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充气膜结构研究进展及其在放射性废物处置场中的应用潜力分析

发布时间:2022年8月4日 点击数:65

当前全球能源科技创新高度活跃,绿色能源技术发展速度加快,传统能源技术不断被替代,对能源结构和经济发展产生重大影响。其中,核能因其清洁低碳、稳定高效等特点,成为全球三大电力支柱之一。

核电站在运行、核设施退役过程中会产生大量放射性废物,其中低水平、极低水平放射性废物占总废物量90%以上[1]。目前我国装机容量排名世界第四,在建规模世界第一。大量电站的运行势必产生大体量的放射性废物,而目前我国核电站运行过程中产生低水平放射性废物仍然以暂存的形式贮存于核设施内,亟需建设放射性废物处置场来缓解核电运行过程中放射性废物处理带来的贮存压力。

根据我国反射性废物的填埋处置要求,填埋场需要修建遮雨构筑物[2]。目前通常使用的构筑物为钢结构,但钢结构构筑物成本高、搭建周期长且不易重复使用。而充气膜结构因其优越的受力性能、经济性、环保性、重量轻、可回收使用等优势[3],在煤矿[4,5]、体育场[6]、垃圾填埋场[7]等大跨度的建筑及建筑的维护结构中广泛应用。然而,目前尚未有将充气膜结构应用于放射性废物处置场的应用实例。为此,本文将从充气膜结构、力学性能、应用领域及经济性等方面,对充气膜结构进行综述并分析其在放射性处置场建设过程中的应用潜力。

1 充气膜结构概述

1.1 充气膜结构特点

大跨度气膜建筑是基于当今建筑技术和材料科学而形成的以气膜结构为主体的新型建筑体系。充气膜结构属于大跨度无支架构筑物,其使用强度高、耐腐蚀老化、柔韧性强的薄膜材料,以帆船原理[8]为理论支撑,将膜材密封并固定在地面基础之上,借助供气装置使充气膜内外空气维持一定压差并支撑膜体,以此覆盖大跨度空间,保证其具备稳定的形状及刚度韧性,同时膜结构的曲面曲率变化及压差可实现抵抗外部压力的功能[9](图1)。

图1 充气膜结构

图1 充气膜结构   下载原图


气膜在正常使用情况下,可以通过调整内部压力情况从而实现承载能力的改变。当载荷较大时,可以适当增强内部压力,从而增大充气膜表面的应力值,并同时提高充气膜结构的刚度及稳定性。因充气膜结构利用气压作为支撑,不需要额外增设梁柱等支撑结构,因此可以获得更大净空间,同时大限度降低材料使用量及成本[10]

与传统构筑物相比,充气膜具有显著优势[9]:

1)艺术性。膜材料是柔性材料,可塑性强,可实现个性化设计,兼具艺术性能和承载性能。

2)质量轻。充气膜材料一般为薄膜结构,厚度仅为0.5mm,等空间情况下,充气膜构筑物重量远低于传统合金及混凝土支撑构筑物。

3)跨度大。充气膜结构从根本上解决了大跨度支撑受力及地基处理难题,显著提高净空间。

4)占地空间小。充气膜结构在未充气状态下尺寸小,柔性强易折折叠,可紧密包装贮存,占地容积仅为膜材本体体积。

5)工期短。充气膜制造完成后,运至使用场地充气固定后即可使用,大幅度降低施工时间,缩短工期并降低因施工导致的人工及设备成本。

6)造价低。充气膜加工制造工序简单,材料成本低。与传统金属结构相比,成本可降低2/3。

7)自洁性强。充气膜表面设有防护涂层,如涂敷聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物,具有良好的自洁性能。同时可根据实际需求选用不同涂覆材料,实现定向化设计。

8)废物产量少。充气膜结构退役后,产生的废物量仅为膜材料本身体积,与传统支撑金属结构相比,废物产量及废物处理难度大幅度降低。

9)密封性强。膜结构多为一体化结构,与金属构筑物相比,其密封性显著提高。

根据充气膜结构特点分析其放射性废物处置场适用性可知,其密封性强,能够防止内外部气流大幅度置换,放射性包容性远高于传统构筑物。此外二次废物产量少,大幅度缓解二次放射性废物的处理压力。膜结构外表面特定化涂覆材料,可满足放射性处理的定制化设计。充气膜的安全性强,在地震及其他自然灾害情况下更为安全[11]。此外,其优良的经济性,低重量及短工期都有利于放射性处置场遮挡结构的建设。

1.2 充气膜材料及成型工艺研究现状

充气膜结构关键部件为膜材料,其在承受外载及内部压力中起到重要作用。膜材料的性能是结构设计及力学分析的关键参数。因此膜材料性能的升级,新型膜材料的研发对充气膜结构的应用发展起到推动作用。

目前建筑膜材料主要分为织物纤维膜材和热塑性化合物薄膜[12]

1.2.1 织物纤维膜材

织物纤维膜是目前应用最广,具有高强度及柔韧性的复合材料。目前织物纤维膜材料主要分为A/B/C三类。三类膜的分类见表1所示[11]

  

表1 膜分类  下载原图



表1 膜分类

1)PTFE建筑膜材料(A类)是利用聚四氟乙烯涂覆在超细玻璃纤维织物。目前PTFE膜材主要通过浸渍涂层法进行制备。刘峰等[13]通过将玻纤基布在浸渍槽内涂覆PTFE浓缩分散液,先后经过干燥、烘焙、卷取、烧结、冷却等工序成功制备玻璃纤维涂覆聚四氟乙烯布。此外,研究还发现,浸渍效果受分散液浓度影响,分散液浓度浓度高,浸渍后膜厚度大,因而易发生表面龟裂,同时表面光洁度差。因此应采用低浓度的分散液叠加多次浸渍的工艺。钱知勉[14]研究发现,温度影响成型质量,浸渍槽中浸渍液温度在20~25℃,干燥温度70~80℃,烘焙温度280~290℃,烧结温度380~390℃时,可制备出高质量PTFE膜材,干燥温度过高会引起气泡等,烘焙温度过低会导致基布黏结。通过干燥和烘焙温度的控制,将水分及表面活性剂去除,保障涂材均匀涂覆在玻纤基布两面。玻纤原料对膜产品性能有很大影响。小川华子等[15]通过研究发现,玻纤基材的强度与玻纤直径成反比,当直径由3.8μm提高至6μm时,玻纤基布拉伸强度降低50%以上,弯曲强度降低30%。

PTFE膜综合了玻纤及PTFE的性能优势,Sallis等[16]研究发现,PTFE膜材具有高抗拉强度,载荷承受能力强,厚度1mm,面密度为1kg/m2的膜材,其强度等同于钢材水平。同时还发现,其具有强耐温性,可在-180~260℃条件下长时间使用。此外,PTFE膜材具有良好的耐候性,即耐老化和自洁性。Razak等[17]研究分别测试PTFE和PVC涂层织物在热带气候下的耐候性,为期2年。研究表明,PTFE涂覆的织物的防污性及耐老化性更佳。主要是由于高温和潮湿条件下大量真菌附着在PVC涂层织物的表面上,导致表面涂层开裂和剥离。Wang等[11]通过模拟计算方式测试了PTFE和PVC涂层织物的抗老化性能,并获得计算模型。在较高的应力水平下,建筑膜经历了衰减老化阶段后进入稳定的老化阶段,随着应力水平的增加,稳定的老化阶段老化速率增加。武岳等[18]研究PTFE老化性能,发现膜材在第一年中性能较快,随后性能趋于平稳;环境对膜材的影响主要影响涂层;使用25年后,膜材力学性能降低20%。目前上海世博园的世博轴、国家体育馆鸟巢下层膜均采用PTFE膜,具有优良的力学性能及吸声作用[19]

2)PVC建筑膜材料是以聚酯纤维织物(C类)或玻纤织物(B类)为基材,表面涂覆PVC涂层而制备得到的。目前PVC膜的制备工艺主要包括:涂层法、辊筒法及层压法。层压法是将双层PVC膜材置于基材两侧,在一定温度和力作用下,通过加热辊使PVC膜与基材贴合。辊筒法是将PVC粉末与增塑剂混合成涂层液,之后经加热辊压实实现涂层和基材的黏合。涂层法使用涂有涂层液的刮刀或滚筒,通过刮刀或滚筒的移动带动涂层液均匀涂覆于基材上,经烘干固化后成型。

与PTFE膜材相比,PVC膜材原料及加工成本更低,柔韧性更强,但其强度和耐久性稍显不足。同时,由于涂层PVC材料和基材聚酯纤维均为高分子聚合物,因此在风、雨、热、紫外线等自然环境影响下老化现象显著,从而导致材料断裂强度和断裂伸长能力大幅度降低[20]。Toyada等[21]对比PTFE膜及PVC膜耐候性,发现经过5年室外和5000h加速暴露测试的PVC膜的抗拉强度降低至75%和72%,而经室外10年和10000h加速暴露测试的PTFE膜仅降低至80%和81%,且PVC膜表面上出现微裂纹,而PTFE膜未发现形态变化。谭志乐等[22]对PVC膜进行老化试验分析,认为其对紫外线抵抗能力较强,但性能易受热、湿度影响很大。叶湖水等[23]对不同状态下的PVC膜材性能进行研究,发现,经向断裂伸长率最小,45°拉伸强度最低,然而断裂伸长率却最大。拉升强度随折叠次数提高而降低,从而影响使用寿命。在酸雨腐蚀情况下,常规PVC膜材耐久性较差,当膜表面增加保护膜可大幅度降低酸雨浸蚀,并且提高材料的自洁性。

为推进PVC膜的工程应用,需要对PVC膜进行保护,通常在其外部涂覆保护涂层,以提高其耐候性及防污性。聚偏二氟乙烯(PVDF)具有优异的热稳定性、抗紫外线、耐老化性能及自清洁性能,保证在自然环境中涂覆的耐久性[24]。MAT等[25]提出一种建筑膜结构材料,通过在PVC膜外层涂覆一层PVDF涂层,可有效提高外层表面柔韧性、耐热性、耐蚀性、耐老化性、及耐辐照性能。徐明辉等[26]对PVDF改性PVC建筑膜材料力学性能进行研究,发现经PVDF改性PVC涂层膜材可以在大跨度建筑结构上的安全使用。但Xia等[27]研究了涂覆PVDF的PVC膜的燃烧性能,发现其烟雾毒性、CO释放量、燃烧时长及碳化量均显著高于纯PVC膜。谢超等[28]利用氯化聚乙烯(CPE)作为增韧剂,采用热压成型的工艺对聚氯乙烯(PVC)膜材进行改性。通过研究CPE对PVC膜材热、力学性能及耐候性的影响,发现通过CPE改性的PVC膜材耐低温性能大幅度提高,在低温下刚性和强度高,但其耐高温性能不佳。此外,CPE改性后的PVC膜抗紫外光老化能力大幅度提升。沈兰萍等[29]利用纳米TiO2对PVC膜进行表面改性,结果发现膜表面耐沾灰尘性能显著提高,自清洁效果得到改善。聚氟乙烯(PVF)也通常用作PVC膜表面的涂层,其表面疏水、不粘性及自清洁性强,但由于PVF膜材的制造难度较大,因此受到一定限制[20]

1.2.1 热塑性化合物薄膜

热塑性化合物薄膜是继纤维织物薄膜之后的用于建筑结构的新型薄膜产品,推动了膜结构在建筑领域的广泛应用。相比纤维薄膜,其成型采用一体化热塑成型,并且受力各向同性,因而其受力特性更优。其中代表性材料为乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。

ETFE的耐热、耐化学性能和电绝缘性能与PTFE膜相当时,同时耐辐射及透光性能更优。该膜可以通过调节膜厚度调节光强度,透光率最高可达95%。膜表面及其光滑,因而自洁性能更优[30]。ETFE膜材燃烧性能更佳,是阻燃材料,在燃烧时不滴落且在融化后自行熄灭。ETFE膜具有极强的耐候性,在恶劣气候条件下使用15年,力学和光学性能均未改变。在多冰雹地区,在玻璃结构被砸碎情况下,ETFE膜材也仅留下小凹痕。此外,ETFE膜材具有良好可加工性及再生性能,可以热熔后重新整合,再次生产新的膜材料[31]。但是ETFE膜与PVC/PTFE膜材对比,其强度低,因此在大跨度空间结构中,需要结合钢索或利用气枕的形式提高承载力[32],因此会导致成本增加。如表2为两类膜结构性能对比。

  

表2 不同膜结构性能对比[32,33]  下载原图



表2 不同膜结构性能对比[32-33]

Zhao等[34]研究了ETFE膜在太阳辐照下的热力性能,发现ETFE膜对太阳辐照的抵抗能力优于玻璃结构,膜下钢结构的温度比直接暴露在太阳辐射下的温度低20℃。而同样条件下,玻璃下钢结构的温度比直接暴露在太阳辐射下的温度低5℃。Zhao等[30]研究了ETFE膜长周期承载性能,发现在较大的载荷应力下,经过长期蠕变试验后,ETFE薄膜的弹性模量会明显增加,为保证结构安全,要求蠕变应力最好不要超过第一屈服点,防止引起膜结构的过度变形。目前世界上很多标志性建筑物均采用ETFE膜结构,如英国的伊甸园,中国的尤家堡站[34],北京水立方,荷兰的Arnhiem动物园,德国的MobyDick游泳池,英国的Hampshire网球俱乐部,瑞士的Masoala雨林等建筑等[32]

根据充气膜材料研究现状分析,膜材料已经过多年工程使用,具有工程经验。从膜材料的制造工艺分析,其制造工艺简单,成型容易,因此作为放射性处置场结构,供应难度满足要求。此外,其耐候性强,如PTFE、ETFE膜材可在暴晒、强光辐照、风雨雪等情况下性能维持稳定,从该角度分析,其可作为处置场遮雨构筑物。最后,其废物产量、处理及自洁性能优于金属构筑物,由于充气膜自身体积、重量小,同等容积的厂房,废物量产量远低于金属建筑,因此二次废物处理难度和成本大幅度降低。同时如ETFE材料还可以再生使用,考虑到低水平/极低水平放射性处置场放射性水平极低,构筑物沾污概率低,剂量小,通过简单处理可以将膜表面可能存在的放射性物质去除,因此,其再生利用方案可行。综上分析,充气膜作为处置场遮雨构筑物的优势显著。

2 充气膜结构力学分析

2.1 膜材料力学分析

充气膜材料的力学分析研究主要集中在膜的拉伸力学、剪切力学及撕裂力学性能分析。典型的力学性能试验曲线见图2所示。

国内外在膜材单双轴拉伸试验力学性质的研究已相当成熟。基于连续介质力学或薄膜理论的单轴分析可以用来理解材料力学行为。

图2 膜的典型力学性能曲线

图2 膜的典型力学性能曲线   下载原图


2.1.1 拉伸力学性能研究

Wu等[41]对3种不同厚度的ETFE膜沿轴向和经向方向进行单向拉伸试验,获得拉伸曲线、拉伸强度、断裂延伸率及泊松比,借助拉伸曲线获得弹性模量。此外研究发现不同厚度的ETFE薄膜材料的单向拉伸特性基本相同。崔家春等[42]在温度20~100℃下测试ETFE膜材的单向拉伸试验,获得应力曲线随温度的变化规律。实际工程中,在低温下,可以忽略ETFE薄膜割线模量受温度的影响。Hu等[43]在轴向及偏轴向等7个方向上进行单向拉伸试验,并获得材料的剪切应变及弹性模量。研究发现应力-应变曲线在加载方向上是非线性的。Galliot等[35]对ETFE膜进行单轴拉伸试验,获得方向、应变速率和温度对应力的影响曲线。Hu等[44]建立了应力-应变关系模型,并发现温度对力学性的影响大于加载速度的影响。此外,模型计算结果与实验结果吻合较好,最大偏差为6.2%。时间-温度叠加是评估结构性能的合适方法[45]。Hu等[37]基于温度-时间叠加法和Bailey-Norton模型,提出一种描述ETFE膜高温蠕变应变的蠕变模型,可用来获得所需形状。

在预应力和荷载抵抗期间,膜结构的正常使用存在双轴应力。双轴应力施加力通常比例为1∶1、1∶2和2∶1.如图3为双轴应力实验装置示意。Dinht等[36]提出了PVC涂层膜的弹塑性计算模型,该模型能够反映膜材的非线性和正交异性特性。Uhlemann等[46]对各向异性、非线性及黏弹塑性PVC涂层聚酯织物膜材料的应力应变特性进行研究,通过单、双轴饱和循环拉伸试验,提出了新的饱和度分析方法,用以评估机械饱和和弹性应力-应变行为。Yang等[47]提出非线性正交各向异性材料PVC涂层织物双轴拉伸行为模型,基于能量函数,建立二阶和三阶非线性方程组。通过三种PVC膜在五种不同的载荷比下试验结果,验证了模型的准确性。此外,Meng等[38]基于广义Maxwell模型建立了粘弹性本构关系,通过通过单轴和双轴试验确定了应力松弛模型。Van等[48]量化了双轴试验对PVC涂层聚酯织物衍生材料参数的影响。Uhlemann等[49]提出了一种用于测定建筑膜弹性常数的精确双轴试验程序。Shi等[39]比较了双轴试验中的恒力增量和恒速率加载影响。

图3 双轴应力试验装置[46-47]

图3 双轴应力试验装置[46,47]   下载原图


2.1.2 剪切力学性能研究

由于制造、加载力及温度效应导致力与纤维方向处于不同方向,因而产生剪应力。由于剪应力会导致材料断裂降低材料性能,因此研究剪应力性能对膜材稳定性有关键意义。表3中给出了常见剪应力试验方法。

Boisse等[50]提出剪应力拉伸试验在经向和纬向施加与初始预应力45°偏角的力,可以获得剪切应力及应变。Lebrun等[51]分别通过偏压拉伸法和相框法对聚丙烯/玻璃纤维织物的内剪切性能进行了测试,认为偏压拉伸法难以精确测量剪切角,而相框试验中纤维张力过高导致载荷-位移曲线失效。同时提出了一种改进的相框测试方法,有效捕捉织物结构对测量性能的影响。Frank等[52]对比了三种用于膜材单轴剪切拉伸试验研究的计算模型,提出不同计算模型的弊端及研究方向。Shi等[40]提出一种新的双向偏拉伸法方法有效提高了剪切应变测量精度。Gao等[53]研究了PVDF涂层织物在多循环双轴偏压拉伸下的剪切性能。Harrison等[54]提出了剪切-张力及褶皱之间的耦合关系的测试方法,通过双轴剪切试验与相框法及单轴剪切拉伸试验方法进行对比。

  

表3 测试方法对比  下载原图



表3 测试方法对比

2.1.3 膜材撕裂力学性能研究

由于环境事件如强风拉扯、膜自身损伤、外物刺破等情况,会导致膜结构的撕裂破坏,因此需进行撕裂强度分析。目前撕裂方式包括中心撕裂、单舌撕裂和梯形撕裂。

Bigaud等[56]对PVC膜的单轴和双轴中心撕裂性能进行研究,并评估了裂纹长度和方向对其撕裂性能的影响。Bao等[57]同样针对PVC材料进行单轴和双轴中心撕裂性能进行研究,获得整个撕裂过程中的损伤形貌特征、裂尖三角形区域的形成、裂纹扩展和破坏模式以及应变和载荷分布。同时验证了Thiele经验公式是预测PVC织物撕裂强度的最合适理论。Wang等[58]分别通过实验及有限元分析方法研究有涂层及无涂层膜的梯形撕裂行为,研究获得撕裂载荷-位移曲线和撕裂破坏发展。有限元分析结果与实验结果吻合较好。Liu等[59]研究在单轴拉伸载荷作用下,膜材的中心缝撕裂行为。研究认为当狭缝向单轴拉伸载荷方向倾斜30°和60°时,撕裂强度和相应的拉伸强度随着狭缝长度的减小而增大。当狭缝与荷载方向垂直或平行时,狭缝长度的影响不明显。Chen等[60]研究PVDF膜的断裂失效和撕裂强度准则。结果表明,PVDF膜材受偏角影响很大。对于不同偏角的试件,在最大位移、损伤模式、曲线斜率、应力峰值数目等方面存在明显差异,这些差异可能是由于材料各向异性和材料的不同失效机制造成的。Wang等[61]利用有限元分析方法,对织物膜结构的单舌撕裂行为进行研究,发现有限元模型得到的撕裂强度和破坏形态与实验数据吻合良好。

2.2 充气膜结构的力学行为分析

充气膜结构的受力情况不仅受充气膜材料本身力学性能的影响,同样受到具体布置形式及充气形态等因素影响。为保证充气膜结构安全稳定运行,需对充气膜构筑物力学行为进行研究。

充气膜结构是柔性结构体系,因此受脉动风荷载影响很大。武岳等[62]提出了针对大跨度薄膜构筑物风振分析的有限元计算方法。孙晓颖等[63]提出一种简化的膜结构流固耦合数值模拟计算方法,并通过对单向柔性膜顶、鞍形膜结构膜顶进行流固耦合计算,验证了模型可靠性。朱伟亮等[64]研究了风致耦合效应的影响因素。申跃奎等[65]利用有限元分析研究风载荷对矩形平面气承式充气膜结构的流固耦合风载荷效应进行研究,发现充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。方圆等[66]研究3/4球形充气膜风载下的力学行为,发现内压与半径是影响球形充气膜力学性能的主要因素,风载作用下,结构控制位置的应力、位移随气膜半径和风速的增大而增大。

充气膜结构使用时可能产生局部褶皱,因而会影响整体力学性能。Miller等[67]最初提出基于张力场理论的迭代膜特性(IMP)的数值模拟方法。但这种方法无法得到详细的面外起皱应力状态。Ding等[68]采用基于薄壳理论的非线性屈曲有限元分析方法获得详细的褶皱受力分析,但该方法无法用于皱纹的动态变形分析。Wang等[69]利用显式时间积分算法,并基于LS-DYNA中的气囊模型,成功分析了皱纹随时间的动态变形。

Main等[70]最先提出了一种圆柱形充气膜受力性能模型。Tu等[71]通过有限元分析,分别对球冠型充气膜结构、径向加强索的球冠型膜结构以及有底球冠膜结构的力学性能进行分析,研究认为增设加强索能够降低膜材应力,膜应力降低量随加强索数量及截面积的增加而增加。赵大鹏等[9]通过有限元分析方法对大型充气膜基本支撑单元-充气肋的承载力与变形进行了研究。通过分析半圆形拱气肋结构特性,得到气肋矢高与内压、载荷间关系以及应力随载荷的变化行为。此外,对大跨充气膜结构(气囊膜及气承式膜)特性进行分析,以北京奥运会体育场“鸟巢”的中央大跨充气膜为背景,获得了雪载荷和风吸载荷作用下,其矢量、体积、膜材应力、索应力的结构特性。Zhao等[72]提出一种根据充气膜的几何形状、充气内压以及结构材料的厚度,就可确定充气膜在使用状态下的应力分布的测量方法,并通过矩形ETFE充气膜实验及模拟进行验证。

Zhao等[34]通过实验及有限元分析方法,对大跨度ETFE膜屋顶的热力学行为进行研究,获得了薄膜对贝壳型网壳结构的热力学和力学性能的影响。

在充气膜材料力学性能及充气膜结构力学行为等研究基础上分析,充气膜材料力学性能、结构受力性能有充足的研究依据,认为能够满足放射性废物处置场遮雨构筑物力学性能要求。

3 充气膜结构在不同领域的应用

充气膜结构因其艺术性、质量轻、跨度大、占地空间小、工期短、造价低、自洁性强、废物产量少等优势,被广泛应用于公共建筑、商业场所、工业制造业、农业等多领域。

公共建筑:世界上使用ETFE充气膜结构的最典型代表为英国的伊甸园工程(图4),其被称为“世界第八大奇观”。其温室穹顶主体为六角形钢管穹顶架,后通过ETFE三层薄膜气垫覆盖,保证其优良的透光性及隔热效果,同时重量仅为玻璃质量的1%。我国最典型的应用为“鸟巢”和“水立方”,水立方(图5)主体结构为网格状钢结构,内外表面由充气的ETFE气枕覆盖。鸟巢内层选用PTFE膜材用以保温、隔音,外层采用ETFE膜防雨雪紫外线。此外,我国的上海世博会世博轴、上海浦东国际机场、大连体育中心、现国际会议中心等,国外的苏黎世的Masoala雨林、慕尼黑Allianz运动场、美国Denver国际机场等也均采用充气膜结构作为构筑物[55,73]使用。

图4 伊甸园

图4 伊甸园   下载原图


图5 水立方

图5 水立方   下载原图


商业场所:迪拜Chicago海滩酒店(图6)侧壁利用200多米高的PTFE充气膜覆盖,可有效减少紫外线的照射。杭州银泰广场(图7)采用单层ETFE加双层气枕膜嵌合形成的景观雨棚建筑,其具有优异的透光性能、自洁性能。宝鸡蟠龙购物广场以混凝土为基底,利用充气膜结构作为顶盖,建设成了直径100m,净高达30m的圆柱型购物中心。此外苏州时代广场天幕、大连金石滩影视艺术中心、上海迪士尼乐园充气膜天幕、苏州工业园区的天街、内蒙古汗廷文化园气膜馆等均采用充气膜结构。

图6 迪拜Chicago海滩酒店

图6 迪拜Chicago海滩酒店   下载原图


图7 杭州银泰广场

图7 杭州银泰广场   下载原图


工业领域。国内将充气膜结构应用于储煤场已有众多工程实践案例,并经过工程使用得到很好的应用验证。应用案例见表4所示。

此外,充气膜结构也成功用于垃圾处置厂。袁满昌[80]提到首次将充气膜结构密封作业设施用于北京安定垃圾卫生填埋场(危废处置),内部密闭空间达到约500000m3,可实现垃圾填埋作业的全面密闭,同时设置的雨水收集装置可以减少垃圾渗沥液10000~12000t/a。王力强等[7]将大型气撑式膜结构应用于安定垃圾卫生填埋场,实现处置场密封填埋作业,有效降低了恶臭气体、垃圾飞散物等对周边环境的影响。法国[81]在极低放射性废物处置场使用了膜结构作为可移动雨水保护构筑物,但目前国内放射性处置场尚未使用充气膜结构作为挡雨装置。

  

表4 工程案例  下载原图



表4 工程案例

农业领域。充气膜结构由于其高透光性及保温性能,因此在农业生产中广泛应用。王宇欣等[82]在高寒地区使用PVC双层充气膜结构实现温室局部环境调控,可满足植物所需光照及温度。

从充气膜结构的应用领域角度分析,充气膜可有效用于危废处置场,保证密封性操作,防止有害物质释放。法国使用简单膜结构用于放射性废物处置场遮雨,因此,升级版充气膜结构势必在低放射性废物处置场有很大的应用潜力。

4 充气膜结构经济性分析

构筑物的成本要综合考虑材料成本、建造周期成本、运维成本及其他社会、环境等经济效益。与金属构筑物、玻璃材料对比,充气膜结构在建造周期、运维费用角度有很高的价格优势。

邢宇峰[77]将充气膜结构与传统钢架结构的技术经济性进行对比,见表5。他认为,相同规模情况下,充气膜结构的建设周期、运维成本及原始造价成本均远优于钢结构。此外,当建筑规模扩大后,传统构筑物随跨度增加,成本呈几何倍数提高,而充气膜结构反而呈降低趋势,当跨度大于30m,气膜构筑物比传统建筑的建设成本降低50%以上[83]。因此,对于大规模构筑物,充气膜结构价格优势显著。张凯[74]对比钢结构和气膜结构成本,认为气膜结构成本为钢结构2/3。周曼毅[84]对比贮存15万t时不同煤棚结构的经济性,认为气膜封闭式煤棚的建筑投资仅为封闭式条形钢结构煤棚的1/2,为钢结构筒仓的接近1/4。侯亦南[85]对“水立方”的经济性进行比较,认为水立方顶盖使用的ETFE充气膜重量不足玻璃的1%,大幅度降低构筑物框架结构的重量及建筑的总体造价。“水立方”平均每平方米用钢量不足90kg,而国家体育场“鸟巢”却超过400kg。此外,维护和清洗的成本很低,ETFE膜表面大部分灰尘可依靠自然雨水冲刷洗净,膜材料破损后修补简单。

  

表5 技术经济性对比[74]  下载原图



表5 技术经济性对比[74]

除投入成本外,王力强等[7]对垃圾填埋场使用充气膜结构带来的社会效益进行分析,认为,充气膜结构的使用,每年可节约渗沥液处理及垃圾填埋费用最高分别为48万元和240万元。

从经济性角度分析,由于放射性废物处置场均为大跨度大规模建筑,同时由于放射性原因,需要清洁、维修频率及难度低,保证人员安全。同时要求后期二次废物量少以降低建筑废物处理成本。因此充气膜结构的大跨度经济性高、运维成本低、自洁性强、建筑材料用量少等经济性优势,使充气膜结构在放射性废物处置场有很强的应用前景。

5 结论

1)充气膜材料的优异性能保证其适用于放射性处置场。制备工艺简单,成型质量好。耐候性强,能在暴晒、强光辐照、风雨雪等情况下维持性能稳定。自洁性强,有效降低材料的沾污剂量。密封性强,能够保证处置场放射性包容。力学性能可与钢结构相当,结构受力性能达到放射性处置场构筑物力学性能要求,同时在地震、火灾等灾害下安全性高,保证处置场安全性要求。

2)二次废物处理难度低。充气膜结构体积小,重量轻,因而退役产量低,二次废物处理难度和成本大幅度降低。此外,新型膜材料可再生使用,可实现二次废物的循环化利用。

3)经济性高。同等规模下,充气膜构筑物建造成本远低于金属构筑物。此外因其自洁性好,建设难度低、周期短等特点,因而运维成本、建设周期成本优势显著,在放射性处置场中应用的经济性显著。

随着充气结构不断在公用建筑、商场、农业、储煤场及垃圾处理厂的广泛应用,今后,充气膜结构在放射性废物处置场中有很大应用前景。但仍需对充气膜结构进行进一步研究验证,包括膜材料的耐辐照性能、退役后放射性去污方法及去污难度、材料复用性能等。尽快开展上述验证,以推动充气膜结构在放射性废物处置场中的应用。

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