刘群昌，史 源，吉 晔，章少辉

(1.中国水利水电科学研究院, 北京 100048； 2.中国灌溉排水发展中心, 北京 100054)

中国是一个水资源紧缺的灌溉农业大国，农业用水占总用水量61.3%[1]，目前灌溉水有效利用系数仅为0.5左右[2]，其中由渠道渗漏而引起的损失占总损失水量的60%～80%[3]。因此，减少渠道输配水损失是实现节水灌溉的关键因素[4]。渠道衬砌防渗可以极大地减少渠道渗漏损失[5]，是目前我国应用最广泛的节水工程技术措施之一[6]。但是，季节性冻土地区的混凝土衬砌渠道由于负温作用，冬季常遭受严重的冻胀破坏，直接影响了工程的正常运行和防渗效果，同时使得灌区效益低下、运营成本增加、运行管理艰难[7]。对于采用混凝土防渗的渠道，由于混凝土属于刚性衬砌材料，虽具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差，在冻胀力的作用下容易破坏。为削减冻胀通常采用置换法、保温法等，如将聚苯乙烯泡沫塑料板(以下简称聚苯板)布置在渠道衬砌体背面形成隔热保温层，阻隔大气与渠基土的热量交换，提高衬砌体下基土温度，消减或消除冻胀，防止发生冻胀破坏[8]。

衬砌渠道采用聚苯板保温措施，是利用保温材料导热系数低的性能改变和控制渠道衬砌基土周围热量的输入、输出及转化过程，人为地影响冻土结构，使冻土内部的水热耦合作用在时间、空间上向不利于冻胀的方向发展、变化[9]。国家对绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料的性能有专门的规定[10]，水利行业对其应用性能参数也提出了相关要求[11]。但这些只是对材料出厂时质量的要求，而在工程应用若干年后再进行聚苯板性能试验研究的案例国内外都很少，银英姿等[12]研究了含水率对渠道保温板保温耐久性的影响及保温板厚度设计。Duskov M[13]针对不同水热条件下EPS15和EPS20的发泡聚苯乙烯(EPS)进行力学特性的研究。姜忻良等[14]对复合混凝土-石膏墙板进行了聚苯板与石膏板之间连接面的抗剪性能试验，表明聚苯板与石膏板之间的粘接起决定性作用。赵波等[15]研究了在水浸泡和冻融条件下，保温板力学性能和导热性能的变化。汪晓鹏等[16]测定并分析了材料的导热系数和密度的关系。但这些研究均是在实验室特定条件下进行的，与现场实际应用条件不完全相似，不能真正反映聚苯板在渠道衬砌防冻胀中的长期应用后性能。为此，本研究从现场直接取样检测其长期运行后性能入手，通过与工程建设前原材料性能指标及《渠道防渗工程技术规范》[10](GB/T 50600—2010)规定指标比较，探讨聚苯板在渠道衬砌防冻胀中的长期应用后性能的变化趋势，为今后工程设计和建设中合理选择聚苯板提供参考。

1 聚苯板在渠道防冻胀的应用性能评价

1.1 工程概况

渠道聚苯板保温工程位于山西萧河灌区民丰三支渠K1+987—3+838处，采用阴坡均匀铺设3 cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板，阳坡采用塑料薄膜加8 cm混凝土板的方案，并于1987年建成运行。萧河灌区属温带大陆性干旱气候，冬季寒冷干燥，年平均气温9.8℃，最低气温-20℃，最大冻土层深度0.9 m，水工建筑物冻胀破坏严重。但截至2014年，经过27 a的运行，经过保温处理的渠道除局部有微冻胀外，没有发生坍塌和严重破环现象，证明了聚苯乙烯泡沫塑料板对解决北方地区渠道冻害，延长衬砌使用寿命、减少维修费用具有重要价值。

民丰三支渠为梯形填方渠道，东西走向，渠基土质为亚黏土，地下水埋深为11 m。渠道全长7.48 km，设计流量3.6 m3/s，设计水深1.4 m，底宽1.0 m，边坡为1∶1，渠道坡降为1/1500，灌溉控制面积1 133.33 hm2。

工程采用的聚苯板物理机械性能如表1所示。

表1 工程采用的聚苯板物理机械性能

1.2 现场采样

现场采样于2014年5月22日进行，首先揭开混凝土板，用刀裁成40 cm×40 cm见方的样品，给试样编号然后迅速装入塑料密封袋内密封，采样位置见表2。

1.3 样品检验

样品由中国国家建筑材料测试中心，依据《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》[11](GB/T 10801.1—2002)，按原样和在40℃条件下烘至恒重后两种情形分别进行了检测，检测结果如表3所示。

表2 样本编号、采样地点及位置

表3 样品检测结果

1.4 材料应用后性能分析

聚苯板作为保温隔热材料，渠道衬砌防冻胀主要利用其导热系数小，不使冬季渠床地温降低过多，减小冻深；利用其压缩性，削减对衬砌的冻胀力；利用其吸水性差，防止渗水增加土层含水率而增大冻胀量。

1.4.1 聚苯板导热性评价

聚苯板导热性是渠道衬砌保温防冻胀的关键指标，表4是样品导热性与国家标准、当年采购原材料性能的比较结果。

表4 样品导热性与国家标准、当年采购原材料性能的比较

由表4可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的导热系数与出厂时比，由0.022提高到0.037～0.044，提高68%～100%，说明聚苯乙烯泡沫塑料导热性随使用时间变长会有所降低。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的导热系数与标准规定的值比，基本没有差别，说明其性能指标仍能满足工程防冻胀的要求。

(3) 聚苯板原样测得的导热系数变化幅度较大，与出厂时比，提高178%～240%，比标准值高出50%以上；与烘干后测得的导热系数比，导热系数提高60%以上。说明聚苯板在含水状态下工作，导热性能会显著下降。

1.4.2 聚苯板吸水性评价

表5是样品吸水性与国家标准、当年采购原材料性能的比较结果。

由表5可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的吸水率与出厂时比，由0.080提高到1.10～1.50，提高25%～45%，说明聚苯乙烯泡沫塑料吸水率随使用时间变长会增加。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的吸水率与标准规定的值比，仍没有超过标准要求值，说明吸水性仍能满足工程防冻胀的要求。

(3) 聚苯乙烯泡沫塑料原样测得的吸水率与烘干后测得的吸水率相比，吸水率降低46%～72%，这是因为从现场取得的原样中已经含有一定水分。

表5 样品吸水性与国家标准、当年采购原材料性能的比较

1.4.3 聚苯板表观密度评价

表6是样品表观密度与国家标准、当年采购原材料性能的比较结果。

表6 样品表观密度与国家标准、当年采购原材料性能的比较

由表6可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的表观密度大于标准值，与出厂时比变化不大。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原样测得的表观密度与烘干后测得的密度相比，密度增加180%～500%，这是因为原样中已经含有水分所致。

1.4.4 聚苯板尺寸稳定性评价

表7是样品尺寸稳定性与标准、当年采购原材料性能的比较结果。

由表7可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的尺寸稳定性比标准规定值及出厂时的数值均小，说明聚苯乙烯泡沫塑料尺寸稳定性随使用时间变长会更加趋于稳定。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原样测得的尺寸稳定性与烘干后测得的尺寸稳定性相比，尺寸稳定性降低33%，说明含有水分的聚苯乙烯泡沫塑料尺寸稳定性优于烘干后的泡沫塑料。

表7 样品尺寸稳定性与国家标准、当年采购原材料性能的比较

1.4.5 聚苯板压缩性能评价

表8是样品压缩性能与国家标准、当年采购原材料性能的比较。

表8 样品压缩强度与国家标准、当年采购原材料性能的比较

由表8可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的压缩强度与出厂时比，由100 kPa降低到到42 kPa～45 kPa，减低55%～58%，说明聚苯乙烯泡沫塑料压缩强度随使用时间变长会降低。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后测得的压缩强度与标准规定比，没有达到标准要求值。

1.4.6 聚苯板弯曲变形评价

表9是样品弯曲变形与国家标准、当年采购原材料的比较结果。

表9 样品弯曲变形与国家标准、当年采购原材料性能的比较

由表9可以看出：

(1) 聚苯乙烯泡沫塑料烘干后及原样测得的弯曲变形与标准规定比，除样本WT519外，均高于标准规定值，说明原材料的弯曲变形可能本身就高于标准值。

(2) 聚苯乙烯泡沫塑料原样测得的弯曲变形与烘干后测得的弯曲变形相比，样品WT519低于WT521，样品WT520与WT522相差不大，规律性不强。

2 建 议

聚苯板作为保温隔热材料，渠道衬砌防冻胀主要利用其导热系数小、可压缩性好、吸水性差等特点，但检测分析表明，经过长期运行后上述三项性能均有一定程度的降低。因此，聚苯乙烯泡沫塑料在渠道衬砌防冻胀应用设计中，应考虑时间和自然状态因素，所选择的材料性能指标应高于设计要求的一定值。

3 结 论

通过对已运行27 a的聚苯板的密度、吸水性、压缩强度、弯曲强度、尺寸稳定性、导热系数的测试、分析、比较,可以得出如下结论：

(1) 聚苯板的性能会随运行时间的长短而发生改变，其绝大多数性能会随着工程运行而降低，关键的导热系数升高了60%以上，说明保温性能降低较多。

(2) 聚苯板受水长时间浸泡，导热性能会显著下降。

(3) 聚苯板经过一定时段运行后，其吸水率会有一定的提高，但提高幅度不超过50%。正常情况下，吸水率不会超过标准规定值，能够满足工程防冻胀长期使用的要求。

(4) 聚苯板压缩强度随使用时间变长会降低。