地下室低溫冷庫防凍脹施工技術

余 鵬 孫典和 鄭 偉

蘇州二建建筑集團有限公司 江蘇 蘇州 215122

蘇州肉聯廠成立于20世紀50年代，經過幾十年的運營，由于設施設備陳舊以及制冷技術落后等原因導致冷庫運作效率低、能耗大、安全保障不足，亟待遷建進行設施設備的轉型升級。新建工程1#、2#冷庫（7層/地下1層），地下室冷藏間為0 ℃高溫冷庫、地上1～7層冷藏間為－20～－18 ℃低溫冷庫。由于地下室高溫冷庫主要用于果蔬、蛋類的冷藏保鮮，與市場主營冷凍肉品交易業(yè)務不匹配，運營成本高且經濟效益有限，建設單位擬將地下室冷藏間由高溫冷庫變更為低溫冷庫。

室內超低溫（－20～－18 ℃）和室外潮濕環(huán)境（覆土且富含地下水）給低溫庫的防凍脹帶來了巨大挑戰(zhàn)，將地下室作為低溫冷庫使用在國內并無先例。常規(guī)地坪防凍脹有架空防凍和加熱防凍2條技術路徑[1-3]，同時乙二醇水溶液作為冷熱媒和防凍劑在工業(yè)上的應用場景廣泛[4-5]。本文以相關文獻為參考，結合工程實際工況進行地下室低溫冷庫防凍脹研究。

1 工程概況

1）天辰冷鏈項目總建筑面積26.34萬 m2，工程造價約8.5億元。其中1#、2#冷庫地下1層，地上7層，每棟冷庫單體建筑面積約8萬 m2，地下室建筑面積為9 961.70 m2。

2）冷藏間設計荷載20 kN/m2，為板柱抗震墻結構，上部結構為預應力無梁樓蓋。本工程±0 m為黃海高程4.3 m，地下室底板頂標高－5.72 m、建筑標高－5.40 m、室外自然標高－1.30 m。采用樁承臺筏板基礎，樁基為鉆孔灌注樁，筏板厚度350 mm，地下室外墻370 mm厚，地下室墻柱C60。

3）根據地勘報告，基礎埋深位于③層淤泥質粉質黏土，該層土含水率高，地下水位平均高程為黃海0.78 m，年變幅0.80 m左右。

2 地下室低溫冷庫實施難點

2.1 低溫冷庫中途變更措施受限

建設單位于2020年11月提出要將地下室冷藏間由高溫冷庫改為低溫冷庫，此時主體結構已經封頂施工完成，改低溫冷庫后的防凍脹措施只能在既有條件下進行。

2.2 低溫冷庫凍脹風險高、危害大、修復難

2.2.1 凍脹風險高

1）地下室基礎覆土深度約4.4 m，地下水位常年在基礎埋深以上，土層含水豐富。

2）地下室外墻為370 mm厚C60混凝土，薄型墻板構件在施工時易產生溫度裂縫，雖采取了添加水化熱抑制劑、FQY抗裂劑及覆膜養(yǎng)護等措施，但仍有溫度裂縫出現。防水耐久性與建筑使用年限相比有差距。

3）由于低溫冷庫水位高且有一定滲漏隱患，其－20～－18 ℃的使用環(huán)境遠超冰點，因此凍脹風險較高。

2.2.2 凍脹危害大

1）冷庫地坪雖然鋪設了隔熱層，但并不能完全隔絕熱量的傳遞，當冷庫降溫后，庫溫與地坪下土層之間產生較大的溫差，土層中的熱量就會緩慢地通過隔熱層和冷橋傳至庫內，使土層溫度降低。

2）若地坪下土層得不到熱量的補充，將使0 ℃等溫線逐漸移至土層中，使土層的水分受凍成冰。隨著時間的推移，0 ℃等溫線不斷向土層深入，土層中的凍冰體也不斷地加大水分結冰產生的體積膨脹力，最終將引起地坪凍鼓和地基凍脹現象。

3）冷庫地基凍脹和地坪凍鼓的危害很大，而且比較常見，特別是在地下水位較高的情況下，它常是冷庫進行大修的主要原因之一，將嚴重影響冷庫使用功能甚至危及建筑結構安全。

2.2.3 凍脹修復難

1）在冷庫地坪開始出現凍鼓的情況時，若不及時采取措施，會由于冷凍線往地下不斷深入，以及土壤中的水分不斷向受凍部位遷移，而使凍鼓情況不斷發(fā)展，嚴重時會將地基抬起造成冷庫結構的損壞，因此在發(fā)現地坪凍鼓的情況后，必須及時查明原因采取措施，加以修復。

2）地基凍鼓和地坪凍脹的修復，首先是對已經凍結的土壤提供熱源進行解凍，然后再針對建筑損壞的情況分別進行針對性修復，所需要花費的代價和造成的損失將極為高昂。

3 地下室低溫冷庫防凍脹方案確定

3.1 地坪防凍脹方案

3.1.1 地坪防凍方案借鑒

地坪防凍做法通常有以下幾種。

1）地坪架空防凍：將冷庫地坪架空，在架空板上做隔熱層，通過架空層的空氣散發(fā)冷量。

2）地坪通風防凍：在冷庫地坪中埋設通風管進行自然或機械通風，冷量由通風管中流動的空氣散發(fā)。

3）地壟墻半架空防凍：用磚墻或混凝土地壟墻將冷庫地坪架空，在地壟墻間進行通風。

4）地坪油管防凍：在冷庫地坪中埋設油管，用熱油在管內循環(huán)，吸收地坪傳出的冷量起到防凍作用。

5）地坪電加熱防凍：在地坪隔熱層下的混凝土墊層內埋設電熱鋼絲網加熱。

上述做法中1）～3）可以歸結為方案1：地坪架空通風防凍；4）～5）可以歸結為方案2：地坪加熱防凍。

3.1.2 地坪防凍方案比選

分別從有效性、可實施性、經濟性、時間性、可靠性等方面進行方案1、方案2綜合評價，見表1。

表1 地坪防凍方案比選

3.1.3 地坪防凍方案確定

1）根據表1，選定了方案2地坪加熱防凍方案，但熱源采用熱油或者電熱鋼絲網存在造價成本高、有一定的防火、防觸電安全隱患，且后期使用過程中耗能大、成本高，因此需要找到一種低成本、安全性能好且低能耗的熱媒作為地坪加熱防凍的熱源。

2）乙二醇的抗凍性能優(yōu)異，是最主要的抗凍劑，世界上需用抗凍劑的系統中，約90%采用乙二醇及其衍生物作抗凍劑。它能與水以任意比例相融合，混合后可以使得乙二醇水溶液的冰點明顯下降。

3）乙二醇水溶液作為熱媒具有良好的熱力學性能、優(yōu)越的低溫性能、穩(wěn)定的物理化學性質，便于儲存、運輸。乙二醇水溶液不揮發(fā)、不燃，在操作過程中不存在吸入中毒的情況，對環(huán)境無負面影響。

綜上所述，地下室低溫冷庫地坪防凍脹采用乙二醇水溶液作為熱媒進行地面防凍設計。

3.2 地下室外墻防凍脹方案

3.2.1 地下室外墻防凍方案借鑒

地下室外墻防凍脹措施有以下2種。

方案1，地下室外墻內側增加防水層＋增加墻面保溫層厚度：在地下室外墻內側增加1道防水加強層，同時增加保溫層厚度，從而降低出現滲漏點的概率和延緩冷量的傳遞，達到防凍脹目的。

方案2，冷藏間墻體內移增加空氣夾層：借鑒地坪架空防凍，沿冷藏間短肢抗震剪力墻增加1道磚砌墻，在冷藏間墻體與地下室外墻之間形成一條寬約1 m的空氣夾層，對空氣夾層內通風或者加熱以達到防凍脹目的。

3.2.2 地下室外墻防凍方案比選

分別從有效性、可實施性、經濟性、時間性、可靠性等方面進行方案1、方案2綜合評價，見表2。

表2 地下室外墻防凍方案比選

3.2.3 地坪防凍方案確定

1）根據表2，選定了方案2冷藏間墻體內移增加空氣夾層方案。增加空氣夾層不僅可以阻斷冷量傳播路徑，而且便于觀察和維修地下室外墻的滲漏點，但同時空氣夾層也會出現結露問題。

2）針對空氣夾層結露問題，可通過增加通風措施或者加熱的方式來帶走冷量，因增加機械通風系統成本低、安全且后期耗能也少，故優(yōu)先選用，后期使用如效果不理想可再輔以加熱措施。

4 地下室低溫冷庫防凍脹工藝原理

4.1 地坪防凍脹工藝原理

1）采用質量百分比為30%的乙二醇水溶液地面防凍系統，在制冷機房內通過2臺板式換熱器制備低溫乙二醇水溶液，供液溫度為10 ℃，回液溫度為5 ℃。

2）在冷間地面隔熱層下的100 mm厚C15混凝土墊層內鋪設埋地加熱盤管（圖1）。

圖1 乙二醇地面防凍系統剖面示意

3）加熱層內設置溫度探頭，對地面下加熱層進行監(jiān)測，及時調整加熱盤管加熱量。當溫度低于1 ℃時，乙二醇水溶液地面防凍系統啟動。地上設有調節(jié)站，每一通路設有調節(jié)閥和流量計，便于觀察和調節(jié)。

4.2 地下室外墻防凍脹工藝原理

1）冷藏間沿短肢抗震剪力墻內側采用非黏土燒結普通磚封堵，形成空氣夾層。

2）墻體內側做200 mm厚通高自熄型聚氨酯發(fā)泡保溫，外側貼彩鋼板。

3）空氣夾層內設置機械通風，帶走夾層內的空氣冷量。地面設有排水坡度，如有積水可通過匯水坑采用DN50排水管就近排入穿堂集水坑。

5 地下室低溫冷庫防凍脹施工工藝操作要點

5.1 地坪防凍脹施工工藝操作要點

1）墻體根部水泥漿鑿除，地面整體銑刨后清理干凈。

2）對冷藏間滲漏點進行地毯式全覆蓋檢查。發(fā)現滲漏點做好標記并進行堵漏處理，確保無滲漏。

3）在底板上鋪設φ2 mm@200 mm鋼絲網片，采用射釘槍固定，如圖2所示。

圖2 鋼筋網片鋪設固定

4）埋地加熱盤管選用De25的HDPE管，承壓不小于1.1 MPa，如圖3所示。加熱管彎曲半徑不小于6倍管道直徑，直段部分固定點間距宜為500～700 mm，彎曲段部分宜為200～300 mm，用細鐵絲與φ2 mm@200 mm鋼絲網片固定。

圖3 HDPE埋地加熱盤管安裝

5）在填充層混凝土澆筑前進行系統水壓試驗，試驗壓力應不小于0.6 MPa，穩(wěn)壓經24 h無滲漏為合格。

6）加熱管處于保壓狀態(tài)下進行填充層澆筑，混凝土澆筑時壓力不低于0.6 MPa，養(yǎng)護時壓力不小于0.4 MPa。

7）找平層上滿鋪0.25 mm厚聚烯烴紡粘聚乙烯隔汽膜1道，以專用膠條黏結密封，搭接長度不小于70 mm，如圖4所示。

圖4 聚烯烴紡粘聚乙烯隔汽膜鋪設

8）錯縫鋪貼150 mm厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板（分3層鋪貼，每層厚度50 mm），擠塑板到墻角時必須成階梯狀，每塊退50 mm，以增加地面擠塑板與墻面聚氨酯保溫層的黏結力，如圖5所示。

圖5 擠塑板保溫層錯縫鋪貼

9）在擠塑板保溫層上滿鋪0.05 mm厚PE聚乙烯薄膜，搭接寬度不小于70 mm，上翻高度75 cm。

10）澆筑120 mm厚C30混凝土，施工金剛砂面層。

5.2 地下室外墻防凍脹施工工藝操作要點

1）墻面抹灰應堅固、密實、平整，基層清理干凈。

2）涂刷或噴涂2道聚氨酯氰凝防潮隔汽層，并向地面延伸250 mm，使地面與墻面隔汽層充分搭接，噴涂前基層必須干燥清潔，第1道氰凝表面干后（不粘手），方可進行第2道氰凝涂刷，一般間隔8 h，涂層應平整、服帖、無露白、無起鼓。涂膜應養(yǎng)護2 d才能進行聚氨酯噴涂作業(yè)。

3）每隔1.2 m用60 mm氣槍鋼釘將豎向方木30 mm×40 mm固定于內墻上，如圖6所示。

圖6 井字形龍骨安裝示意

4）噴涂時由下而上分層進行，大面積噴涂可分段分片進行，接口良好噴涂均勻，第1次噴涂厚度不應大于20 mm，單層噴涂厚度以30 mm為宜，如圖7所示。環(huán)境溫度和待噴涂表面溫度應在10 ℃以上（15～35 ℃之間）。

圖7 自熄型硬質聚氨酯分層噴涂

5）采用射釘槍安裝橫向木龍骨，用于壓型彩板固定。

6）再次分層噴涂聚氨酯保溫至設計要求厚度，如圖8所示。

圖8 分層噴涂聚氨酯發(fā)泡及修整

7）1.5 m高防撞保護墻砌筑。

8）外護彩板緊貼隔熱保溫層，采用不銹鋼自攻螺絲固定，螺絲縱距8 cm，橫距10 cm，如圖9所示。

圖9 保護墻砌筑壓型鋼板施工

6 結語

通過采用乙二醇地面防凍系統、防凍空氣夾層，結合墻地面保溫系統，并輔以相應的通風和排水措施，較好地解決了地下室低溫冷庫－20～－18 ℃使用環(huán)境所帶來的地下室地坪、地下室外墻與土壤接觸部位的防凍脹問題。該項目自2021年5月28日竣工投入使用以來，工程運轉一切正常。本文所述的防凍脹技術方案幾乎不占用冷庫有效庫容，同時又考慮了方案實施和后期運營階段的安全性、經濟性和適用性，具有廣泛的應用前景和推廣價值。