CN116285065B - 一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料及应用和其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料及应用和其施工方法，按质量份数计，寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的原料包括：聚乙烯60‑80份，纳米级氢氧化铝3‑5份，聚丙烯6‑8份，阻燃剂15‑25份，发泡母料20‑30份，硅烷偶联剂5‑8份；阻燃剂采用十六烷基三甲基氯化铵和木质素磺酸钠包覆的管状聚磷腈；本发明发泡聚烯烃保温材料用于构建寒区隧道结构，阻燃和保温效果好，隧道结构施工方法使得层层紧密贴合，最大限度阻止空气和水的进入，降低了渗透水冻胀力的侵害。

Description

一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料及应用和其施工方法
技术领域
本发明涉及一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料及应用和其施工方法，属于聚氨酯材料技术领域。
背景技术
我国寒区面积分布广泛，为了满足经济和社会发展需求，其中修建了诸多隧道工程，而且在建和规划的隧道数量也相当庞大。目前，从已建工程来看，冻害问题频发，已成为寒区隧道的主要问题，严重影响其使用功能和耐久性。隧道的冻害可分为：衬砌裂损、热融塌陷、挂冰、衬砌材料劣化等。具体工程的冻害发生因素有很多，因施工质量或设计等问题导致的防排水系统排水不畅或者失效是主要原因之一。
发泡聚烯烃材料具有电绝缘、隔热等性质，广泛应用于保温、化工、建筑等领域，但是现有的聚烯烃泡棉还存在着一定的缺陷，如阻燃等级低；
鉴于此，需要发明一种能够提升发泡聚烯烃性能的方法，以适用于寒区隧道需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料及应用和其施工方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
技术主题一
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，
按质量份数计，原料包括：聚乙烯60-80份，纳米级氢氧化铝3-5份，聚丙烯6-8份，阻燃剂15-25份，发泡母料20-30份，硅烷偶联剂5-8份；
所述阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5g-5.5g的4,4'-磺酰基二苯酚与4g-4.5g的三乙胺溶解在230mL-260mL的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2g-2.5g六氯环三磷腈溶解在90mL-110mL四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1-1.5小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，温度控制在40℃；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；
B、将480mg-510mg的管状聚磷腈分散在140ml-160mL质量分数为0.9-1.1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下超声处理，然后离心，过滤，洗涤，得到木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管；
将480mg-510mg木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管分散在140ml-160mL质量分数为0.4-0.6wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理，然后离心，过滤，洗涤，得到阻燃剂。
在本发明的一些实施方案中，所述步骤A中搅拌时间为3-5小时；
步骤B将480mg-510mg的管状聚磷腈分散在140ml-160mL质量分数为0.9-1.1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下超声处理15-25分钟的，然后在8500-9500rpm/min的条件下进行离心，离心时间为8-12分钟；
步骤B将480mg-510mg木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管分散在140ml-160mL质量分数为0.4-0.6wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理8-12分钟；然后在8500-9500rpm /min的条件下进行离心，离心时间为8-12分钟。
在本发明的一些实施方案中，所述阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250mL的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100mL四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150mL质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下，进行20分钟的超声处理，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后洗涤，得到木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管；
将500mg木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管分散在150mL质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，洗涤，得到阻燃剂。
在本发明的一些实施方案中，所述步骤A超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；
步骤B超声条件为40Hz、240W。
在本发明的一些实施方案中，所述步骤A洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；步骤A干燥为在65℃下真空干燥24小时；步骤B洗涤采用去离子水洗涤。
在本发明的一些实施方案中，按质量份数计，所述发泡母料包括：发泡剂25-30份，聚丙烯45-50份和抗氧剂4-8份；
所述发泡剂为质量比1：2-5的偶氮二甲酰胺和尿素。
在本发明的一些实施方案中，所述聚乙烯的熔融指数为7-10g/10min，聚丙烯的熔融指数为5-8g/min。
在本发明的一些实施方案中，所述纳米级氢氧化铝的粒径在20-80nm。
在本发明的一些实施方案中，所述纳米级氢氧化铝的粒径在30nm。
在本发明的一些实施方案中，所述硅烷偶联剂为武大有机硅股份有限公司的WD21和/或WD70。
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度170℃-190℃，挤成片材，在70-90℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
技术主题二
本发明提供了上述寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的应用，用于构建隧道结构；所述隧道结构由外到内依次是由隧道岩壁、初支喷射混凝土层、土工布层、复合防水板聚烯烃泡棉层以及二次衬砌混凝土层组成；
所述复合防水板聚烯烃泡棉层包括防水板层和发泡聚烯烃保温材料层，防水板层一侧与发泡聚烯烃保温材料层高温热复合 而成复合防水板聚烯烃泡棉层。
在本发明的一些实施方案中，所述隧道结构中初支喷射混凝土层厚度为100-280毫米；防水板层厚度为1-1.5毫米；发泡聚烯烃保温材料层厚度为40-60毫米；二次衬砌混凝土层厚度为400-600毫米。
技术主题三
本发明还提供了一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料为保温层的隧道结构的施工方法，包括如下步骤：
在隧道岩壁上设格栅钢架，喷射混凝土，使格栅钢架埋设在喷射混凝土内，格栅钢架与混凝土形成整体，形成初支喷射混凝土层；
将土工布通过钢钉以穿接方式固定于初支喷射混凝土层，形成土工布层，相邻的两个钢钉距离为45-55cm；；相邻土工布层之间搭接宽度为100-120mm，搭接处通过热风枪高温热熔粘接；
将复合防水板聚烯烃泡棉粘在土工布表面，形成复合防水板聚烯烃泡棉层；复合防水板聚烯烃泡棉通过热熔胶连接有若干条自粘带，复合防水板聚烯烃泡棉层通过防水板层上的若干条自粘带与土工布层粘接，并通过膨胀螺钉固定粘结处；相邻复合防水板聚烯烃泡棉层之间采用防水胶带粘接；
在复合防水板聚烯烃泡棉层表面进行衬砌混凝土浇筑，形成二次衬砌混凝土层。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明所提供寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，以聚乙烯、纳米级氢氧化铝、聚丙烯、阻燃剂、发泡母料和硅烷偶联剂等复合，制备得出的发泡聚烯烃保温材料密度≥45 kg/m3，阻燃等级为B1级，闭孔率可达95%，其中阻燃剂采用十六烷基三甲基氯化铵和木质素磺酸钠协同包覆的管状聚磷腈，提高了发泡聚烯烃保温材料的阻燃性能。
本发明提供的寒区隧道结构施工方法，不仅使得该结构的层层设置合理排布，并利用土工布层和复合防水板聚烯烃泡棉层的防水保温性能技术特点，使得层层紧密贴合，最大限度阻止空气和水的进入，降低了渗透水冻胀力的侵害，整体结构表面不会产生鼓包现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明应用例1寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料为保温层的隧道结构的结构示意图；
图2是图1中寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料为保温层的隧道结构局部A的结构示意图；
图3是局部A中复合防水板聚烯烃泡棉层的结构示意图；
图4是局部A中初支喷射混凝土层内埋设格栅钢架的结构示意图；
图5是局部A中土工布层通过钢钉固定于初支喷射混凝土层的结构示意图；
图6是局部A中复合防水板聚烯烃泡棉层与土工布层连接的结构示意图；
图7为复合防水板聚烯烃泡棉层之间连接的结构示意图；
其中：1是隧道岩壁，2是初支喷射混凝土层，3是土工布层，4是复合防水板聚烯烃，4-1是防水板层，4-2是发泡聚烯烃保温材料层，5是二次衬砌混凝土层，6是格栅钢架,7是钢钉,8是自粘带，9是膨胀螺钉，10是防水胶带。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
下述实施例和对比例中所采用的聚乙烯的熔融指数为7-10g/10min，聚丙烯的熔融指数为5-8g/min；纳米级氢氧化铝的粒径在30nm。
硅烷偶联剂WD21和WD70，均购买自武大有机硅股份有限公司。
初支喷射混凝土的配合比如下：
用水量kg/m3 胶材量kg/m3 水泥kg/m3 水泥类别 复合外掺料 砂率% 减水剂 无碱速凝剂
190 500 400 PO42.5型 20% 62% 0.84% 7.0%
二次衬砌混凝土的配合比如下：
用水量kg/m3 胶材量kg/m3 水泥kg/m3 水泥类别 复合外掺料(kg） 砂率% 减水剂
220 550 360 PO 42.5 210 62% 0.4%
实施例1
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯60份，纳米级氢氧化铝5份，聚丙烯6份，阻燃剂25份，发泡母料20份，硅烷偶联剂8份；其中发泡母料包括：发泡剂25份，聚丙烯50份和抗氧剂1010 4份；所述发泡剂为质量比1：5的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为武大有机硅股份有限公司的WD21；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.5g的三乙胺溶解在230ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.5g六氯环三磷腈溶解在90ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为3小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将480mg的管状聚磷腈分散在140ml质量分数为1.1wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下进行15分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在8500rpm/min的条件下进行离心，离心时间为12分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；
将510mg SLS包覆的PZS分散在 160ml质量分数为0.4wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液（CTAC）中，室温下超声处理8分钟 ；然后在9500rpm/min的条件下进行离心，离心时间为8分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度170℃℃，挤成片材，在90℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
实施例2
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯80份，纳米级氢氧化铝3份，聚丙烯8份，阻燃剂15份，发泡母料30份，硅烷偶联剂5份；其中发泡母料包括：发泡剂30份，聚丙烯45份和抗氧剂1010 8份；所述发泡剂为质量比1：2的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为武大有机硅股份有限公司的WD70；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.5g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4g的三乙胺溶解在260ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2g六氯环三磷腈溶解在110ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为5小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将510mg的管状聚磷腈分散在160ml质量分数为0.9wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下进行25分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9500rpm/min的条件下进行离心，离心时间为8分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；
将480mg SLS包覆的PZS分散在 140ml质量分数为0.6wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理12分钟 ；然后在9500rpm/min的条件下进行离心，离心时间为12分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度190℃，挤成片材，在70℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
实施例3
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为质量比1：1的武大有机硅股份有限公司的WD21和WD70；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；将500mg SLS包覆的PZS分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
实施例4
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为质量比1：1的武大有机硅股份有限公司的WD21和WD70；
其中该实施例中的阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所用的木质素磺酸钠的分子量为10000；
将500mg SLS包覆的PZS分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到包覆1层CTAC/SLS的PZS。
C、将步骤B得到的包覆1层CTAC/SLS的PZS分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到二次SLS包覆产物；所用的木质素磺酸钠的分子量为10000；
将二次SLS包覆产物分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到包覆2层CTAC/SLS的PZS。
重复步骤C，得到包覆5层CTAC/SLS的PZS。
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
实施例5
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂WD70 7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；将500mg SLS包覆的PZS分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
实施例6
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂WD21 7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；将500mg SLS包覆的PZS分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
对比例1
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为质量比1：1的武大有机硅股份有限公司的WD21和WD70；
其中阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；所用的木质素磺酸钠的分子量为10000；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
对比例2
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为质量比1：1的武大有机硅股份有限公司的WD21和WD70；
其中阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂。
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
对比例3
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份，硅烷偶联剂7份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；硅烷偶联剂为质量比1：1的武大有机硅股份有限公司的WD21和WD70；
其中阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到阻燃剂；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
对比例4
一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，包括以下步骤：
准备原料：按质量份数计，准备聚乙烯70份，纳米级氢氧化铝4份，聚丙烯7份，阻燃剂20份，发泡母料25份；其中发泡母料包括：发泡剂28份，聚丙烯47份和抗氧剂1010 6份；所述发泡剂为质量比1：3的偶氮二甲酰胺和尿素；
阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5.18g的 4,4'-磺酰基二苯酚与4.16g的三乙胺溶解在250ml的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2.4g六氯环三磷腈溶解在100ml四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为1小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm/min；温度控制在40℃，搅拌时间为4小时；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈（PZS）；洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；干燥为在65℃下真空干燥24小时；
B、将500mg的管状聚磷腈分散在150ml质量分数为1wt%的木质素磺酸钠水溶液（SLS）内，室温下，进行20分钟的超声处理，超声条件为40Hz、240W，然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到SLS包覆的PZS；所采用的木质素磺酸钠的分子量为10000；将500mg SLS包覆的PZS分散在 150ml质量分数为0.5wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理10分钟 ；然后在9000rpm/min的条件下进行离心，离心时间为10分钟；过滤，然后采用去离子水洗涤，得到阻燃剂；
将上述原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度180℃，挤成片材，在80℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
性能测试
将实施例1-6、对比例1-4的寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料进行性能检测试验，性能测试依据如下：
依据GB/T6343-2009测试密度；
依据GB/T 10799-1989测试闭孔率；
依据GB/T10294-2008测试导热系数；
按照GB 8624-2012标准测试回弹时间、阻燃等级和60s内焰尖高度Fs。
结果如下表1：
表1
应用例1
如图1所示，一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料为保温层的隧道结构，由外到内依次是由隧道岩壁、初支喷射混凝土层、土工布层、复合防水板聚烯烃泡棉层以及二次衬砌混凝土层组成；其中初支喷射混凝土层厚度为100-280毫米；防水板层厚度为1-1.5毫米；发泡聚烯烃保温材料层厚度为40-60毫米；二次衬砌混凝土层厚度为400-600毫米。
上述寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料为保温层的隧道结构施工方法包括如下步骤：
在隧道岩壁上设格栅钢架，喷射混凝土，使格栅钢架埋设在喷射混凝土内，格栅钢架与混凝土形成整体，形成初支喷射混凝土层；
将土工布通过钢钉以穿接方式固定于初支喷射混凝土层，形成土工布层，相邻的两个钢钉距离为45-55cm；相邻土工布层之间搭接宽度为100-120mm，搭接处通过热风枪高温热熔粘接；
将复合防水板聚烯烃泡棉粘在土工布表面，形成复合防水板聚烯烃泡棉层；复合防水板聚烯烃泡棉通过热熔胶连接有若干条自粘带，复合防水板聚烯烃泡棉层通过防水板层上的若干条自粘带与土工布层粘接，并通过膨胀螺钉固定粘结处；相邻复合防水板聚烯烃泡棉层之间采用防水胶带粘接；
在复合防水板聚烯烃泡棉层表面进行衬砌混凝土浇筑，形成二次衬砌混凝土层
如图2，初支喷射混凝土层全面覆盖隧道岩壁，喷射厚度100-280毫米，如图4，初支喷射混凝土层内埋设格栅钢。格栅钢架易与于初支喷射混凝土层形成整体，接触表面不易形成渗水通道，提高初期支护耐久性、抗冻性。并且以初支喷射混凝土层为隧道衬砌，同时发挥了支护和防火的作用。初支喷射混凝土层用于将隧道岩壁不平整处填补平整，将格栅钢架等突出棱角部分打平使基面基本平整，避免刺破土工布层和自粘式防水板层，从而影响防水保温性能。
如图5，土工布层通过钢钉以穿接方式固定于初支喷射混凝土层，相邻的两个钢钉距离为50cm；相邻土工布层之间搭接宽度为100-120mm，搭接处通过热风枪高温热熔粘接，具体为使用热风枪对两片布的连接处进行瞬间高温加热，使其部分达到融熔状态，并立即使用一定的外力使其牢牢地粘合在一起。土工布层和初支喷射混凝土层二者连接方式可保证土工布层平顺，使二者之间紧密贴合， 土工布层隔离了初支喷射混凝土层和复合防水板聚烯烃泡棉层，使二者保持整体结构和功能，载承能力加强，增强初支喷射混凝土层的抗拉强度和抗变形能力，增强初支喷射混凝土层的稳定性；土工布层具有良好的导水性能，它可以将初支喷射混凝土层结构内多余液体和气体外排，同时复合防水板聚烯烃泡棉层可以有效阻隔多余液体和气体对二次衬砌混凝土层的侵蚀和其他影响，防止隧道岩壁、初支喷射混凝土层以及二次衬砌混凝土层之间的冻胀互相影响、劣化；防止初支喷射混凝土层的表面不平整对复合防水板聚烯烃泡棉层的影响，并且土工布层耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀、不虫蛀。
如图3，复合防水板聚烯烃泡棉层包括防水板层和发泡聚烯烃保温材料层，防水板层厚度为1-1.5毫米，发泡聚烯烃保温材料层厚度为40-60毫米，防水板层一侧与发泡聚烯烃保温材料层高温热复合而成复合防水板聚烯烃泡棉层，高温热复合即将热熔胶均匀喷在防水板表面，喷胶量100-150g/m2，再将发泡聚烯烃保温材料与防水板密贴，进行辊压粘合，辊压压力为0.2-0.4MPa。
如图6，防水板层另一侧通过热熔胶连接有若干条自粘带，复合防水板聚烯烃泡棉层通过防水板层上的若干条自粘带与土工布层粘接，并通过膨胀螺钉固定粘结处。自粘带的宽度为6-13cm，相邻的两个自粘带距离为5-10cm。自粘带和膨胀螺钉使得复合防水板聚烯烃泡棉层与土工布层、初支喷射混凝土层表面完全贴合，不会鼓包，没有空气进入，保温效果极好。
隧道岩壁、初支喷射混凝土层以及二次衬砌混凝土层界面容易水汽冻融涨缩，可能对整体结构产生的反复加载和强制性变形，土工布层和复合防水板聚烯烃泡棉层设置在初支喷射混凝土层、以及二次衬砌混凝土层之间，可以起到支撑作用，用于降低围岩渗透水冻胀力对二次衬砌混凝土层的侵害，可对隧道围岩更好的保温，从而更好的适应了寒区特殊的气候条件，减小了初支喷射混凝土层和二次衬砌混凝土层背后部分水冻融循环对结构的冻害，提高了寒区隧道运营的安全与稳定。
如图7，相邻复合防水板聚烯烃泡棉层之间采用防水胶带粘接，防水胶带的材质为丁基胶带，避免空气、水分进入，保证保温效果；采用防水胶带粘结，无需搭接，进一步提高了复合防水板聚烯烃泡棉层的现场铺设效率，同时减少了螺丝等零部件的使用，节约成本的同时还不会因为在施工时经常出现螺丝等零部件短缺而带来的工期滞缓等情形。
二次衬砌混凝土层浇筑在复合防水板聚烯烃泡棉层表面，二次衬砌混凝土层厚度为400-600毫米。
初支喷射混凝土层和二次衬砌混凝土层均为常规的混凝土，喷射混凝土是常规的混凝土配方里加入速凝剂、二次衬砌混凝土的是常规的配方加入MNC-C防冻剂；二次衬砌混凝土层用来分担一部分荷载同时可阻止洞内冷空气向隧道围岩内部的冻结，防止复合防水板聚烯烃泡棉层破损，影响保温。
在初期喷射混凝土时，初期支护中的工字钢、H钢等多为半封闭的空间结构，喷混凝土与其不仅难以形成完整密实的结合体，其接触表面还极易形成渗水通道，导致初期支护耐久性降低。而本发明采用格栅钢架易于混凝土形成整体，故初期支护采用格栅钢架时抗冻性能相对较优。
“鼓包”的根本原因就是初期支护表面与防水板间未完全密贴，本发明采用专用铺挂台车沿隧道外轮廓铺设防水板，然后在防水板与初期支护表面的凹凸面间注具有粘结作用的填充材料，使防水板紧密与初期支护表面贴合，实现不“鼓包”，达到最好的保温效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，按质量份数计，原料包括：聚乙烯60-80份，纳米级氢氧化铝3-5份，聚丙烯6-8份，阻燃剂15-25份，发泡母料20-30份，硅烷偶联剂5-8份；
所述阻燃剂的制备方法包括如下步骤：
A、将5g-5.5g的4,4'-磺酰基二苯酚与4g-4.5g的三乙胺溶解在230mL-260mL的四氢呋喃中，作为反应物a，接着将2g-2.5g六氯环三磷腈溶解在90mL-110mL四氢呋喃中，作为反应物b；反应物b逐滴加入反应物a中，滴加时间为
1-1.5小时，得到混合体系，然后将混合体系进行超声条件下的搅拌处理，温度控制在40℃；反应结束后，经过过滤、洗涤和干燥，得到管状聚磷腈；
B、将480mg-510mg的管状聚磷腈分散在140ml-160mL质量分数为0.9-1.1wt%的木质素磺酸钠水溶液内，室温下超声处理，然后离心，过滤，洗涤，得到木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管；
将480mg-510mg木质素磺酸钠包覆的聚磷腈纳米管分散在140ml-160mL质量分数为0.4-0.6wt%的十六烷基三甲基氯化铵水溶液中，室温下超声处理，然后离心，过滤，洗涤，得到阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，所述步骤A超声条件为40Hz、240W，搅拌条件为180rpm；
步骤B超声条件为40Hz、240W。
3.根据权利要求1所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，所述步骤A洗涤分别采用去离子水和无水乙醇洗涤三次；步骤A干燥为在65℃下真空干燥24小时；步骤B洗涤采用去离子水洗涤。
4.根据权利要求1所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，按质量份数计，所述发泡母料包括：发泡剂25-30份，聚丙烯45-50份和抗氧剂4-8份；
所述发泡剂为质量比1：2-5的偶氮二甲酰胺和尿素。
5.根据权利要求1所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，所述聚乙烯的熔融指数为7-10g/10min，聚丙烯的熔融指数为5-8g/min。
6.根据权利要求1所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为武大有机硅股份有限公司的WD21和/或WD70。
7.一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1或2或3或4或5或6所述的原料按比例混合加入挤出机料斗，通过挤出机熔融挤出，熔融挤出温度170℃-190℃，挤成片材，在70-90℃水中浸渍，得到发泡聚烯烃保温材料。
8.一种如权利要求1所述的寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的应用，其特征在于，用于构建隧道结构；
所述隧道结构由外到内依次是由隧道岩壁、初支喷射混凝土层、土工布层、复合防水板聚烯烃泡棉层以及二次衬砌混凝土层组成；
所述复合防水板聚烯烃泡棉层包括防水板层和发泡聚烯烃保温材料层，防水板层一侧与发泡聚烯烃保温材料层高温复合而成复合防水板聚烯烃泡棉层；发泡聚烯烃保温材料层采用如权利要求1所述的寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料。
9.根据权利要求8所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的应用，其特征在于，所述隧道结构中初支喷射混凝土层厚度为100-280毫米；防水板层厚度为1-1.5毫米；发泡聚烯烃保温材料层厚度为40-60毫米；二次衬砌混凝土层厚度为400-600毫米。
10.根据权利要求8所述的一种寒区隧道用发泡聚烯烃保温材料的应用，其特征在于，所述隧道结构的施工方法包括如下步骤：
在隧道岩壁上设格栅钢架，喷射混凝土，使格栅钢架埋设在喷射混凝土内，格栅钢架与混凝土形成整体，形成初支喷射混凝土层；
将土工布通过钢钉以穿接方式固定于初支喷射混凝土层，形成土工布层；相邻土工布层之间搭接，搭接处通过热风枪高温热熔粘接；
将复合防水板聚烯烃泡棉粘在土工布表面，形成复合防水板聚烯烃泡棉层；复合防水板聚烯烃泡棉通过热熔胶连接有若干条自粘带，复合防水板聚烯烃泡棉层通过防水板层上的若干条自粘带与土工布层粘接，并通过膨胀螺钉固定粘结处；相邻复合防水板聚烯烃泡棉层之间采用防水胶带粘接；
在复合防水板聚烯烃泡棉层表面进行衬砌混凝土浇筑，形成二次衬砌混凝土层。
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