任戰(zhàn)鵬 吳敬濤 吳學(xué)敏

(中國飛機(jī)強度研究所,陜西 西安 710065)

氣候環(huán)境實驗室是一個大型綜合環(huán)境實驗室，實驗室可模擬高溫、低溫、降雪、降雨、結(jié)冰凍雨、太陽輻射等各種極端氣候環(huán)境條件，來開展飛機(jī)等武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗[1，2]。地坪作為實驗室結(jié)構(gòu)中最大的冷/熱負(fù)荷結(jié)構(gòu)，在實驗室開展試驗時直接遭受著極端環(huán)境條件的考驗，同時還承受著飛機(jī)等武器裝備帶來的壓力載荷。一般混凝土地坪結(jié)構(gòu)在這種高低溫、結(jié)冰、溫度交變及承載的條件下，極易出現(xiàn)凍脹破壞，且冷/熱負(fù)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(huán)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(fù)合隔熱地坪結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功解決了地坪結(jié)構(gòu)極端環(huán)境條件下的凍脹破壞、隔熱問題，提高了地坪結(jié)構(gòu)的耐久性，大大降低了地坪結(jié)構(gòu)的冷/熱負(fù)荷。

1 工程概況

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

1.1 凍融破壞

環(huán)境條件是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一。氣候環(huán)境實驗室地坪所遇到的環(huán)境極其嚴(yán)酷，高溫+74 ℃、低溫-55 ℃、高溫高濕、溫度交變、降雪、結(jié)冰凍雨等各種極端環(huán)境條件，對地坪承載層混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、凍融破壞等耐久性破壞的產(chǎn)生與發(fā)展有著重要影響，所以選擇一種具有耐極端環(huán)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(yīng)力

氣候環(huán)境實驗室地坪承載層受到極端環(huán)境及壓力荷載的作用，會產(chǎn)生伸縮變形應(yīng)力。由于實驗室溫度條件惡劣，地坪面積巨大，在凍脹應(yīng)力的作用下會導(dǎo)致承載層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除地坪凍脹應(yīng)力。

1.3 密封及隔熱

實驗室地坪冷/熱負(fù)荷巨大，試驗時，實驗室內(nèi)冷/熱量會通過地坪向外導(dǎo)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(jìn)行保溫隔熱設(shè)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(dǎo)致雨、雪積水滲入地坪內(nèi)部，破壞地坪隔熱層，導(dǎo)致隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)劇增，使得地坪冷/熱負(fù)荷急劇增加。

2 多層復(fù)合隔熱地坪結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低實驗室地坪結(jié)構(gòu)的能耗，提高地坪在極端環(huán)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(fù)合隔熱地坪結(jié)構(gòu)”設(shè)計，不僅解決了在極端溫度環(huán)境下地坪結(jié)構(gòu)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(fù)合隔熱設(shè)計

該地坪設(shè)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(jié)構(gòu)，通過對不同混凝土類型的凍融環(huán)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(jié)構(gòu)的承載層材料[6]，可耐受極端溫度凍融環(huán)境，同時可承載類A380飛機(jī)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(jié)構(gòu)的泡沫玻璃作為保溫層材料(泡沫玻璃物性參數(shù)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(shè)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(shù)

參數(shù)項設(shè)計指標(biāo)要求產(chǎn)品參數(shù)體積密度/kg·m-3≤140139導(dǎo)熱系數(shù)/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(cè)均有可能是熱傳導(dǎo)的高溫側(cè)，根據(jù)水汽的傳遞特性，保溫層上下面均進(jìn)行了防潮隔汽處理。防潮隔汽層由PE膜和砂漿找平層構(gòu)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(hù)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(tài)，防止實驗室內(nèi)雨、雪等積水和地坪基層水汽進(jìn)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(shè)計

為消除高溫或低溫環(huán)境下地坪伸縮變形產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力，采用了分塊式鎧甲縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖2)。該設(shè)計將整個實驗室地坪分成5 m×5 m的分塊結(jié)構(gòu)，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(jìn)行密封處理，不僅有效消除了凍脹應(yīng)力，而且有效的防止了實驗室內(nèi)積水進(jìn)入地坪內(nèi)部。另外，每塊地坪鎧甲縫周圍布置有多個傳力結(jié)構(gòu)(見圖3)，使得每塊地坪間接相連，當(dāng)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(shè)計已在氣候環(huán)境實驗室中得到成功應(yīng)用，在實驗室進(jìn)行高溫、低溫、降雪、降雨試驗時，地坪結(jié)構(gòu)完好、無凍脹破壞，體現(xiàn)出了良好的耐候性。為驗證地坪結(jié)構(gòu)的保溫性能，在實驗室進(jìn)行-55 ℃低溫試驗以及回溫過程中，對實驗室內(nèi)不同位置的地坪內(nèi)部溫度分布進(jìn)行了實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖4，圖5。由圖可以看出，當(dāng)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(nèi)環(huán)境溫度，大約為-43 ℃，而此時地坪保溫層下側(cè)溫度為16 ℃，保溫層上下有60 ℃的溫差，體現(xiàn)出了優(yōu)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(nèi)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(xiàn)出非常好的保溫隔熱性能，有效的阻止了實驗室內(nèi)冷/熱量沿地坪向下的傳導(dǎo)。另外通過對低溫試驗實驗室冷負(fù)荷的熱力計算分析，實驗室地面的冷負(fù)荷比設(shè)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(jié)語

耐超低溫多層復(fù)合隔熱地坪設(shè)計是一種新型地坪結(jié)構(gòu)設(shè)計，可用于大型環(huán)境實驗室或環(huán)境艙的地坪結(jié)構(gòu)設(shè)計。較傳統(tǒng)的地坪結(jié)構(gòu)，該地坪結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，大大降低了實驗室地坪的冷/熱負(fù)荷，節(jié)約實驗室運行成本；另外，該地坪結(jié)構(gòu)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(huán)境以及飛機(jī)等武器裝備帶來的壓力載荷。