高海拔寒冷地区碾压混凝土筑坝保温材料比选及应用

姜顺宏，熊 涛，韦 虎

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081)

碾压混凝土坝由于其体积大，易产生表面干缩裂缝和温度裂缝。表面干缩裂缝修补困难且效果不佳，温度裂缝会破坏结构的整体性、抗渗性，导致混凝土耐久性下降，危害大坝安全。如何减少和规避混凝土裂缝的产生一直是坝工界建设者长期关心和共同研究的问题。

为防止因环境温度变化而导致混凝土产生裂缝，必须在大坝浇筑成型后及时进行保温，选择经济且满足温控设计指标的保温材料，既能保证大坝的质量，也能节省施工成本。

在美国20世纪50年代就对混凝土表面保温非常重视，底特律坝和平顶岩坝就是采用泡沫塑料板、纸板保温，索墩坝顶面则采用砂层保温。日本采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜作为表面保温和养护材料[1]。前苏联曾采用两层厚模板中填刨花作为隔热材料，部分采用预制混凝土板。我国从1961年才开始重视大坝保温问题。初期主要采用草袋、草帘做保温材料，由于这些材料易燃烧引起火灾，容易受潮就腐烂，不耐用，不符合理想的保温材料要求。在我国恒仁、白山等东北地区曾使用过木丝板保温，太平哨大坝喷涂过水泥-膨胀珍珠岩保温，虽然起到一定保温作用，但是受潮后保温作用锐减，木丝板掩盖混凝土表面的缺陷和不易拆除等出现问题。20世纪80年代以后，泡沫塑料成为主要的保温材料，主要有聚苯乙烯泡沫塑料板、保温被、聚乙烯气垫薄膜、聚乙烯泡沫塑料板等[2]，但上述保温材料应用后仍旧产生了不少裂缝。

近些年，大坝工程的保温防裂通常是采用泡沫塑料板与纸板保温相结合形式；或者是采用泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜结合聚苯乙烯泡沫塑料板、保温被、聚乙烯气垫薄膜、聚乙烯泡沫塑料被、喷涂发泡聚氨酯等形式[2]。国内在建的大型水电站，如丰满水电站、黄登水电站等工程，也采用了喷涂发泡聚氨酯、橡塑海绵卷材等保温材料。本文在调研国内在建大型水电工程后，创新形成喷水花管+薄膜+橡塑海绵新技术，获得国家专利授权、西藏自治区工法，推动大坝混凝土面保温保湿技术革新。

1 概 述

DG水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，为二等大(2)型工程，以发电为主，水库正常蓄水位3 447.00 m，相应库容0.552 8亿m3，电站坝址控制流域面积15.74万km2，多年平均流量1 010 m3/s，电站装机容量为660 MW。

大坝坝顶高程3 451.0 m，最大坝高117 m，是在建世界海拔最高的碾压混凝土坝，坝顶长385 m，碾压混凝土93.7万m3，常态混凝土50.5万m3。

2 气象资料

本工程位于青藏高原气候区，主要气候特征为：强太阳辐射(>1 500 W/m2)、强风(最大风速30 m/s，且坝址峡谷地区风向紊乱)、昼夜温差大(昼夜温差达20℃以上)、干燥(多年平均相对湿度为51%，最低相对湿度不足10%，)、高蒸发量(2 084 mm/年)和低降雨量(527 mm/年)。多年平均气压为685.5 hPa，多年平均日照时数为2 605.7 h，历年最大冻土深度为19 cm[3]。

图1表明，工程所在地昼夜温差大(最大日温差接近30℃)，普遍超过了大坝施工期的碾压混凝土内外温差标准<16℃和常态混凝土内外温差标准<22℃的要求，为了避免混凝土产生温度裂缝，设计技术要求蓄水前在混凝土表面长期覆盖保温材料：聚苯乙烯保温板，同时流水(或洒水)养护。

图1 DG水电站坝址2020年1月日温差实测数据统计图

3 保温材料比选及应用

大坝混凝土施工初期，根据设计要求：在提前施工的1号和17号坝段粘贴聚苯乙烯保温板保温过程中，因气候条件影响，聚苯乙烯保温板暴露出以下问题：聚苯乙烯板存在脱落现象，同时粘贴的苯乙烯板中间不可避免的存在缝隙，导致在太阳辐射及强风的作用下，混凝土表面极易失水、干燥，造成保温、保湿效果差，同时混凝土表面有残留胶水，外观形象差，需二次清除。

结合国内大坝常用的几种保温材料，决定在DG水电站对聚苯乙烯板、棉被、喷涂发泡聚氨酯以及橡塑海绵的保温效果进行对比试验，以选择效果最佳的保温材料。

3.1 保温材料对比

保温材料对比见表1。

表1 保温材料对比表

3.2 对比试验

3.2.1 试验开展

1)聚苯乙烯板保温。施工前，根据安装部位尺寸编制聚苯乙烯板的排版图，以达到节约材料、提高施工速度的目的。挤塑板以长向水平铺贴，保证连续结合，上下两排板竖向错缝1/2板长，局部最小错缝不得小于200 mm[4]。

使用毛刷将环保胶水均匀涂于聚苯乙烯板上，粘贴挤塑板时，板缝应挤紧，相邻板应齐平，施工时控制板间缝隙不得大于2 mm。

在聚苯乙烯板安装完成后，使用小刀在聚苯乙烯板上开一个10 cm×3 cm(高×长)凹槽，用于安装温湿度仪探头，安装完成后使用同厚度的聚苯乙烯板涂刷环保胶水封闭。

2)喷涂聚氨酯保温。施工前，对气候条件、聚氨酯泡沫的特性，喷涂工艺进行详细分析，规避喷涂聚氨酯过程中可能会遇到的问题；按照自上而下或自下而上的喷涂顺序，一次喷涂到位。喷涂时，应保证聚氨酯均匀分散。试验区混凝土面上提前安装好温湿度仪探头。

3)棉被由于具有吸水性能，吸水后保温效果大打折扣，同时属于易燃品，故对棉被保温性能不做对比研究。

4)橡塑海绵保温。为实现混凝土表面保温兼顾保湿、环保的要求，创新施工工艺，采取喷水花管+PC薄膜+橡塑海绵作为保温保湿层，同时为保证橡塑海绵安装牢固，利用悬臂翻升模板的拉筋孔，拆模后在不破坏混凝土表面和伤及钢筋的同时，采用固定螺栓使用定制套筒连接及扁钢压条将保温保湿层牢牢固定(图2、图3为压条式保温保湿技术)。

图2 保温保湿工艺示意

图3 保温保湿试验平面示意图(单位：cm)

3.2.2 保温保湿效果对比

保温保湿效果对比见表2和图4、图5。

图4 保温效果对比

图5 保湿效果对比

表2 保温保湿效果对比表

3.3 小 结

根据试验对比结果，得出以下结论：

1)从保温效果上看，采取这三种材料进行保温，保温效果曲线基本吻合。

2)从保湿效果上看，压条式保温保湿技术保湿效果明显优于前两者。

3)从施工工艺上看，采用聚苯乙烯板材料粘贴易脱落，外观形象差，且后期拆除需对混凝土面进行清除，耗费人工。采用喷涂聚氨酯施工速度快，但成本较高，后期清除容易造成环境污染，处理成本增加，环保效果差[5]。采用压条式保温保湿技术的混凝土表面不受污染，保湿效果极佳，同时施工安拆方便，材料均能够重复使用，相对前两者具有较大优势。

综上所述，采用橡塑海绵作为大坝施工期及混凝土成型的保温材料为最佳选择。

4 冬歇期保温应用效果检测

根据工程地区冬歇期气候条件，结合施工情况，为确保工程质量，在大坝表面增设17支温度计，用于越冬保温效果监测，在2019年冬歇期后揭开保温层，未发现裂缝，得到了建设单位的高度认可。消力戽池6号块表面保温效果见图6，7号坝段上游表面保温效果见图7。

图6 消力戽池6号块表面保温效果

图7 7号坝段上游表面保温效果

总体来说，越冬保温效果良好，在揭开保温层检查时，PC薄膜上均布有水珠，保湿效果满足要求，内外温差最大在14～15℃，最小在2～3℃。满足并超过：坝体碾压混凝土内外温差不超过16℃，常态混凝土内外温差不超过16℃的设计指标。

5 经济效益分析

对进行试验对比的三种施工工艺进行经济效益对比分析，保温保湿试验区面积均为18 m2，在不计其他费用的情况下：

1)当采取粘贴聚苯乙烯板进行保温施工时，根据材料单价与配套胶水价格(15元/支)，材料费为30.91×18(聚苯乙烯板)+12×15(胶水)=736.38元，人工1个台班(8 h)按350/人计算，共需3个工人6 h施工完成，人工费为350/8×6×3=787.5元，合计为1 555.88元；

2)当采用喷涂发泡聚氨酯时，材料费为120×18(聚氨酯)=2 160元，共需2个工人5 h施工完成，人工费为350/8×5×2=437.5元，合计为2 597.5元；

3)当采用压条式保温保湿技术时，材料费为18×(1.26+64.34)(薄膜和橡塑海绵)+18×12(定制扁钢)+3×1(PVC软管)+6×1.2(螺栓)=1407元，共需3个工人5.5 h完成，人工费为350/8×5.5×3=738.38元。

如表3所示：粘贴聚苯乙烯保温板成本较低，压条式保温保湿技术成本较高，喷涂发泡聚氨酯成本高。

表3 经济效益对比分析表

6 结 语

通过对聚苯乙烯板、喷涂聚氨酯、橡塑海绵三种材料的保温保湿效果、施工工艺、经济效益进行对比分析，得出以下结论：

1)粘贴聚苯乙烯板是最节省成本的方式，但在其应用过程中受环境气候的影响容易脱落，保湿效果差，容易导致表面干缩裂缝，拆除后二次利用率低，外观形象差。

2)采取喷涂聚氨酯保温效果最好，成本也最高，保湿效果低于压条式保温保湿技术，其存在环保程度低，后期清除成本也较高的问题。

3)采取压条式保温保湿技术保湿效果最好，成本也偏高，保温效果略低于喷涂聚氨酯，但其拆除后无需二次清理，外观好，二次利用率高，按照重复利用一次计算，大幅降低成本。

综上所述，压条式保温保湿技术具有保温保湿效果好、施工方便快捷、可二次利用、节能环保等特点，该技术已获得西藏自治区施工工法和国家实用新型专利授权。通过在西藏DG水电站大坝大面积的应用，经2019～2020年大坝越冬监测及揭被检查结果表明，混凝土内外温差及表面湿度指标始终保证在设计指标值内，无裂缝发生，达到大坝混凝土温控防裂的目的，证明其适用性及优越性，极大地推动大坝混凝土面保温保湿技术革新，具有极高的推广应用价值。