浅谈保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下对地铁站综合支吊架荷载的影响

林中健

摘 要：建筑物的隔热保温是节约能源、改善居住条件和保证使用功能的一个重要方面。建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例一般在30%～40%，其中绝大部分是采暖和空调的消耗，所以建筑节能意义重大。地铁站作为城市交通基础设施，2014年轨道交通总耗电约占全国总耗电的1.7‰，预计未来会占到全国总耗电的5‰以上。特别是在南方地区，环控能耗占了地铁总能耗的50%左右。地铁站均采用保温材料来降低环控能耗。现场往往会由于一些原因导致保温材料进水，不仅会严重影响保温材料的隔热保温性能增加能源消耗，还会增加综合支吊架的荷载，对综合支吊架系统的安全性造成影响。本文简要论述了地铁车站中的保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下的荷载变化。

关键词：保温材料;干燥;最大吸水量;综合支吊架;荷载变化

中图分类号：U231.4 文献标识码：A

随着各个城市轨道交通的快速发展以及车站功能的日益丰富，车站的能耗也越来越高。据清华大学建筑节能研究中心发布的《轨道交通车站能耗与节能》中显示，在供冷季电耗中，冷源、风机电耗占比高达60%～70%以上。为降低环控能耗，地铁站均采用保温材料对风管、空调水管等进行包覆，以此来减少管内介质在传输过程中的能量损耗，从而降低环控能耗。地铁站数量的飞速增长，保温材料的使用也越来越普遍。而现场往往会由于环境以及施工安装等方面的原因导致保温材料进水，增加了综合支吊架系统的荷载，通过试验研究了保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下荷载的变化情况。

1 试压方案选定

地铁车站中用于风管和水管保温材料为离心玻璃棉。离心玻璃棉是将处于熔融状态的玻璃用离心喷吹法工艺进行纤维化喷涂热固性树脂制成的丝状材料，再经过热固化加工处理而成。离心玻璃棉内部纤维蓬松交错，存在大量微小的孔隙，有阻燃、无毒、耐腐蚀、容重小、导热系数低、化学稳定性强、吸湿率低、憎水性好等诸多优点，是公认的性能最优越的保温隔热材料，具有十分广泛的用途。

为研究保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下的综合支吊架荷载变化，需分别测量同一体积保温材料在干燥状态下的重量和最大吸水量状态下的重量，再根据同一体积保温材料在干燥状态下的重量和最大吸水量状态下的重量，推算出单位体积下保温材料的吸水重量，即保温材料的单位吸水重量。再根据测出的单位吸水重量，与综合支吊架系统上需要使用的保温材料体积进行计算，即可得出最大吸水量状态下综合支吊架的荷载情况，就可与干燥状态下综合支吊架的荷载情况进行对比分析，得出保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下的综合支吊架荷载变化结果。

2 试验方案难点分析

（1）保温材料的干燥状态可以很轻易明显地获取到，但保温材料的最大吸水状态却不那么轻易获取，无法直观地判断出保温材料是否已达到最大吸水状态。

（2）离心玻璃棉的吸湿率低、憎水性好，但所采用的保温材料不仅只有离心玻璃棉，外部还带有贴面，贴面的透水性极差，导致安装完成好的保温材料进水后，水无法流出，被外部贴面包裹住。而单独离心玻璃棉样品在达到最大吸水状态后水会从其他几个没有外部贴面的面流出，从而无法保持离心玻璃棉在最大吸水状态下测得重量。

3 拟采取的措施

针对上述试验方案难点，通过认真研究与探讨，拟采取以下针对措施进行解决。

（1）针对上述试验方案难点分析第1点提出的无法直观地判断出保温材料是否已达到最大吸水状态的问题，通过分析，得出以下措施：保温材料的最大吸水状态即保温材料吸水量达到最多无法再增加的状态，就可以通过多次测量完全没入水中保温材料的重量，直到保温材料重量无法再继续增加，就可以认为保温材料达到了最大吸水状态。

（2）针对上述试验方案难点分析第2点提出的无法保持离心玻璃棉在最大吸水状态下测得重量的问题，通过研究分析，得出以下措施：特制一个专门的容器，底部设有水龙头可以放出容器内的水，特制试验容器结构示意图如图1所示。其中：①为40角钢，作为容量的四个支脚;②为水龙头，通过管道与③相连;③为容器底板上开的圆孔;④为铁质容器。试验时，将离心玻璃棉样品放置于容器中间，加水淹没离心玻璃棉样品。每间隔一段时间后，打开水龙头放净容器中的水，测量特制容器以及离心玻璃棉样品的整体重量。多次测量并记录数据后，测得的实验数据至少4次基本稳定后，即可认为离心玻璃棉样品达到了最大吸水量状态，再相应减去特制容器干燥状态下的重量，就可以得到离心玻璃棉在最大吸水量状态下的重量。

为解决水从离心玻璃棉样品其他几个没有外部贴面的面流出的问题，将离心玻璃棉样品四边用塑料隔板进行密封，塑料隔板高出离心玻璃棉5 cm，防止水流出。离心玻璃棉样品四边包塑料隔板示意图如下图2所示。

4 试验步骤

（1）取试验样品。为研究保温材料在干燥状态和最大吸水量状态下的综合支吊架荷载变化，采用的是同一块离心保温棉样品。试验选用一块300*300的正方形带贴面离心玻璃棉板，厚度为40 mm。试验样品得到后，用塑料隔板将离心玻璃棉样品四边紧贴包裹起来。测得此时保温材料为干燥状态下的重量。

（2）将离心玻璃棉样品放入特制试验容器正中，离心玻璃棉样品带有黑色贴面的一面朝下放置。缓缓向容器内加水，至液面超过离心玻璃棉样品顶面10 cm，保证离心玻璃棉样品完全浸入在水中。

（3）半个小时后，打开特制容器底部的水龙头，将容器内的水完全放干净，并用干毛巾或吸水纸擦拭干净容器内的水和离心玻璃棉顶面上多余的水。擦拭干净后，连同特制容器和试验样品一同测量重量，记录下此时的重量。

（4）数据记录完毕后，再缓缓向容器内加水，同样加水至液面超过离心玻璃棉样品顶面10 cm。

（5）重复第3步和第4步，直至最后三组测得的试验数据保持基本稳定。

5 试验数据

通过试验，一共获得了10组试验数据，试验数据如下表1所示。

6 数据分析

通过离心玻璃棉浸水试验数据表可绘制出重量变化曲线图，曲线图如下图3所示。

从数据表以及曲线图可知：

（1）试验离心玻璃棉样品（300*300*40）在干燥状态下的重量为230 g，通过计算可得出，1 m3的离心玻璃棉在干燥状态下的重量为64 kg。

（2）试验数据在210 min、240 min、270 min时的重量基本保持不变，分别为3 159 g、3 155 g、3 158 g。表明，此时保温材料达到了最大含水量状态。为方便计算，离心玻璃棉样品最大含水量状态下重量取值为3 160 g。

（3）试验离心玻璃棉样品体积为300 mm*300 mm*40 mm=3 600 000 mm3=0.003 6 m3，最大含水量状态下重量为3 160 g，通过计算可得出，1 m3的离心玻璃棉在最大含水量状态下的重量为878 kg。

综上可得，保温材料在干燥状态下的综合支吊架荷载为64 kg/m3，在最大吸水量状态下的综合支吊架荷载为878 kg/m3。

7 试验结论

通过试验数据分析可得知，离心玻璃棉这种保温材料在干燥状态与最大吸水量狀态下在综合支吊架系统上的荷载相差约14倍，从64 kg/m3陡增至878 kg/m3，将会给综合支吊架系统的安全性带来非常巨大的影响。由此可见，管道保温施工质量和管道焊接质量非常重要。若管道保温施工质量差，导致管道壁上产生了冷凝水，虽然一次产生的冷凝水量很小，但日积月累下保温材料内积攒的水无处排放的话，会大大增加综合支吊架的荷载，对综合支吊架系统的安全性造成影响，甚至会造成保温材料脱落的情况。若管道焊接质量差，造成漏水，那么保温材料内含水量将会急剧上升，综合支吊架荷载急剧增大，严重威胁综合支吊架系统安全，同样可能会造成保温材料脱落的情况。

参考文献：

[1]轨道交通车站能耗与节能.

[2]一种离心玻璃棉制品保温管壳.