高海拔寒冷地區碾壓混凝土筑壩保溫材料比選及應用

姜順宏，熊 濤，韋 虎

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081)

碾壓混凝土壩由于其體積大，易產生表面干縮裂縫和溫度裂縫。表面干縮裂縫修補困難且效果不佳，溫度裂縫會破壞結構的整體性、抗滲性，導致混凝土耐久性下降，危害大壩安全。如何減少和規避混凝土裂縫的產生一直是壩工界建設者長期關心和共同研究的問題。

為防止因環境溫度變化而導致混凝土產生裂縫，必須在大壩澆筑成型后及時進行保溫，選擇經濟且滿足溫控設計指標的保溫材料，既能保證大壩的質量，也能節省施工成本。

在美國20世紀50年代就對混凝土表面保溫非常重視，底特律壩和平頂巖壩就是采用泡沫塑料板、紙板保溫，索墩壩頂面則采用砂層保溫。日本采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜作為表面保溫和養護材料[1]。前蘇聯曾采用兩層厚模板中填刨花作為隔熱材料，部分采用預制混凝土板。我國從1961年才開始重視大壩保溫問題。初期主要采用草袋、草簾做保溫材料，由于這些材料易燃燒引起火災，容易受潮就腐爛，不耐用，不符合理想的保溫材料要求。在我國恒仁、白山等東北地區曾使用過木絲板保溫，太平哨大壩噴涂過水泥-膨脹珍珠巖保溫，雖然起到一定保溫作用，但是受潮后保溫作用銳減，木絲板掩蓋混凝土表面的缺陷和不易拆除等出現問題。20世紀80年代以后，泡沫塑料成為主要的保溫材料，主要有聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、聚乙烯泡沫塑料板等[2]，但上述保溫材料應用后仍舊產生了不少裂縫。

近些年，大壩工程的保溫防裂通常是采用泡沫塑料板與紙板保溫相結合形式；或者是采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜結合聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、聚乙烯泡沫塑料被、噴涂發泡聚氨酯等形式[2]。國內在建的大型水電站，如豐滿水電站、黃登水電站等工程，也采用了噴涂發泡聚氨酯、橡塑海綿卷材等保溫材料。本文在調研國內在建大型水電工程后，創新形成噴水花管+薄膜+橡塑海綿新技術，獲得國家專利授權、西藏自治區工法，推動大壩混凝土面保溫保濕技術革新。

1 概 述

DG水電站位于西藏自治區山南地區桑日縣境內，為二等大(2)型工程，以發電為主，水庫正常蓄水位3 447.00 m，相應庫容0.552 8億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2，多年平均流量1 010 m3/s，電站裝機容量為660 MW。

大壩壩頂高程3 451.0 m，最大壩高117 m，是在建世界海拔最高的碾壓混凝土壩，壩頂長385 m，碾壓混凝土93.7萬m3，常態混凝土50.5萬m3。

2 氣象資料

本工程位于青藏高原氣候區，主要氣候特征為：強太陽輻射(>1 500 W/m2)、強風(最大風速30 m/s，且壩址峽谷地區風向紊亂)、晝夜溫差大(晝夜溫差達20℃以上)、干燥(多年平均相對濕度為51%，最低相對濕度不足10%，)、高蒸發量(2 084 mm/年)和低降雨量(527 mm/年)。多年平均氣壓為685.5 hPa，多年平均日照時數為2 605.7 h，歷年最大凍土深度為19 cm[3]。

圖1表明，工程所在地晝夜溫差大(最大日溫差接近30℃)，普遍超過了大壩施工期的碾壓混凝土內外溫差標準<16℃和常態混凝土內外溫差標準<22℃的要求，為了避免混凝土產生溫度裂縫，設計技術要求蓄水前在混凝土表面長期覆蓋保溫材料：聚苯乙烯保溫板，同時流水(或灑水)養護。

圖1 DG水電站壩址2020年1月日溫差實測數據統計圖

3 保溫材料比選及應用

大壩混凝土施工初期，根據設計要求：在提前施工的1號和17號壩段粘貼聚苯乙烯保溫板保溫過程中，因氣候條件影響，聚苯乙烯保溫板暴露出以下問題：聚苯乙烯板存在脫落現象，同時粘貼的苯乙烯板中間不可避免的存在縫隙，導致在太陽輻射及強風的作用下，混凝土表面極易失水、干燥，造成保溫、保濕效果差，同時混凝土表面有殘留膠水，外觀形象差，需二次清除。

結合國內大壩常用的幾種保溫材料，決定在DG水電站對聚苯乙烯板、棉被、噴涂發泡聚氨酯以及橡塑海綿的保溫效果進行對比試驗，以選擇效果最佳的保溫材料。

3.1 保溫材料對比

保溫材料對比見表1。

表1 保溫材料對比表

3.2 對比試驗

3.2.1 試驗開展

1)聚苯乙烯板保溫。施工前，根據安裝部位尺寸編制聚苯乙烯板的排版圖，以達到節約材料、提高施工速度的目的。擠塑板以長向水平鋪貼，保證連續結合，上下兩排板豎向錯縫1/2板長，局部最小錯縫不得小于200 mm[4]。

使用毛刷將環保膠水均勻涂于聚苯乙烯板上，粘貼擠塑板時，板縫應擠緊，相鄰板應齊平，施工時控制板間縫隙不得大于2 mm。

在聚苯乙烯板安裝完成后，使用小刀在聚苯乙烯板上開一個10 cm×3 cm(高×長)凹槽，用于安裝溫濕度儀探頭，安裝完成后使用同厚度的聚苯乙烯板涂刷環保膠水封閉。

2)噴涂聚氨酯保溫。施工前，對氣候條件、聚氨酯泡沫的特性，噴涂工藝進行詳細分析，規避噴涂聚氨酯過程中可能會遇到的問題；按照自上而下或自下而上的噴涂順序，一次噴涂到位。噴涂時，應保證聚氨酯均勻分散。試驗區混凝土面上提前安裝好溫濕度儀探頭。

3)棉被由于具有吸水性能，吸水后保溫效果大打折扣，同時屬于易燃品，故對棉被保溫性能不做對比研究。

4)橡塑海綿保溫。為實現混凝土表面保溫兼顧保濕、環保的要求，創新施工工藝，采取噴水花管+PC薄膜+橡塑海綿作為保溫保濕層，同時為保證橡塑海綿安裝牢固，利用懸臂翻升模板的拉筋孔，拆模后在不破壞混凝土表面和傷及鋼筋的同時，采用固定螺栓使用定制套筒連接及扁鋼壓條將保溫保濕層牢牢固定(圖2、圖3為壓條式保溫保濕技術)。

圖2 保溫保濕工藝示意

圖3 保溫保濕試驗平面示意圖(單位：cm)

3.2.2 保溫保濕效果對比

保溫保濕效果對比見表2和圖4、圖5。

圖4 保溫效果對比

圖5 保濕效果對比

表2 保溫保濕效果對比表

3.3 小 結

根據試驗對比結果，得出以下結論：

1)從保溫效果上看，采取這三種材料進行保溫，保溫效果曲線基本吻合。

2)從保濕效果上看，壓條式保溫保濕技術保濕效果明顯優于前兩者。

3)從施工工藝上看，采用聚苯乙烯板材料粘貼易脫落，外觀形象差，且后期拆除需對混凝土面進行清除，耗費人工。采用噴涂聚氨酯施工速度快，但成本較高，后期清除容易造成環境污染，處理成本增加，環保效果差[5]。采用壓條式保溫保濕技術的混凝土表面不受污染，保濕效果極佳，同時施工安拆方便，材料均能夠重復使用，相對前兩者具有較大優勢。

綜上所述，采用橡塑海綿作為大壩施工期及混凝土成型的保溫材料為最佳選擇。

4 冬歇期保溫應用效果檢測

根據工程地區冬歇期氣候條件，結合施工情況，為確保工程質量，在大壩表面增設17支溫度計，用于越冬保溫效果監測，在2019年冬歇期后揭開保溫層，未發現裂縫，得到了建設單位的高度認可。消力戽池6號塊表面保溫效果見圖6，7號壩段上游表面保溫效果見圖7。

圖6 消力戽池6號塊表面保溫效果

圖7 7號壩段上游表面保溫效果

總體來說，越冬保溫效果良好，在揭開保溫層檢查時，PC薄膜上均布有水珠，保濕效果滿足要求，內外溫差最大在14～15℃，最小在2～3℃。滿足并超過：壩體碾壓混凝土內外溫差不超過16℃，常態混凝土內外溫差不超過16℃的設計指標。

5 經濟效益分析

對進行試驗對比的三種施工工藝進行經濟效益對比分析，保溫保濕試驗區面積均為18 m2，在不計其他費用的情況下：

1)當采取粘貼聚苯乙烯板進行保溫施工時，根據材料單價與配套膠水價格(15元/支)，材料費為30.91×18(聚苯乙烯板)+12×15(膠水)=736.38元，人工1個臺班(8 h)按350/人計算，共需3個工人6 h施工完成，人工費為350/8×6×3=787.5元，合計為1 555.88元；

2)當采用噴涂發泡聚氨酯時，材料費為120×18(聚氨酯)=2 160元，共需2個工人5 h施工完成，人工費為350/8×5×2=437.5元，合計為2 597.5元；

3)當采用壓條式保溫保濕技術時，材料費為18×(1.26+64.34)(薄膜和橡塑海綿)+18×12(定制扁鋼)+3×1(PVC軟管)+6×1.2(螺栓)=1407元，共需3個工人5.5 h完成，人工費為350/8×5.5×3=738.38元。

如表3所示：粘貼聚苯乙烯保溫板成本較低，壓條式保溫保濕技術成本較高，噴涂發泡聚氨酯成本高。

表3 經濟效益對比分析表

6 結 語

通過對聚苯乙烯板、噴涂聚氨酯、橡塑海綿三種材料的保溫保濕效果、施工工藝、經濟效益進行對比分析，得出以下結論：

1)粘貼聚苯乙烯板是最節省成本的方式，但在其應用過程中受環境氣候的影響容易脫落，保濕效果差，容易導致表面干縮裂縫，拆除后二次利用率低，外觀形象差。

2)采取噴涂聚氨酯保溫效果最好，成本也最高，保濕效果低于壓條式保溫保濕技術，其存在環保程度低，后期清除成本也較高的問題。

3)采取壓條式保溫保濕技術保濕效果最好，成本也偏高，保溫效果略低于噴涂聚氨酯，但其拆除后無需二次清理，外觀好，二次利用率高，按照重復利用一次計算，大幅降低成本。

綜上所述，壓條式保溫保濕技術具有保溫保濕效果好、施工方便快捷、可二次利用、節能環保等特點，該技術已獲得西藏自治區施工工法和國家實用新型專利授權。通過在西藏DG水電站大壩大面積的應用，經2019～2020年大壩越冬監測及揭被檢查結果表明，混凝土內外溫差及表面濕度指標始終保證在設計指標值內，無裂縫發生，達到大壩混凝土溫控防裂的目的，證明其適用性及優越性，極大地推動大壩混凝土面保溫保濕技術革新，具有極高的推廣應用價值。