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原文传递冻融循环下寒区隧道含水保温材料性能劣化机理与防冻效果研究

论文题名：	冻融循环下寒区隧道含水保温材料性能劣化机理与防冻效果研究
关键词：	寒区隧道;保温材料;冻融循环;性能劣化;防冻效果
摘要：	随着“一带一路”和“交通强国”战略的深入实施，在高寒、高海拔地区修建了大量隧道工程，如大坂山隧道、风火山隧道、嘎隆拉隧道、雀儿山隧道、天山胜利隧道（在建）。特殊的气候环境和工程地质条件使寒区隧道面临渗漏水、衬砌开裂等冻害问题，严重影响运营安全和服役年限。　　为了防止寒区隧道冻害发生，通常采用铺设保温材料的被动保温方式来减少洞内气体和围岩的热交换，达到控制冻融圈预防冻害的目的。根据保温材料的隔热机理可知，常用多孔型或纤维型保温材料的热量传递主要依靠固体骨架和内部空气的热传导，由于空气的导热系数（0.023W/(m·K)）远远小于固体的导热系数，使得保温材料具有良好的绝热性能。但由于隧道施工中外包防水层破损或运营中衬砌开裂，保温材料常受到地下水的浸泡以及气温引起的冻融循环作用，保温材料吸水后，其内部空气介质被导热系数较大的水（0.581W/(m·K)）取代，使得骨架间的接触热阻减少，导热增加；同时在负温条件下保温材料内部的水冻结为冰，体积膨胀，使材料骨架结构形貌破损，改变了热量传导路径，且冰的导热系数（2.22W/(m·K)）比水高，使得保温材料的导热系数进一步增加，吸水能力增强，力学性能降低。因此，冻融循环下含水保温材料的物理力学指标将会产生劣化，其对寒区隧道的隔热防冻效果也会产生不利影响。　　本文以硬质聚氨酯、聚酚醛、聚苯乙烯、岩棉以及玻璃棉保温材料为试验对象，通过室内试验，研究了寒区隧道保温材料在不同水压以及冻融循环条件下物理力学性能和微观形貌变化，获得了保温材料劣化规律。拟合导热系数和吸水率计算公式。计算分析了寒区隧道保温材料在吸水-冻融作用下防冻保温效果。基于寒区隧道保温材料室内试验结果，采用模糊综合评价法，对寒区隧道保温材料不同铺设方式进行综合评价，从而为寒区隧道防冻设计保温材料选型提供参考。论文主要结论如下：　　（1）对上述5种寒区隧道保温材料进行了不同水压下吸水试验，得到了其饱和质量吸水率以及吸水时间，在无压吸水条件下，聚酚醛、硬质聚氨酯、聚苯乙烯、岩棉、玻璃棉的饱和质量吸水率分别为：35.83%、12.21%、35.91%、20.01%、1225%。当水压上升至15m时，硬质聚氨酯饱和质量吸水率为30.76%，聚酚醛与聚苯乙烯出现了不同程度的破坏和变形，水压下降至12m与13m后，其质量吸水率分别为1008.9%、118.16%。　　（2）在水压与冻融循环耦合作用下，聚酚醛、硬质聚氨酯、聚苯乙烯、岩棉四种保温材料的质量吸水率与导热系数均有大幅度升高，抗压强度降低。观察电镜扫描图片，聚酚醛孔隙结构破坏最为严重，而聚苯乙烯孔隙结构相对完整。　　（3）以某季节性冻土隧道为例，采用夹层铺设（初期支护与二次衬砌之间），通过数值模拟计算，发现在没有吸水冻融循环作用下，铺设有机类保温材料后，隧道围岩均处于正温状态，而铺设无机类保温材料，隧道拱腰处围岩出现了20~30cm的冻结深度。在水压达到试验最大值，铺设5cm聚酚醛、硬质聚氨酯、聚苯乙烯、岩棉及玻璃棉情况下，经过50年冻融循环作用，隧道拱腰处围岩冻结深度分别为123cm、143cm、116cm、137cm、144cm。　　（4）结合保温材料不同的铺设方式，综合考虑了寒区隧道保温材料的导热系数、抗压强度、燃烧性能、市场价格以及吸水率五个因素，通过模糊综合评价法，对保温材料进行综合打分。结果表明，采用表面铺设时，建议优先选取岩棉材料；采用夹层铺设的方式时，建议优先选取聚苯乙烯保温材料。
作者：	李家正
专业：	建筑与土木工程
导师：	韩风雷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022