和镁( m 西，其中s i 0 2 吉量一般在 5 4 6 0 之i 1 ，m g o 含量多在2 1 2 5 范围内。 硅扶：市售硅灰松散堆积密度为o2 9 c m 3 ，平均粒均为04 u m ，比表面积为 1 8 - 2 0 m g 。 可再分散乳胶粉：囡民淀粉提供，m p 2 0 5 0 ，化学成为主要为醋酸己烯酯与 乙烯共聚乳胶粉( v a c e ) ，柔性适中摄低成膜温度为0 c 。 纤维素醚：国民淀粉提供，t y l o s em h l 0 0 0 0 1 。 2 2 实验方法 2 2 1 保温材料导热系数测试 本章采用瞬卷平面热源法( t p s 法) 测试保温材料导热系数，该方法也被称 为“g u s t a f s s o n ”探头法或h o t d i s k 法。i 袅方法是山瑞典c h a l m e r 理工大学的 s i l a sg u s t a f s s o n 教授在热线洼的基础上发展起柬的一项专利技术，在过去2 0 年 中，瞬志平面热源技术被越来越多地被研究人员应用于各种不同类型材料的热 性能的测试。 h o t d i s k 测试仪使用了一个薄层圆盘形的温度依赖电阻作为样品探头( 如 图2 3 ) ，探头系由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片外 层为双层聚酰亚胺( k a p t o n ) 保护层。外层的k a p t o n 保护层的厚度只有00 2 5 m r n ，它令探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品之脚的电绝缘性。 酗2 - 3 连续烈螺旋结构的恻箍l “平面热源探头 测试时，探头被央在两片样品中问，形成类似三明治的结构( 见图2 - 4 ) 武汉理【大学硕+ 学位论文 在探头e 通过恒定输出的直流电，由于温度的增加，探头的电阻发生变化，从 而在探头两端产生电压下降通过电录在一段时间内电压和电流的变化t 以 较为精确地得到探头和被测样品中的热流信息。 _ 二i 一蔼圈豳昌酥 一 圈2 4 平面热塬探头放置十样品- i i 问彤成- 二明浩结构 在测试中记录h o td i s k 探头的电阻随时问的变化，确定试样导热系数和热 扩敞牢的计算过程山软件自动完成。瞬态甲面热源法采用加热元件与温度传感 器合一的仪器设计，实现了测试自动化，操作简单测试时恻短，精度高，而 且有很好的重复性。 2 2 2 保温材料物理性能测试 ( 1 ) 砂浆的稠度、分层度的测定参照j g j 7 0 - 1 9 9 0 建筑砂浆牡本性能试验 方法进行。 ( 2 ) 砂浆的湿表观密度和_ f 衷脱密度的测定，参照j g l 5 8 2 0 0 4 胶粉聚苯颗 粒外墙外保温系统进行。 2 2 3 保温材料力学性能测试 ( 1 ) 抗压强度试验，参照j g j 7 0 9 0 建筑砂浆基本性能的实验方法与 j g j l 5 8 - 2 0 0 4 胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统进行试件规格为抗折强度实验 后的断面，4 0 m m 4 0 n u n 。 ( 2 ) 抗折强度试验，参照g b t 1 7 5 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法f i s o 法) 进行，试件规格4 0 m m x 4 0 m m x 】6 0 r a m 。 ( 3 ) 掩伸枯结强度测试撤掘j g ti5 7 2 0 0 4 巾6 1 2 的规定进行，试件规格 4 0 m m x 4 0 m m 5 m m 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 保温材料吸水率的测定 ( 1 ) 试样制备 按j g j7 0 1 9 9 0 建筑砂浆基本性能的实验方法中第七章的规定制备试样， 试件规格7 0 7 m m 7 0 7 m m x 7 0 7 m m ，成型3 个试件。试件成型后，在实验室温 度下养护2 d 后脱模，在实验室标准条件下继续养护至2 8 d 。 ( 2 ) 试样测试 将试件放在栅格上，浸入2 0 士5 的自然水中，水面高出试件2 5 m m ，浸 泡时间为1 h 。取出试件后将表面水擦干，称量试件的质量m ，然后计算其吸水 率。 2 3 配制方法及养护制度的确定 2 3 1 配制方法的确定 干混料的制备：将各原料计量称取后按水泥、硅灰、玻化微珠、海泡石纤 维、可再分散乳胶粉、纤维素醚的顺序倒入搅拌锅内，慢速搅拌3 - 5 分钟，待 各组分搅拌均匀，出料即得保温材料的干混料。 保温浆料的制备与成型：计量称取水加入搅拌锅中，然后在慢速搅拌下加 入干混料，搅拌3 - 5 分钟，待保温材料呈膏稠状即可用于成型试件。 2 3 2 需水量与养护制度的确定 ( 1 ) 需水量的确定 玻化微珠颗粒的体积吸水率为3 6 5 ，当玻化微珠掺量越大时成型搅拌的需 水量就越大；当玻化微珠掺量一定时，加水量越少，玻化微珠保温材料的浆料 稠度越小，浆料越干，对保温材料的性能和施工性能都有较大的影响，表2 2 为 玻化微珠稠度对施工性能的影响。 表2 2 保温材料稠度对施工性能的影响 武汉理工大学硕士学位论文 由表2 2 可以看出，当稠度为8 0 8 5 m m 时，保温浆料的和易性和上墙施工 性能都很好，当稠度为9 0 9 5 r a m 时或更大时，保温浆料的和易性虽好，但上墙 施工时由于含水较多，浆料过稀，涂抹时易流挂，而当稠度低于8 0 m m 时，保 温浆料较干，和易性和上墙施工性能均较差，所以本实验选用以稠度为8 0 8 5 m m 时的加水量为最佳需水量。 ( 2 ) 养护制度的确定 养护制度的选择对玻化微珠保温材料上墙后的养护具有指导意义，怎样的 养护制度最适合玻化微珠保温材料的各项性能的充分发挥，上墙后的玻化微珠 保温材料就应该得到相对应的养护制度。传统养护共有六种：标准养护水 养自然养护先标养7 d ，自养2 1 d 水养7 天，自