聚氨酯保温材料在冻土路基工程中的应用
一、国内外应用现状
随着近年来材料科学的发展，工程新材料的应用给保温路基措施提供了广泛的可选择性。目前，国内外使用的保温材料可以分为天然材料和工业合成材料两大类。泥炭、草炭、草皮和粘土这些材料虽然具有保温效果，但是效果不太理想，而且原材料的使用受地域限制比较明显。工业材料如聚苯乙烯（EPS）、挤制聚苯乙烯（XPS）和聚氨酯（PU）由于导热系数小，质量轻，在国内外得到了较多应用。
国外从60年代就开始在道路工程中使用工业保温材料。在加拿大和美国北部地区，近些年开始采用聚苯乙烯泡沫塑料作为工业与民用建筑的隔热材料。加拿大于1972年在北部伊努维克公路工程中进行了聚苯乙烯泡沫板隔热层试验研究，在1.5m高的路堤路面以下70cm处，埋设厚度分别为5cm、9cm、11.5cm三种板材，据观测有效地防止了多年冻土融化。根据加拿大工程部门的经验，lcm 厚的泡沫塑料保温层相当于14cm厚填土的保温效果，6cm厚隔热层可使冻结深度降低50％以上。
1985年3月，阿拉斯加西南部多年冻土区的Nunapitchuk机场开始施工，机场跑道宽36.6 m，长762 m。在跑道填土中采用EPS板作为隔热层，厚度15cm，埋深46~61cm，1985年4月建成后的观测资料证实，路堤中心多年冻土上限上升至隔热层下10cm处，在暖季隔热层以下土体温度保持在负温范围内，隔热效果是明显的。
俄罗斯境内的贝阿干线775km处有560m长的地段为厚度达30m的饱冰冻土和残留冰所形成。按线路设计方案，应开挖10m深的路堑，于是在边坡和堑底用泡沫塑料板和泥炭铺设热缓冲层，用亚粘土设置防渗帷幕和坡面铺石块覆盖层起增压和防侵蚀作用。工程于1984年完工，竣工后4年，路基的热平衡状态稳定，
该段线路运营11年后未发现路基显著变形。在新建的阿穆尔一雅库茨克铁路冻土路基试验段也采用了泡沫塑料板的保温隔热措施。
聚氨酯（PU）隔热性能更好，但由于价格较高，在早期工程应用相对较少。
1975-1978年的青藏高原风火山路基试验工程曾应用了六种工业保温材料设置于路堑边坡、基底及低路基基底。青藏公路改建工程中，于1992年在青藏高原昆仑山地区进行了聚苯乙烯泡沫塑料板隔热试验，试验段长2km，选用板厚6cm 铺设900m、8cm板铺700m、10cm板铺400m，隔热板埋设在路面以下60cm左右，经运营检验效果良好。青藏铁路修建工程中，于2001年在青藏铁路格尔木至拉萨段高原多年冻土区试验工程——清水河试验段与北麓河试验段中进行了聚苯乙烯泡沫(EPS)板、聚氨酯泡沫(PU)板的试验研究，2001年7月～11月在我国青藏铁路的风火山铁路段、沱沱河铁路段、西大滩铁路段等试验段上采用PU板沫作为路基保温材料。经运营检验效果良好。
1999年在214国道(青康公路)多年冻土区姜路岭至玛多黄河桥花石峡段路基路面修筑中首次在公路路基中采用PU泡沫塑料
2002~2003年214国道拓宽改造过程中，姜路岭至清水河部分多年冻土段铺设聚氨酯(PU) 保温板实验路。跟踪研究发现国道214 线聚氨酯保温板试验段保温板上下温差明显，起到了预想的作用。对于214 国道沿线高温退化性多年冻土，聚氨酯保温板可以延缓其下多年冻土的退化。监测结果表明，路基中的保温板近8年来工作正常，可以大大减小保温板下土体温度较差，减小路基下伏冻土的升温速率。车辆荷载、水分和冻融循环等对其的影响较小。路基中铺设了保温材料，可以使进入路基层的热量每年减少近3/4。对于低温多年冻土地区，保温材料的使用可以延缓多年冻土退化，加强路基的热稳定型，延长路基的使用年限。
214 国道鄂拉山至清河段多年冻土地区路基工程中铺设了13km 的聚氨酯(PU) 保温板，并选取了处于高温多年冻土区的姜路岭和黄河沿两个试验段，共
长1160m，均采用厚度为5cm的聚氨酯板保温层，埋深为面层以下70～80cm。该工程及试验段分别于2000 年11 月和2002 年5月完工，并随后进入了观测阶段。经分析实验测试结果，效果较好。在铺设保温层的路段内，路基内部保温层上下最大温度差达到10 ℃～14 ℃以上，有效降低了保温层下部路基内的温度。同时，保温层断面的年温差明显小于无保温层的断面，即保温层影响了下部土层的热周转量。由于保温板的设置使得下部土层的热周转量大大降低了，由于依靠下部土层地温年变化幅度的减弱减小了活动层深度，即减小了人为上限深度，也就是说，保温层可有效的减小铺设沥青路面所产生的高热量传入路基内部，有效的保护路基下的多年冻土，减缓路基下多年冻土的融化速度，延长路基的使用寿命。
目前，PU板在国内外多年冻土区的道路、铁路及机场跑道等工程的应用虽然有限，但其保温效果是比较明显的。、
二、冻土路基特点
多年冻土的面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的部分地区，其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻土面积的10%，占我国国土面积的21.5%，是世界上第三大冻土大国。我国的多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山区，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上。
在青藏高原冻土地带修筑铁路与平原地带修筑铁路相比较，每公里的造价投资要增加几十倍，而且在青藏高原冻土地带修筑成铁路后，由于受冻土融沉和冻涨的影响，铁轨极易变形。为了保证铁路畅通，运营期间每年铁路的保养维修费用相当可观，为了避免冻土对铁路轨的影响，降低铁路保养费用，在青藏高原冻土地带修筑铁路时，路堤底层必须采用保温措施。
三、聚氨酯应用特点
目前用于保温的材料种类繁多，性能和价格相差十分悬殊。绝大多数无机保温材料为松散的纤维状(如岩棉等)或开孔多孔状的固体及颗粒，由于冰的导热系数相当于空气导热系数的100倍，一旦这些孔隙吸水吸潮并在低温下冻结成冰，则这些材料的隔热性能随之丧失。最近也有个别厂家开发出闭孔型泡沫玻璃保温材料，该材料导热系数为0.06W/(m·K)，抗压强度大于300kPa，体积吸水率小于1%，价格与聚氨酯泡沫相差无几。
对正处于升温状态的青藏高原地区，各类隔热板路基均具有保护路基下伏多年冻土、延缓多年冻土上限下降的功能，但其工程效果随隔热板的类型、厚度、埋深及施工季节、年均地温的不同呈现一定的差异性。就隔热板类型而言，从各项指标的对比来看，导热系数较小的PU板的工程效果明显优于EPS板。对不同冻土稳定类型地区，隔热板路基冻土的保护效果与适用范围亦不相同。在年均地温为-1℃的中温过渡型多年冻土地区，隔热板的采用可最大程度地发挥作用。
HBL道路用聚氨酯板是专门针对公路、铁路领域而开发的新型保温材料，作为优良的热固型高强保温材料，可以用于严寒地区冻土层防护、道路护坡、软土路基处理等。其具有高抗压、不吸水、防潮、轻质、耐腐蚀、使用寿命长、导热系数低等优异性能。
（1）良好的火灾安全性
HBL道路用聚氨酯保温板属于热固性材料，是国内唯一通过分子结构改性实现持久阻燃的产品，遇火碳化，离火自熄，减少火灾风险；
（2）高强，耐长期压缩蠕变
硬质聚氨酯泡沫在连续的负荷情况下，比如用作冻土路基的隔热保温层，它的蠕变行为是很关键的。须保证长期负载时允许使用的压缩应力要大大低于在短期试验中所确定的抗压强度，在此基础上硬质聚氨酯泡沫板便具有长期的稳定
性。
研究表明，当压缩应力是10%压缩变形下的压缩应力或压缩强度的1/5，硬质聚氨酯泡沫板在连续的压缩应力下作用20年后，压缩变形小于2%。如果板材的厚度为50mm，2%压缩变形意味着厚度变化仅为1.0mm，该变化是在泡沫板的厚度偏差范围以内。
图1 硬质聚氨酯泡沫板在连续压缩应力下的蠕变
（3）抗冻融，持久耐用
冻土区气候多变，特别是多年冻土区，天气变化无常，降雨降雪频繁，水分易从边坡、土路肩以及以毛细水作用方式进入路基，加上频繁的冻融作用，隔热保温材料需要一定的抗冻融性能。
HBL道路用聚氨酯保温板是网状结构的多孔材料，泡孔壁骨架均匀稳定，耐酸碱等腐蚀性介质侵蚀，合理使用温度为-130℃～120℃，并能承受一定程度的延展要求和局部的重击。
(a) (b)
(c)
图2. 硬质聚氨酯泡沫板在冻融试验后的吸水率(a)、导热系数(b)和压缩强度(c)变化
HBL道路用聚氨酯保温板具有优异的耐冻融性能，吸水率、导热系数、压缩强度等性能在模拟冻土地区气候条件下能够长期保持，满足路基保温、稳定性要求。
（4）高效节能
HBL道路用聚氨酯保温板是导热系数最低的保温材料之一，闭孔率达到90%以上，达到相同保温效果，其使用厚度最小，节能、节材。
表4 比热容实测值
（5）适用环境广泛
HBL道路用聚氨酯保温板能耐绝大部分化学品，如燃料、矿物油、沥青等。
四、小结
在公路、铁路上选用PU板为路基保温材料，虽然初始投资增大，但从运营和维修成本来算，它是最低的。这是由硬质聚氨酯泡沫的固有属性决定的，该材
料独特的闭孔结构使之吸水率极低，属于憎水性能保温材料，在有外保护层保护的情况下，按加速老化实验推算其使用寿命超过30年。对于青藏铁路这种重大工程，所选材料的使用寿命必须要满足重大工程的要求。从环保和长期运营的综合经济效益分析，聚氨酯材料都是最佳候选的保温材料。
目前，国家标准GB/T35453-2017《冻土路基用硬质聚氨酯泡沫板(DLPU)》已于2017年12月29日发布，将于2018年07月01日起实施。中国铁路总公司企业标准《铁路工程土工合成材料第8部分：保温材料》Q/CR549.8-2017，也于2017年11月14日发布，2018年03月01日实施。两部标准的发布和实施，将给我国铁路、公路路基保温建设领域注入新的技术支撑力量。