混凝土抗凍脹措施在祁連山高寒地區冬季施工中的運用

徐建新

山丹縣地處青藏高原和蒙新高原交界的河西地帶，南北高山對峙，東西貫通，呈走廊形狀。古絲綢之路橫穿東西，是古代“絲綢之路”上的交通要道。年室內平均溫度0.9℃，極端最高溫度28.4℃，極端最低氣溫為-26.9℃，年平均降雨量為363mm，年平均蒸發能力為1494mm，最高凍土層深度為193cm，屬于大陸性高寒半干旱氣候。

白石崖渠是山丹主要的輸水渠道，距山丹縣城85km，地處祁連山高寒地區，設計斷面為窄深式漿砌石梯形明渠斷面。本次改建為白石崖舊渠及總干渠。白石崖渠每年從5月10日引水至11月15日結束。為完成本次渠道改建任務，從停水之日進行冬季施工。在海拔4000多米的高寒地區，為了防止出現各種凍脹破壞現象，首先對造成白石崖渠道凍脹破壞的原因進行分析，是保證工程質量的前提。然后針對破壞原因分階段采取措施，從施工準備、混凝土攪拌、運輸、澆筑、養護各施工環節加以控制，是建設管理過程中亟待解決的問題。最后制定切實可行的保障措施，落實各環節、全過程質量建設管理，才能最終保證工程質量，確保渠道的良好有效運行，推動灌區基礎建設與縣域經濟社會發展。

一、混凝土破壞的種類及成因分析

影響混凝土凍脹破壞首要因素是混凝土基礎的抗凍脹破壞，指標主要是凍土深度及土質的含水量，含水量大的，凍脹破壞嚴重，含水量小的，凍脹破壞就小。其次是混凝土的抗凍脹強度。混凝土抗凍脹強度高，破壞力就小，混凝土抗凍脹強度低，破壞力就大。混凝土是多孔性結構體，在一般水利工程建設中，從利用和工程設計要求，往往厚度較小，這樣就造成透水能力也較強。當地下水位高的時候，土壤凍脹率隨著土壤含水率的提高而上升，極易造成混凝土凍脹破壞；因此防治凍脹破壞的關鍵是做好混凝土基礎的換基處理，減少渠基土的含水量，同時提高混凝土的抗凍強度。

（一）混凝土在低溫的凍脹破壞

因混凝土具有抗壓強度高但抗拉穩定性低的特點，應對受拉伸與不平衡的變化能力差，因此在凍脹力影響下容易形成破裂，從而使混凝土形成凍脹、裂紋，而凍脹裂紋通常發生于厚度變化很大的砼板順水流方向及基礎部位。

（二）基礎含水量較多的建筑物隆起架空

在地下水位較多的位置，因為渠基與地下水道間距較近，地面凍脹水量較大，而渠頂凍脹水量較小，因此承載力不均，導致水泥板凸起架空，情況通常發生在地面坡腳及表面上方0.5～1.5m坡長處的渠底中。

（三）渠床土壤過多持水性導致混凝土板破裂

土壤的膨脹水量多少也和土壤含水率有關，黏性土、壤土、由于晶粒較細持水性能力多，因而容易產生凍脹，砂礫土、戈壁風區土壤、由于粗粒土壤的持水性能力較弱，又因為土壤含水率少，因而不易產生凍脹。

二、高寒地區受溫度變化影響引起裂縫

施工建筑的外部環境和內部結構形態在產生相當大溫度改變之后，混凝土結構的相關特性也會改變（熱脹冷縮），通過室內外溫度相互作用的效應，建筑物的狀態改變，這就引起了建筑物結構的擴張或閉合。結構的形狀在不可避免程度上會形成應力，當建筑物的外部環境以及內在溫度影響超過了其抗拉強度，裂紋即可產生，而這種情形業內就叫做高溫裂紋。而高溫斷裂的主要特點就是受內部環境溫度沖擊非常大，溫度變化迅速的因素如下：

（一）水化熱

由于工程施工的過程中使用水化的介質從而造成內部溫度過大，使建筑構件的內部溫度增加，進而導致建筑構件的外表產生裂紋。

（二）在冬季澆筑時

工程措施一定要嚴格合理，混凝土結構驟冷驟熱很大概率會產生建筑構件的崩壞產生裂紋。同時，在冬季，混凝土施工還須做好必要的養護工作，避免混凝土結構與外界溫度相差過大。

三、混凝土防治凍脹的技術及措施

為防治凍脹，必須分析凍脹的型式，針對不同凍脹采取不同的措施進行防治。但實踐已經證明，對于混凝土渠道的凍脹，應根據造成凍脹的主要原因，并針對其具體情況制定技術方法。從設計規劃布局、地表土質置換、給排水、保溫措施、澆筑襯砌的構造方式、建筑材料、安裝要求、管理維護等角度入手，綜合考慮，選擇合理的防凍方法。現把實際中一些比較合理的凍脹預防辦法說明如下。

（一）采取防止發生凍脹量的天然條件

為了解決凍脹問題，要在混凝土渠道施工的方案設計中，考慮凍脹因素，改善產生凍脹天然條件，防止凍脹現象對渠道混凝土渠道的破壞。盡量避免粘質土質、采取措施降低地下水位。通過基土置換，降低含水率，將渠道建在凍脹破壞小的基礎之上。同時在渠線的布置上盡量選擇地勢高的脊梁地區。對于地下水位高有回歸水的渠段，設置排水設施，降低地下水位，改善基礎的含水率，防止凍脹問題的發生。

（二）降低混凝土渠道凍脹量的辦法

由于凍脹消融的破壞，造成混凝土渠道的滲漏，影響了渠道的使用壽命。為解決凍脹問題，因地制宜、因時施策采取措施，防止凍脹的發生，減少混凝土的凍脹破壞，延長混凝土的使用壽命，確保水利工程發揮效益。

1.置換處理法。在凍土深度內，通過換基處理，改善基礎含水率，減低凍脹因素。通常將粘性土改為透水性強的墊層、戈壁石、風積砂辦法。目前主要是選擇2～4cm的砂礫石墊層，因砂礫石墊層透水性強、含水率低，本身并不能形成凍脹，而且還可以排除滲漏和防止下層水上下的流動。所以置換處理基礎可以更有效地降低土壤含水率，從源頭防止凍脹情況的發生。經過換基處理的砂礫石墊層，含土量一般不得超過5%，尤其是地下水位高，還應考慮在墊層下設置濾管進行排水，減少凍脹因素。

2.隔熱保溫法。將隔熱工程保溫材料布置于混凝土板的襯砌體后面，可以緩解或減輕土地低溫狀況，并可降低換填與處理墊板深度，從而隔斷下部土地的水分供應，進而緩解或消除渠床的凍深與凍脹。向渠道地表泥土中添加高鹽分、氯化鈣等可溶鹽類物質，也能夠使土地在特定的嚴寒氣溫下保持不結凍狀況，從而能夠高效地降低土體內凍脹現象發生率。

3.基土壓實法。對于沒有條件改善的基土，通過晾曬壓實，提高土壤的干密度，減少孔隙率，降低透水性。基土通過壓實，提高了密實度，具有減少水滲透、水流動，從而降低或減輕土壤凍脹的能力。

（三）加入有機硅防水材料

在混凝土中添加長效減水劑和憎水劑，能夠改善混凝土的流動性，使得它的結構更加穩定，提高強度，同時還能夠保證在不改變混凝土強度的時候，節省水泥的用量，提高抗凍脹能力。另外也可將減水劑在渠道上直接涂刷，從而增強渠道的防滲、節水、防凍融剝蝕等能力，增加混凝土渠的使用壽命。水利工程在冬季行水期間，對存在凍脹滲漏的應加以維修處理，減少凍脹產生的條件，降低凍脹量，避免產生凍脹現象。為避免渠道凍脹還應該在工地、管道工作時加以控制，比如適當的土基壓實量，嚴密的施工控制管理、有效的管道破裂修復等。管道冰河腐蝕治理是貫徹在管道的建設、安裝和運營管理的各個方面，對于管道冰川腐蝕也需要通過運行技術來控制，保證管道的安全運行。

四、高寒地區冬季混凝土施工溫度控制

（一）混凝土骨料預熱

在冬季施工中，為防止混凝土凍脹，必須在各個環節加以控制，確保混凝土質量。首先是對砂石骨料等原材料進行預熱。在這方面，常見的方法分為對混凝土的蒸汽進行加熱和對骨材進行加熱。其中，通常需要設置一種大容量的儲罐，其容量以施工的實際狀況為基礎決定，罐體材料一般以耐高溫的材料為主，但如果使用水蒸氣進行預熱，則應采取外層保護措施，防止失溫。而原材料的加熱方法通常以蒸汽升溫為主，先對施工棚進行密封，然后在原材料中敷設預熱管線，通過水溫以增加原材料的工作溫度。此外，還可以在材料堆放的地下建立保溫儲藏間，或在儲藏間地上鋪設管子，并在上面包覆一層帆布，由此構成了一個充分密閉的工作空間，對骨料進行集中升溫，以取得理想的保溫效果。如工作棚無法密閉時，也可以直接對骨料進行覆蓋保溫，在骨料堆放的表面鋪設保溫地毯，提高砂石骨料的溫度。同時為了提高攪拌均勻保溫效果，也可對拌合站采取保溫供暖措施，確保骨料處于常溫狀態。

（二）運輸保溫

混凝土拌和完成后，由于外界溫差過大，混凝土水化熱能很快降低，為確保混凝土的溫度需要，應當對運輸環節采取保溫處理。目前最普遍的保溫方法主要包括以下幾種：（1）使用專門的罐車對混凝土實施裝運，罐車是一種密閉單元，外界的冷空氣不容易進入，混凝土溫度降溫小，水化熱散熱低。（2）對運輸車輛采取保溫措施進行包裹或對混凝土進行覆蓋，減少混凝土運送時混凝土溫度的下降；（3）合理設置拌合站，減少混凝土的運輸時間，一般不得超出30分鐘。

（三）澆筑溫度控制及養護

混凝土施工中，由于混凝土在低溫情況下降溫較快，加劇了混凝土水化熱的損失，因此，需要采取相應措施以防止熱能的大量喪失。在施工進行之前，就必須做好各種準備工作，首先：對澆筑作業面進行清倉處理，確保作業面干凈；其次對模板架設進行校正檢查，采取外表的保溫措施，并進行定位固定，以防止因為溫控措施沒有落實而造成混凝土受凍；再次加快混凝土的入倉速度，減少混凝土在寒冷氣候的裸露時間并及時進行振搗，確保混凝土的密實；最后快速地對混凝土進行抹平壓光，對未架設模板的混凝土渠道搭設養護棚，采取電暖器吹風供熱或棉被覆蓋的方式保溫，必要的時候在棉被上加蓋復合土工膜，確保混凝土溫度達到0℃以上，按照混凝土的養護要求進行養護，確保混凝土的齡期質量。

五、結語

根據以上所述，在高寒山區冬季混凝土澆筑時，要搞好混凝土施工控制，凍脹問題一直是混凝土渠道中質量控制的重點，首先要分析混凝土凍脹的因素，然后從混凝土澆筑骨料的預熱、混凝土運輸保溫、混凝土施工控制，以防止混凝土受凍產生凍脹腐蝕，確保高寒山區的混凝土澆筑安全。

（作者單位：山丹縣水務局）