严寒地区结构设计要点及材料选择

孙瑞泽

(内蒙古诚创建筑设计咨询有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

1 东北地区气候特点

东北地区自南向北横跨中温带与寒温带，属温带季风气候，四季分明，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。东北地区纬度较高，冬半年昼短夜长，获得热量少，靠近冬季风源地，处于北冰洋寒冷气流南下通道，深受寒冷气流影响。地势西高东低，冬季寒冷气流来自西北地区，冷空气从高而下，加剧寒冷。以内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区气候特点为例，海拉尔属中温带半干旱大陆性草原气候。由于纬度偏高，远离海洋，加之大兴安岭的屏障作用，使湿润的海洋性气候团的影响减弱，大部分时间在西伯利亚高压的控制之下，形成了如下区域气候特点：春季多大风少雨，蒸发量大；夏季温凉而短促，降水集中；秋季降温快，霜冻早；冬季严寒漫长，地面积雪时间长。年平均气温为-1℃～-2℃，1月(最冷月)平均低温为-30.83℃，7月(最热月)平均高温为25.84℃。

2 严寒、冻融环境对结构构件产生破坏的主要原因

在工程领域主要使用的结构材料包括水泥、混凝土、砌块、砂浆、钢材等。过低的温度会对结构材料性能产生不利影响。以钢材为例，当温度低于常温时，随着温度降低，钢材强度提高，但塑性和韧性降低，逐渐变脆。不合理的选材及设计使构件极易发生脆断。春暖花开，气温升高，东北地区早晚温差大，冻融循环对结构破环也尤为严重。冻融循环主要由于结构材料自身孔隙以及施工中湿作业拌和用水蒸发后留下的空隙。在冻融环境下，空气中水蒸气会进入材料空隙中，低温使空气中水蒸气结冰、膨胀产生拉应力。而混凝土、砌块特点是抗压强度高但抗拉强度低、水蒸气结冰膨胀产生的拉应力会破坏结构。所以，在设计严寒地区的工程项目时，应注意低温、冻融环境对材料的影响，保证结构的安全及耐久性符合规范要求。

3 严寒地区结构设计中材料的选择

3.1 水泥

工程实践中水泥是最常用的胶凝材料，按化学成分可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥等，其中硅酸盐系水泥在工程实践中最为常用。通用水泥依据熟料、混合材料比例不同分为：硅酸盐水泥(P·Ⅰ、P·Ⅱ)、普通硅酸盐水泥(P·O)、矿渣硅酸盐水泥(P·S)、火山灰硅酸盐水泥(P·P)、粉煤灰硅酸盐水泥(P·F)、复合硅酸盐水泥(P·C)。其中，硅酸盐水泥熟料含量最高，掺入混合材料最少。其特点是早期强度高、水化热大、抗冻性好。普通硅酸盐水泥在水泥熟料中掺入5%～20%的混合材料，其特点与硅酸盐水泥基本相同，但抗冻性、耐磨性、抗碳化性能略有降低。普通硅酸盐水泥价格是硅酸盐水泥的0.6～0.7倍，价格相对较低。在满足功能要求的同时，有利于节约建设投资。所以，普通硅酸盐水泥在工程实践中最为常用。矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥分别在水泥熟料中加入粒化高炉矿渣(含量>20%且≤70%)、火山灰(含量>20%且≤40%)、粉煤灰(含量>20%且≤40%)、两种混合材料(含量>20%且≤50%)。水泥中大量混合料的掺入，会使这一类水泥有以下特点：水化速度慢，水化热低；早期强度低，但后期强度发展较快；对温度敏感，适合高温养护；耐腐蚀性好。但在水泥熟料中掺入大量混合料，使这一类水泥的抗冻性不好，不适宜严寒地区使用。

综上所述，针对严寒地区工程，尤其是冻融环境下的工程，从经济性、适用性、耐久性等因素综合考虑，应该优先选用普通硅酸盐水泥(≥42.5级)，且不宜使用混合材料掺量过过多的水泥(如：矿渣水泥、粉煤灰水泥等)。

3.2 混凝土

工程实践中混凝土是应用最广泛的建筑材料。混凝土按所用胶凝材料可分为：水泥混凝土、石膏混凝土、沥青混凝土、树脂混凝土等。其中，用水泥作为胶凝材料的普通混凝土最为常用。普通混凝土由水泥、砂、石、水、外加剂等拌和而成。其中，骨料(集料)一般占混凝土总体积的70%左右。骨料在混凝土中起到了骨架的作用，限制了混凝土的收缩。大小不同颗粒骨料搭配的程度叫做颗粒级配。骨料级配良好的混凝土，在节约水泥浆用量的同时，可以提高混凝土的流动性和黏聚性，提高混凝土密实度及强度，减小混凝土的形变和收缩。

针对严寒地区工程，尤其是冻融环境下工程，从经济性、适用性、耐久性等因素综合考虑，应优先选用级配好的砂石进行拌制，这样可使混凝土内部结构紧密，有利于抵抗冻融循环对混凝土的破坏。还可节约水泥用量。严寒地区优先选用普通硅酸盐水泥(≥42.5级)作为胶凝材料。混凝土拌制过程中也可掺入外加剂(如松香皂等引气剂)，使混凝土内部掺入大量均匀分布且稳定而封闭的微小气泡，提高混凝土的抗冻性。

3.3 钢材

工程实践中，钢材应用极为广泛。钢材按化学成分可分为碳素钢和合金钢。依据脱氧程度可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。钢材受温度影响很大，低温时会出现随着温度降低钢材强度提高而塑性和韧性降低、逐渐变脆的低温冷脆现象。低温冷脆使钢结构易发生脆性破坏，严重影响结构使用安全。

针对严寒地区工程，应充分考虑项目气候条件对结构的影响，合理选用适宜严寒地区使用的钢材。应注意钢材中碳、磷、氮等对钢材低温冷脆性能的影响。

3.4 砂浆

砂浆主要应用于砌体结构砌筑、建筑物外立面抹面以及装修材料粘结等。砂浆按所使用的胶凝材料种类不同分为水泥砂浆、石膏砂浆、石灰砂浆、混合砂浆等。砂浆主要由胶凝材料、细骨料、水、掺和料及外加剂组成。大量实验证明，当原材料质量一定时，砂浆强度主要取决于胶凝材料强度与用量。胶凝材料技术性能对砂浆有着重要影响。

针对严寒地区工程，在选用砂浆时宜优先用以普通硅酸盐水泥作为胶凝材料的水泥砂浆。普通硅酸盐水泥熟料含量较高，可以确保砂浆能够抵抗严寒地区冬季低温及冻融对结构的破坏，提高耐久性。普通硅酸盐水泥价格相对较低，有利于节约工程造价。

4 严寒地区结构设计要点

4.1 砌体结构

在设计严寒地区砌体结构项目时，应注意冻融循环对结构耐久性的影响。依据《砌体结构设计规范》GB 50003—2011中 4.3.5条规定，在冻胀地区，地面以下或防潮层以下的砌体，不宜采用多孔砖，如采用时，其孔洞应用不低于M10的水泥砂浆预先灌实。当采用混凝土空心砌块时，其孔洞应采用强度等级不低于Cb20的混凝土预先灌实。在很潮湿的环境下，选用烧结普通砖砌筑时，强度不应低于MU20，砌筑砂浆采用水泥砂浆时强度不低于M7.5。

4.2 钢结构

在设计严寒地区钢结构项目时，应注意钢材在低温时会出现低温冷脆现象。低温冷脆会导致结构脆性破坏，严重影响结构使用安全。在设计过程中，应在正确选择钢材的同时，充分考虑项目气候条件，合理确定设计温度，避免应力集中。应严格按设计要求制作，注意焊接残余应力的影响。在使用阶段，不能随意超载、改变结构使用功能。尽量减小低温对钢结构的影响，杜绝低温冷脆现象的发生，确保钢结构使用安全。