3.5.4.1 聚氨酯保温保湿
（1）保温试验目的及分区。聚氨酯与其他保温材料如聚氯乙烯、聚苯乙烯相比，具有外形美观、保温隔热及保湿性能优良、施工简单等优点，其保温隔热及保湿性能不因气候影响发生较大的波动。聚氨酯硬质泡沫由主料异氯酸酯、多元醇及辅助材料催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、阻燃剂等组合而成，具有较高的扯断强度、撕裂强度、耐磨性、抗冲击性能和耐化学腐蚀性能，其主要理化性能见表3.5.6。
下水库碾压混凝土大坝施工前开展混凝土大坝保温保湿材料工艺及保温保湿效果的试验研究工作，研究寒冷条件下不同厚度聚氨酯泡沫层的保温效果。
（2）试验分区及方法。试验选在施工现场交通桥下，利用6个混凝土桥墩作为试验区。分A、B、C、D、E、0等6个区域（0区为试验对比区），每个区域绕桥墩一周，喷涂高度均为4m，A区喷涂5cm厚聚氨酯；B区喷涂8cm厚聚氨酯；C区喷涂8cm厚聚氨酯泡沫加喷3cm厚聚酯砂浆；D区喷涂12cm厚聚氨酯泡沫加喷3cm厚聚酯砂浆；E区喷涂15cm厚聚氨酯泡沫加喷3cm厚聚酯砂浆。
每个试验区取3个面埋设测试仪器：上游面、左侧面和右侧面。上游面测试体系由两组温度计和一组湿度计；左、右侧面测试体系由三组温度计和一组湿度计组成。埋设深度1cm、3cm、6cm。
表3.5.5 冬期施工混凝土强度统计
表3.5.6 聚氨酯保温保湿材料的主要理化性能
试验测定气温变幅、空气湿度、不同深度混凝土表面温度变幅、湿度并进行90d的原型观测，得到聚氨酯层下的混凝土表面保温系数和湿度变化规律。喷涂前于每天10：00、15：00、18：00对C区用水湿润3遍，持续湿润5d后，待C区混凝土表面饱和面干后进行聚氨酯喷涂施工。
（3）数据观测方法。温度传感器数据由人工读取和无纸记录仪记录两种方式分别记录，湿度传感器的数据由人工读取数据的方式进行记录。施工现场使用的普通传感器每天采集4组数据，采集典型时间点为8：00、14：00、17：00、21：00，采集数据的时间间隔为3～8h/次。无纸记录仪可连续自动记录传感器测量数据，能够得到日温度变化全过程曲线和昼夜温差。试验现场使用的无纸记录仪记录数据的时间间隔为1min，即每天能够获得1440组数据。
（4）保温效果分析。为了分析方便，定义混凝土保温系数为K，其计算公式如下：
式中：A f为混凝土温度日变幅，℃。A 0为气温日变幅，℃。K越小意味着保温措施效果越好。
针对A～E五种分区方案，统计了从2011年4月25日至5月25日以及从2011年6月8日至7月23日各深度处保温系数的计算结果，见表3.5.7～表3.5.9。
表3.5.7 不同埋深处各方案保温系数（5月）
表3.5.8 不同埋深处各方案保温系数（6—7月）
表3.5.8 不同埋深处各方案保温系数（6—7月）
续表
续表
表3.5.9 5—7月各方案表面平均保温系数
表3.5.9 5—7月各方案表面平均保温系数
在5—7月当地气温逐渐升高且日变化幅度较大的条件下，O区各深度处的保温系数约为A区的6～9倍，说明喷涂保温材料能够有效降低气温变化对混凝土的影响。保温效果由优到劣仍然为E、D、C、B、A（6—7月B区左墩的保温系数明显低于B区右墩，接近于C区和D区）。A保温方案在埋深6cm以内混凝土温度仍有较大的波动，B、C保温方案的影响深度约为3cm，D、E保温方案的影响深度为1cm，E方案保温效果最佳，埋深1cm以下各深度处混凝土温度基本不受气温变化的影响。
由表3.5.9中数据可知，保温系数随埋设深度增加而减小，表面处保温系数最高，受环境温度影响最大。除O区方案之外，A保温方案的混凝土表面0～6cm范围内温度变化较大；C、D、E方案的混凝土表面0～3cm范围内温度变化较大，距离混凝土表面3cm以上的区域对气温变化不敏感。
对比5—7月的保温系数，除O区保温系数变化较大外，其他各区保温系数略有波动，但基本处于相对稳定的状态。对比6月、7月的保温系数，各区的保温系数均有不同程度的减小，减小范围在0.01～0.02之间，原因可能是进入7月后气温变化幅度略有增大。另外，进入6月后，B区左墩的保温系数骤降，其值已经接近D区和E区，分析原因可能是B区左墩没有受到阳光的照晒，处于背阴面，因此温度变化幅度相比于B区上游和B区右墩明显减小，但总的来说B区上游、左墩、右墩各深度的混凝土的温度是大致相同的。
综合3个月的保温系数来看，D、E方案混凝土表面温度变幅较B区右墩方案和C方案有明显减小，E方案（15cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆）较D方案（12cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆）的保温效果未能明显提高，6月的平均保温系数还略有偏大。说明12cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆的保温方案能够有效保护混凝土，再增加聚氨酯的厚度对保温效果的改善不明显。
数据中O区是未喷涂任何保温材料的组别，其保温系数计算结果为其他各区值的5倍以上，并且在距离混凝土表面0～6cm范围内，不同埋深处保温系数变化不大，说明在未喷涂保温材料时，气温变化对混凝土的影响深度远在6cm以上。
将保温材料的保温特性与混凝土自身的保温性能等价计算，即假设1cm聚氨酯或聚酯砂浆的保温性能分别相当于一定厚度f（h1）+f（h2）=H的混凝土自身的保温性能，通过比较两种材料等同的混凝土厚度，可比较两种保温材料的保温性能。将A区（喷射5cm聚氨酯）各深度处的保温系数K作为参照组，B区、C区、D区、E区表面系数K作为试验组，等同厚度由线性插值算出，结果见表3.5.10。
表3.5.10 保温性能等价计算
在5—7月当地气温逐渐升高且日变化幅度较大的条件下，O区各深度处的保温系数约为A区的6～9倍，说明喷涂保温材料能够有效降低气温变化对混凝土的影响。保温效果由优到劣仍然为E、D、C、B、A（6—7月B区左墩的保温系数明显低于B区右墩，接近于C区和D区）。A保温方案在埋深6cm以内混凝土温度仍有较大的波动，B、C保温方案的影响深度约为3cm，D、E保温方案的影响深度为1cm，E方案保温效果最佳，埋深1cm以下各深度处混凝土温度基本不受气温变化的影响。
由表3.5.9中数据可知，保温系数随埋设深度增加而减小，表面处保温系数最高，受环境温度影响最大。除O区方案之外，A保温方案的混凝土表面0～6cm范围内温度变化较大；C、D、E方案的混凝土表面0～3cm范围内温度变化较大，距离混凝土表面3cm以上的区域对气温变化不敏感。
对比5—7月的保温系数，除O区保温系数变化较大外，其他各区保温系数略有波动，但基本处于相对稳定的状态。对比6月、7月的保温系数，各区的保温系数均有不同程度的减小，减小范围在0.01～0.02之间，原因可能是进入7月后气温变化幅度略有增大。另外，进入6月后，B区左墩的保温系数骤降，其值已经接近D区和E区，分析原因可能是B区左墩没有受到阳光的照晒，处于背阴面，因此温度变化幅度相比于B区上游和B区右墩明显减小，但总的来说B区上游、左墩、右墩各深度的混凝土的温度是大致相同的。
综合3个月的保温系数来看，D、E方案混凝土表面温度变幅较B区右墩方案和C方案有明显减小，E方案（15cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆）较D方案（12cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆）的保温效果未能明显提高，6月的平均保温系数还略有偏大。说明12cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆的保温方案能够有效保护混凝土，再增加聚氨酯的厚度对保温效果的改善不明显。
数据中O区是未喷涂任何保温材料的组别，其保温系数计算结果为其他各区值的5倍以上，并且在距离混凝土表面0～6cm范围内，不同埋深处保温系数变化不大，说明在未喷涂保温材料时，气温变化对混凝土的影响深度远在6cm以上。
将保温材料的保温特性与混凝土自身的保温性能等价计算，即假设1cm聚氨酯或聚酯砂浆的保温性能分别相当于一定厚度f（h1）+f（h2）=H的混凝土自身的保温性能，通过比较两种材料等同的混凝土厚度，可比较两种保温材料的保温性能。将A区（喷射5cm聚氨酯）各深度处的保温系数K作为参照组，B区、C区、D区、E区表面系数K作为试验组，等同厚度由线性插值算出，结果见表3.5.10。
表3.5.10 保温性能等价计算
对ah 1+bh 2=H做线性回归，得到两种材料的等同混凝土厚度分别为a=0.567，b=0.35，因此聚氨酯的保温效果好于聚酯砂浆。
混凝土表面保温能力可用放热系数β表示。根据朱伯芳《大体积混凝土温度应力与温度控制》（朱伯芳，2012年），如果混凝土采取了保温措施，并且保温材料的品种已经选定，可进一步确定保温层的厚度，放热系数由式（3.5.8）计算：
对ah 1+bh 2=H做线性回归，得到两种材料的等同混凝土厚度分别为a=0.567，b=0.35，因此聚氨酯的保温效果好于聚酯砂浆。
混凝土表面保温能力可用放热系数β表示。根据朱伯芳《大体积混凝土温度应力与温度控制》（朱伯芳，2012年），如果混凝土采取了保温措施，并且保温材料的品种已经选定，可进一步确定保温层的厚度，放热系数由式（3.5.8）计算：
式中：h为保温层厚度；λs为保温材料的导热系数，取决于保温材料的种类，当保温材料为聚氨酯时，取0.024；β0为保温板的外表面与空气之间的放热系数，通常取18.5；k为修正值，k取1～1.2，当粘贴接缝密不透风时，取k=1.2。
为方便考虑β与h的关系，取k=1.2，根据式（3.5.8），取聚氨酯保温材料不同的厚度h算出相应的等效放热系数β，如图3.5.10所示。
由图3.5.10可以看出，β随着h的增大而逐渐减小，且减小的梯度越来越小，当h大于0.1m后，β值已经变化不明显了。若要满足设计要求，保温后混凝土表面等效保温系数β≤0.272W/（m2·K），可以由式（3.5.8）求得h≥0.109m。所以综合保温效果以及经济等方面的因素考虑，聚氨酯保温材料的厚度并不是越厚越好，取0.10～0.15m（认为聚酯砂浆与聚氨酯的保温性能相同）为宜。
式中：h为保温层厚度；λs为保温材料的导热系数，取决于保温材料的种类，当保温材料为聚氨酯时，取0.024；β0为保温板的外表面与空气之间的放热系数，通常取18.5；k为修正值，k取1～1.2，当粘贴接缝密不透风时，取k=1.2。
为方便考虑β与h的关系，取k=1.2，根据式（3.5.8），取聚氨酯保温材料不同的厚度h算出相应的等效放热系数β，如图3.5.10所示。(www.xing528.com)
由图3.5.10可以看出，β随着h的增大而逐渐减小，且减小的梯度越来越小，当h大于0.1m后，β值已经变化不明显了。若要满足设计要求，保温后混凝土表面等效保温系数β≤0.272W/（m2·K），可以由式（3.5.8）求得h≥0.109m。所以综合保温效果以及经济等方面的因素考虑，聚氨酯保温材料的厚度并不是越厚越好，取0.10～0.15m（认为聚酯砂浆与聚氨酯的保温性能相同）为宜。
图3.5.10 保温层厚度h与等效放热系数β关系曲线
（5）保湿效果分析。湿度传感器的测量数据见表3.5.11。左侧、右侧、上游面测得的空气湿度值一致，每日空气湿度浮动较大，浮动规律基本相同，幅值不同。根据统计结果，2011年4月8日至7月21日，施工现场空气湿度平均值约为20%RH，每日平均幅值约为40%RH。埋设于保温材料下方的混凝土，湿度值随着时间的推移趋于稳定。A区0cm处的湿度与空气湿度值贴近，但6月6日之后也只是在（30%～40%）RH之间波动，3cm、5cm处的湿度传感器受空气湿度影响渐小。5月中旬之后，B～E区不同测量深度处湿度值已经基本稳定，不受外界空气湿度变化的影响。另外，A～C方案0cm、3cm、5cm稳定后的湿度值有明显差异，B方案中5cm处稳定后的湿度值较小；D～E方案中，除了0cm处，3cm、5cm处的湿度基本一致，说明D方案、E方案对混凝土湿度起到了很好的保护作用，其中D方案保湿效果最优。
表3.5.11 各方案湿度平均值（%RH）
图3.5.10 保温层厚度h与等效放热系数β关系曲线
（5）保湿效果分析。湿度传感器的测量数据见表3.5.11。左侧、右侧、上游面测得的空气湿度值一致，每日空气湿度浮动较大，浮动规律基本相同，幅值不同。根据统计结果，2011年4月8日至7月21日，施工现场空气湿度平均值约为20%RH，每日平均幅值约为40%RH。埋设于保温材料下方的混凝土，湿度值随着时间的推移趋于稳定。A区0cm处的湿度与空气湿度值贴近，但6月6日之后也只是在（30%～40%）RH之间波动，3cm、5cm处的湿度传感器受空气湿度影响渐小。5月中旬之后，B～E区不同测量深度处湿度值已经基本稳定，不受外界空气湿度变化的影响。另外，A～C方案0cm、3cm、5cm稳定后的湿度值有明显差异，B方案中5cm处稳定后的湿度值较小；D～E方案中，除了0cm处，3cm、5cm处的湿度基本一致，说明D方案、E方案对混凝土湿度起到了很好的保护作用，其中D方案保湿效果最优。
表3.5.11 各方案湿度平均值（%RH）
（6）试验小结：
1）保温措施对混凝土温度保护作用明显，保温系数随深度增加而减小，表面处保温系数最高，受环境温度影响最大。B方案、C方案，混凝土温度浮动限制在0～3cm范围内；D方案、E方案，混凝土温度已经基本不受外界气温的影响，温度浮动限制在0～1cm范围内。O区（未喷涂任何保温材料）的保温系数计算结果为其他各区值的5倍以上，气温变化对混凝土的影响深度远在6cm以上。
2）在6—7月的高温天气且日温度变动幅度较大的外界环境下，聚氨酯材料仍表现出了较好的保温性能，A～E区的保温系数比O区的保温系数显著降低，且5—7月的平均表面保温系数基本稳定，说明聚氨酯在长时间受热和温度骤变的条件下，其稳定性并没有太大变化。与聚氯乙烯、聚苯乙烯等泡沫塑料相比，聚氨酯喷涂材料由于采用喷涂技术，节省黏结费用和铺设工时，材料利用率高，在高低温条件下稳定性均表现良好，具有良好的经济性。
3）D方案、E方案混凝土表面温度变幅较B方案有明显减小，说明12～15cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆的保温方案能够有效保护混凝土，再增加聚氨酯的厚度对保温效果的改善不明显。
4）保温效果由优到劣为E方案、D方案、C方案、B方案、A方案。
5）无纸记录仪能连续温度变化全过程曲线值，数据量大、准确。
6）建议在拆模2周后及时跟仓进行混凝土保温。同时适宜施工的温度范围是18～24℃。
7）2011年4月初至7月下旬，施工现场空气湿度浮动明显，日均湿度约为20%RH，浮动40%RH以上。埋设于保温材料下方的混凝土，湿度值稳定，A区0cm处的湿度与空气湿度值贴近，3cm、5cm处的湿度传感器受空气湿度影响渐小。5月16日之后，B～E区不同测量深度处湿度值已经基本稳定，基本不受外界空气湿度变化的影响。另外，A～C方案0cm、3cm、5cm稳定后的湿度值有明显差异，D～E方案中，除了0cm处，3cm、5cm处的湿度基本一致，说明D方案、E方案对混凝土湿度起到了很好的保护作用。
8）综合温度分析和湿度分析结果，D方案（喷涂12cm聚氨酯和3cm聚酯砂浆）最为经济有效，推荐使用。
（7）现场实施。在拦沙坝坝体上游面1372.00m高程以上及坝体下游面，喷涂8cm厚聚氨酯保温保湿材料后加喷3cm厚聚酯砂浆；在拦沙坝上游坝面1372.00m高程以下，喷涂5cm厚聚氨酯保温保湿材料；对拦沙坝上游坝面1374.00m高程以下基坑进行土石回填。
在拦河坝下游坝面1355.00m高程以上及坝体上游面，喷涂8cm厚聚氨酯保温保湿材料后加喷3cm厚聚酯砂浆。在拦河坝下游坝面1355.00m高程以下，喷涂5cm厚聚氨酯保温保湿材料；拦河坝下游坝面1357.00m高程以下基坑进行土石回填。
聚酯砂浆采用中砂：抗裂胶（重量比）=3.5∶1。进行聚酯砂浆喷涂施工前先铺设耐碱玻纤网格布，网格布孔径为10mm×10mm，采用2m间隔射钉压条进行固定。
拦沙坝混凝土闷温温度检测共674次，平均值范围为14.4～15.2℃，平均14.8℃，满足越冬前混凝土内部温度设计要求。拦河坝混凝土闷温温度检测共901次，平均值为14.9～15.4℃，满足越冬前混凝土内部温度设计要求。拦沙坝和拦河坝混凝土内部温度监测符合设计要求，未发现存在裂缝。
3.5.4.2 坝面越冬保温
鉴于呼蓄电站下水库所在地冬季极端最低温度为-37.0℃，且大风及降雪天气较多。设计要求坝体混凝土内外温差需控制在20℃以内，冬季坝体内部温度≥8℃，保温材料等效放热系数为：β≤38.8kJ/（m2·d℃）[=1.616kJ/（m2·h℃）]。因此，须对大坝混凝土进行越冬保护。由于坝体上下游面已采取喷涂5～8cm聚氨酯的方法进行了永久保温，因此，越冬保护措施只考虑水平施工缝面。
根据现场实际情况，并参考国内类似工程经验，采取秸秆保温法。考虑到施工现场一些不利因素（保温材料进水受潮等）及出现特别恶劣天气情况，为确保坝体混凝土保温效果。将保温形式确定为：拦沙坝高程1352.50m，水平施工缝面保温形式自下而上分别为：5cm（两层）聚苯乙烯保温被错缝铺设、15cm麦草帘（人工压实厚度）、30cm玉米秸秆、2层防水雨布，顶面采用沙袋点状压盖防风。
冬季期间，环境气温最高10℃，最低-29℃，平均气温-12.3℃。采取越冬保温措施，坝面实测最高温度17℃，最低温度6℃，平均8.6℃，最大温差11℃。各测点坝体混凝土表面温度与环境温度温差在20.3～22.5℃之间，平均温差20.9℃。越冬后分时段逐层拆除越冬保温层，对拦沙坝高程1352.50m水平施工缝全部清理干净后检查发现，坝面混凝土除发现5条浅表层裂缝外，未发现深层危害性裂缝，坝体上、下游面未发现裂缝。
（6）试验小结：
1）保温措施对混凝土温度保护作用明显，保温系数随深度增加而减小，表面处保温系数最高，受环境温度影响最大。B方案、C方案，混凝土温度浮动限制在0～3cm范围内；D方案、E方案，混凝土温度已经基本不受外界气温的影响，温度浮动限制在0～1cm范围内。O区（未喷涂任何保温材料）的保温系数计算结果为其他各区值的5倍以上，气温变化对混凝土的影响深度远在6cm以上。
2）在6—7月的高温天气且日温度变动幅度较大的外界环境下，聚氨酯材料仍表现出了较好的保温性能，A～E区的保温系数比O区的保温系数显著降低，且5—7月的平均表面保温系数基本稳定，说明聚氨酯在长时间受热和温度骤变的条件下，其稳定性并没有太大变化。与聚氯乙烯、聚苯乙烯等泡沫塑料相比，聚氨酯喷涂材料由于采用喷涂技术，节省黏结费用和铺设工时，材料利用率高，在高低温条件下稳定性均表现良好，具有良好的经济性。
3）D方案、E方案混凝土表面温度变幅较B方案有明显减小，说明12～15cm聚氨酯配合3cm聚酯砂浆的保温方案能够有效保护混凝土，再增加聚氨酯的厚度对保温效果的改善不明显。
4）保温效果由优到劣为E方案、D方案、C方案、B方案、A方案。
5）无纸记录仪能连续温度变化全过程曲线值，数据量大、准确。
6）建议在拆模2周后及时跟仓进行混凝土保温。同时适宜施工的温度范围是18～24℃。
7）2011年4月初至7月下旬，施工现场空气湿度浮动明显，日均湿度约为20%RH，浮动40%RH以上。埋设于保温材料下方的混凝土，湿度值稳定，A区0cm处的湿度与空气湿度值贴近，3cm、5cm处的湿度传感器受空气湿度影响渐小。5月16日之后，B～E区不同测量深度处湿度值已经基本稳定，基本不受外界空气湿度变化的影响。另外，A～C方案0cm、3cm、5cm稳定后的湿度值有明显差异，D～E方案中，除了0cm处，3cm、5cm处的湿度基本一致，说明D方案、E方案对混凝土湿度起到了很好的保护作用。
8）综合温度分析和湿度分析结果，D方案（喷涂12cm聚氨酯和3cm聚酯砂浆）最为经济有效，推荐使用。
（7）现场实施。在拦沙坝坝体上游面1372.00m高程以上及坝体下游面，喷涂8cm厚聚氨酯保温保湿材料后加喷3cm厚聚酯砂浆；在拦沙坝上游坝面1372.00m高程以下，喷涂5cm厚聚氨酯保温保湿材料；对拦沙坝上游坝面1374.00m高程以下基坑进行土石回填。
在拦河坝下游坝面1355.00m高程以上及坝体上游面，喷涂8cm厚聚氨酯保温保湿材料后加喷3cm厚聚酯砂浆。在拦河坝下游坝面1355.00m高程以下，喷涂5cm厚聚氨酯保温保湿材料；拦河坝下游坝面1357.00m高程以下基坑进行土石回填。
聚酯砂浆采用中砂：抗裂胶（重量比）=3.5∶1。进行聚酯砂浆喷涂施工前先铺设耐碱玻纤网格布，网格布孔径为10mm×10mm，采用2m间隔射钉压条进行固定。
拦沙坝混凝土闷温温度检测共674次，平均值范围为14.4～15.2℃，平均14.8℃，满足越冬前混凝土内部温度设计要求。拦河坝混凝土闷温温度检测共901次，平均值为14.9～15.4℃，满足越冬前混凝土内部温度设计要求。拦沙坝和拦河坝混凝土内部温度监测符合设计要求，未发现存在裂缝。
3.5.4.2 坝面越冬保温
鉴于呼蓄电站下水库所在地冬季极端最低温度为-37.0℃，且大风及降雪天气较多。设计要求坝体混凝土内外温差需控制在20℃以内，冬季坝体内部温度≥8℃，保温材料等效放热系数为：β≤38.8kJ/（m2·d℃）[=1.616kJ/（m2·h℃）]。因此，须对大坝混凝土进行越冬保护。由于坝体上下游面已采取喷涂5～8cm聚氨酯的方法进行了永久保温，因此，越冬保护措施只考虑水平施工缝面。
根据现场实际情况，并参考国内类似工程经验，采取秸秆保温法。考虑到施工现场一些不利因素（保温材料进水受潮等）及出现特别恶劣天气情况，为确保坝体混凝土保温效果。将保温形式确定为：拦沙坝高程1352.50m，水平施工缝面保温形式自下而上分别为：5cm（两层）聚苯乙烯保温被错缝铺设、15cm麦草帘（人工压实厚度）、30cm玉米秸秆、2层防水雨布，顶面采用沙袋点状压盖防风。
冬季期间，环境气温最高10℃，最低-29℃，平均气温-12.3℃。采取越冬保温措施，坝面实测最高温度17℃，最低温度6℃，平均8.6℃，最大温差11℃。各测点坝体混凝土表面温度与环境温度温差在20.3～22.5℃之间，平均温差20.9℃。越冬后分时段逐层拆除越冬保温层，对拦沙坝高程1352.50m水平施工缝全部清理干净后检查发现，坝面混凝土除发现5条浅表层裂缝外，未发现深层危害性裂缝，坝体上、下游面未发现裂缝。
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