耐超低温多层复合隔热地坪设计

任战鹏 吴敬涛 吴学敏

(中国飞机强度研究所,陕西 西安 710065)

气候环境实验室是一个大型综合环境实验室，实验室可模拟高温、低温、降雪、降雨、结冰冻雨、太阳辐射等各种极端气候环境条件，来开展飞机等武器装备的环境适应性验证试验[1，2]。地坪作为实验室结构中最大的冷/热负荷结构，在实验室开展试验时直接遭受着极端环境条件的考验，同时还承受着飞机等武器装备带来的压力载荷。一般混凝土地坪结构在这种高低温、结冰、温度交变及承载的条件下，极易出现冻胀破坏，且冷/热负荷巨大，直接影响着实验室的使用寿命和能耗[3-5]。

针对实验室地坪在高低温环境下的冻胀破坏及隔热问题，本文提出了一种耐超低温多层复合隔热地坪结构设计，成功解决了地坪结构极端环境条件下的冻胀破坏、隔热问题，提高了地坪结构的耐久性，大大降低了地坪结构的冷/热负荷。

1 工程概况

实验室地坪总面积约5 130 m2，是实验室结构中最大的冷/热负荷结构，约占实验室总冷/热负荷的43%。实验室进行试验时，地坪遭受着高温、低温、温度交变、降雪、结冰冻雨等各种极端气候环境以及飞机等武器装备的压力载荷的影响，给地坪结构的可靠性及使用寿命带来极大的挑战。

1.1 冻融破坏

环境条件是影响结构耐久性的重要因素之一。气候环境实验室地坪所遇到的环境极其严酷，高温+74 ℃、低温-55 ℃、高温高湿、温度交变、降雪、结冰冻雨等各种极端环境条件，对地坪承载层混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏等耐久性破坏的产生与发展有着重要影响，所以选择一种具有耐极端环境、具有高冻融特性和抗压强度的混凝土类型作为实验室地坪的承载层，是解决地坪冻融破坏、提高耐久性的重要手段之一。

1.2 冻胀应力

气候环境实验室地坪承载层受到极端环境及压力荷载的作用，会产生伸缩变形应力。由于实验室温度条件恶劣，地坪面积巨大，在冻胀应力的作用下会导致承载层钢筋混凝土结构出现热胀冷缩破坏，使得地坪防水、隔热性能降低，所以必须通过科学、合理的结构设计，消除地坪冻胀应力。

1.3 密封及隔热

实验室地坪冷/热负荷巨大，试验时，实验室内冷/热量会通过地坪向外导冷、传热，造成实验室能耗增加，为降低实验室地坪的能量耗散，需对地坪进行保温隔热设计，提高地坪的保温隔热性能，从而降低实验室能耗。同时，密封是保证地坪保温隔热的前提，地坪密封失效会导致雨、雪积水渗入地坪内部，破坏地坪隔热层，导致隔热层导热系数剧增，使得地坪冷/热负荷急剧增加。

2 多层复合隔热地坪结构设计

为降低实验室地坪结构的能耗，提高地坪在极端环境条件下耐久性及保温隔热性能，提出了一种“耐超低温多层复合隔热地坪结构”设计，不仅解决了在极端温度环境下地坪结构的冻胀破坏问题，同时具有很好的保温隔热性能，大大降低了实验室的能耗。

2.1 多层复合隔热设计

该地坪设计纵向分为五层，分别为：承载层、防潮隔汽层、隔热层、防潮隔汽层、混凝土基层(见图1)。地坪承载层为300 mm厚的钢筋混凝土结构，通过对不同混凝土类型的冻融环境耐久性试验，采用了一种具有高冻融特性、高强度的混凝土作为地坪结构的承载层材料[6]，可耐受极端温度冻融环境，同时可承载类A380飞机的轮压载荷(约1.6 MPa)。地坪保温层采用独立蜂窝状封闭气孔结构的泡沫玻璃作为保温层材料(泡沫玻璃物性参数见表1)，该保温材料具有较好的抗压、防水、防火、保温隔热性能，满足实验室地坪保温、抗压及防火的设计使用要求。另外，为提高保温层的密封性和整体性，每块泡沫玻璃之间采用气密性组分材料PC88密封处理方式，使得整个保温层形成一个整体，有效的提高了保温层的密封性和承载能力。

表1 保温层泡沫玻璃物性参数

参数项设计指标要求产品参数体积密度/kg·m-3≤140139导热系数/W·(m·K)-1≤0.0480.048抗压强度/kPa≥9001 200抗折强度/kPa≥500730吸水率/kg·m-2≤0.300.007

地坪保温层上下为防潮隔汽层，由于保温层上下侧均有可能是热传导的高温侧，根据水汽的传递特性，保温层上下面均进行了防潮隔汽处理。防潮隔汽层由PE膜和砂浆找平层构成，其中20 mm厚的砂浆找平层居中，既有效控制了平整度偏差，还对PE膜和泡沫玻璃具有一定的保护作用。上下为双层0.5 mm厚的PE膜，下层防潮隔水层与保温墙体接触部位的PE膜向上翻折500 mm高度，使得保温层完全处于一个防潮隔汽的密闭状态，防止实验室内雨、雪等积水和地坪基层水汽进入保温层，破坏保温层的保温隔热性能。

2.2 分块式铠甲缝设计

为消除高温或低温环境下地坪伸缩变形产生的冻胀应力，采用了分块式铠甲缝结构设计(见图2)。该设计将整个实验室地坪分成5 m×5 m的分块结构，每块地坪之间采用两层高性能硅酮耐候密封胶、聚乙烯胶条以及泡沫棒进行密封处理，不仅有效消除了冻胀应力，而且有效的防止了实验室内积水进入地坪内部。另外，每块地坪铠甲缝周围布置有多个传力结构(见图3)，使得每块地坪间接相连，当压力载荷作用在一块地坪上时，可使得载荷在地坪间有效传递，避免压力载荷作用在一个地坪上破坏下层保温层。

3 地坪性能验证

该地坪设计已在气候环境实验室中得到成功应用，在实验室进行高温、低温、降雪、降雨试验时，地坪结构完好、无冻胀破坏，体现出了良好的耐候性。为验证地坪结构的保温性能，在实验室进行-55 ℃低温试验以及回温过程中，对实验室内不同位置的地坪内部温度分布进行了实时监测，监测结果见图4，图5。由图可以看出，当实验室温度为-55 ℃时，由于实验室空气与地坪之间对流换热效率较低，地坪表面附近空气存在一定温度梯度，使得地坪温度高于实验室内环境温度，大约为-43 ℃，而此时地坪保温层下侧温度为16 ℃，保温层上下有60 ℃的温差，体现出了优越的保温隔热性能。在实验室温度从-55 ℃回温至室温过程中，随着实验室内温度的升高，地坪承载层温度缓慢升高，而地坪保温层下表面的温度没有明显变化，基本维持恒定温度，体现出非常好的保温隔热性能，有效的阻止了实验室内冷/热量沿地坪向下的传导。另外通过对低温试验实验室冷负荷的热力计算分析，实验室地面的冷负荷比设计值减小了约30%，大大降低了实验室的能量损耗，从而降低了试验成本。

4 结语

耐超低温多层复合隔热地坪设计是一种新型地坪结构设计，可用于大型环境实验室或环境舱的地坪结构设计。较传统的地坪结构，该地坪结构具有优越的保温隔热性能，大大降低了实验室地坪的冷/热负荷，节约实验室运行成本；另外，该地坪结构具有较好的耐候性和承载能力，可耐受高温、低温、温度交变等极端环境以及飞机等武器装备带来的压力载荷。