耐超低溫多層復合隔熱地坪設計

任戰鵬 吳敬濤 吳學敏

(中國飛機強度研究所,陜西 西安 710065)

氣候環境實驗室是一個大型綜合環境實驗室，實驗室可模擬高溫、低溫、降雪、降雨、結冰凍雨、太陽輻射等各種極端氣候環境條件，來開展飛機等武器裝備的環境適應性驗證試驗[1，2]。地坪作為實驗室結構中最大的冷/熱負荷結構，在實驗室開展試驗時直接遭受著極端環境條件的考驗，同時還承受著飛機等武器裝備帶來的壓力載荷。一般混凝土地坪結構在這種高低溫、結冰、溫度交變及承載的條件下，極易出現凍脹破壞，且冷/熱負荷巨大，直接影響著實驗室的使用壽命和能耗[3-5]。

針對實驗室地坪在高低溫環境下的凍脹破壞及隔熱問題，本文提出了一種耐超低溫多層復合隔熱地坪結構設計，成功解決了地坪結構極端環境條件下的凍脹破壞、隔熱問題，提高了地坪結構的耐久性，大大降低了地坪結構的冷/熱負荷。

1 工程概況

實驗室地坪總面積約5 130 m2，是實驗室結構中最大的冷/熱負荷結構，約占實驗室總冷/熱負荷的43%。實驗室進行試驗時，地坪遭受著高溫、低溫、溫度交變、降雪、結冰凍雨等各種極端氣候環境以及飛機等武器裝備的壓力載荷的影響，給地坪結構的可靠性及使用壽命帶來極大的挑戰。

1.1 凍融破壞

環境條件是影響結構耐久性的重要因素之一。氣候環境實驗室地坪所遇到的環境極其嚴酷，高溫+74 ℃、低溫-55 ℃、高溫高濕、溫度交變、降雪、結冰凍雨等各種極端環境條件，對地坪承載層混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、凍融破壞等耐久性破壞的產生與發展有著重要影響，所以選擇一種具有耐極端環境、具有高凍融特性和抗壓強度的混凝土類型作為實驗室地坪的承載層，是解決地坪凍融破壞、提高耐久性的重要手段之一。

1.2 凍脹應力

氣候環境實驗室地坪承載層受到極端環境及壓力荷載的作用，會產生伸縮變形應力。由于實驗室溫度條件惡劣，地坪面積巨大，在凍脹應力的作用下會導致承載層鋼筋混凝土結構出現熱脹冷縮破壞，使得地坪防水、隔熱性能降低，所以必須通過科學、合理的結構設計，消除地坪凍脹應力。

1.3 密封及隔熱

實驗室地坪冷/熱負荷巨大，試驗時，實驗室內冷/熱量會通過地坪向外導冷、傳熱，造成實驗室能耗增加，為降低實驗室地坪的能量耗散，需對地坪進行保溫隔熱設計，提高地坪的保溫隔熱性能，從而降低實驗室能耗。同時，密封是保證地坪保溫隔熱的前提，地坪密封失效會導致雨、雪積水滲入地坪內部，破壞地坪隔熱層，導致隔熱層導熱系數劇增，使得地坪冷/熱負荷急劇增加。

2 多層復合隔熱地坪結構設計

為降低實驗室地坪結構的能耗，提高地坪在極端環境條件下耐久性及保溫隔熱性能，提出了一種“耐超低溫多層復合隔熱地坪結構”設計，不僅解決了在極端溫度環境下地坪結構的凍脹破壞問題，同時具有很好的保溫隔熱性能，大大降低了實驗室的能耗。

2.1 多層復合隔熱設計

該地坪設計縱向分為五層，分別為：承載層、防潮隔汽層、隔熱層、防潮隔汽層、混凝土基層(見圖1)。地坪承載層為300 mm厚的鋼筋混凝土結構，通過對不同混凝土類型的凍融環境耐久性試驗，采用了一種具有高凍融特性、高強度的混凝土作為地坪結構的承載層材料[6]，可耐受極端溫度凍融環境，同時可承載類A380飛機的輪壓載荷(約1.6 MPa)。地坪保溫層采用獨立蜂窩狀封閉氣孔結構的泡沫玻璃作為保溫層材料(泡沫玻璃物性參數見表1)，該保溫材料具有較好的抗壓、防水、防火、保溫隔熱性能，滿足實驗室地坪保溫、抗壓及防火的設計使用要求。另外，為提高保溫層的密封性和整體性，每塊泡沫玻璃之間采用氣密性組分材料PC88密封處理方式，使得整個保溫層形成一個整體，有效的提高了保溫層的密封性和承載能力。

表1 保溫層泡沫玻璃物性參數

參數項設計指標要求產品參數體積密度/kg·m-3≤140139導熱系數/W·(m·K)-1≤0.0480.048抗壓強度/kPa≥9001 200抗折強度/kPa≥500730吸水率/kg·m-2≤0.300.007

地坪保溫層上下為防潮隔汽層，由于保溫層上下側均有可能是熱傳導的高溫側，根據水汽的傳遞特性，保溫層上下面均進行了防潮隔汽處理。防潮隔汽層由PE膜和砂漿找平層構成，其中20 mm厚的砂漿找平層居中，既有效控制了平整度偏差，還對PE膜和泡沫玻璃具有一定的保護作用。上下為雙層0.5 mm厚的PE膜，下層防潮隔水層與保溫墻體接觸部位的PE膜向上翻折500 mm高度，使得保溫層完全處于一個防潮隔汽的密閉狀態，防止實驗室內雨、雪等積水和地坪基層水汽進入保溫層，破壞保溫層的保溫隔熱性能。

2.2 分塊式鎧甲縫設計

為消除高溫或低溫環境下地坪伸縮變形產生的凍脹應力，采用了分塊式鎧甲縫結構設計(見圖2)。該設計將整個實驗室地坪分成5 m×5 m的分塊結構，每塊地坪之間采用兩層高性能硅酮耐候密封膠、聚乙烯膠條以及泡沫棒進行密封處理，不僅有效消除了凍脹應力，而且有效的防止了實驗室內積水進入地坪內部。另外，每塊地坪鎧甲縫周圍布置有多個傳力結構(見圖3)，使得每塊地坪間接相連，當壓力載荷作用在一塊地坪上時，可使得載荷在地坪間有效傳遞，避免壓力載荷作用在一個地坪上破壞下層保溫層。

3 地坪性能驗證

該地坪設計已在氣候環境實驗室中得到成功應用，在實驗室進行高溫、低溫、降雪、降雨試驗時，地坪結構完好、無凍脹破壞，體現出了良好的耐候性。為驗證地坪結構的保溫性能，在實驗室進行-55 ℃低溫試驗以及回溫過程中，對實驗室內不同位置的地坪內部溫度分布進行了實時監測，監測結果見圖4，圖5。由圖可以看出，當實驗室溫度為-55 ℃時，由于實驗室空氣與地坪之間對流換熱效率較低，地坪表面附近空氣存在一定溫度梯度，使得地坪溫度高于實驗室內環境溫度，大約為-43 ℃，而此時地坪保溫層下側溫度為16 ℃，保溫層上下有60 ℃的溫差，體現出了優越的保溫隔熱性能。在實驗室溫度從-55 ℃回溫至室溫過程中，隨著實驗室內溫度的升高，地坪承載層溫度緩慢升高，而地坪保溫層下表面的溫度沒有明顯變化，基本維持恒定溫度，體現出非常好的保溫隔熱性能，有效的阻止了實驗室內冷/熱量沿地坪向下的傳導。另外通過對低溫試驗實驗室冷負荷的熱力計算分析，實驗室地面的冷負荷比設計值減小了約30%，大大降低了實驗室的能量損耗，從而降低了試驗成本。

4 結語

耐超低溫多層復合隔熱地坪設計是一種新型地坪結構設計，可用于大型環境實驗室或環境艙的地坪結構設計。較傳統的地坪結構，該地坪結構具有優越的保溫隔熱性能，大大降低了實驗室地坪的冷/熱負荷，節約實驗室運行成本；另外，該地坪結構具有較好的耐候性和承載能力，可耐受高溫、低溫、溫度交變等極端環境以及飛機等武器裝備帶來的壓力載荷。