混凝土抗冻胀措施在祁连山高寒地区冬季施工中的运用

徐建新

山丹县地处青藏高原和蒙新高原交界的河西地带，南北高山对峙，东西贯通，呈走廊形状。古丝绸之路横穿东西，是古代“丝绸之路”上的交通要道。年室内平均温度0.9℃，极端最高温度28.4℃，极端最低气温为-26.9℃，年平均降雨量为363mm，年平均蒸发能力为1494mm，最高冻土层深度为193cm，属于大陆性高寒半干旱气候。

白石崖渠是山丹主要的输水渠道，距山丹县城85km，地处祁连山高寒地区，设计断面为窄深式浆砌石梯形明渠断面。本次改建为白石崖旧渠及总干渠。白石崖渠每年从5月10日引水至11月15日结束。为完成本次渠道改建任务，从停水之日进行冬季施工。在海拔4000多米的高寒地区，为了防止出现各种冻胀破坏现象，首先对造成白石崖渠道冻胀破坏的原因进行分析，是保证工程质量的前提。然后针对破坏原因分阶段采取措施，从施工准备、混凝土搅拌、运输、浇筑、养护各施工环节加以控制，是建设管理过程中亟待解决的问题。最后制定切实可行的保障措施，落实各环节、全过程质量建设管理，才能最终保证工程质量，确保渠道的良好有效运行，推动灌区基础建设与县域经济社会发展。

一、混凝土破坏的种类及成因分析

影响混凝土冻胀破坏首要因素是混凝土基础的抗冻胀破坏，指标主要是冻土深度及土质的含水量，含水量大的，冻胀破坏严重，含水量小的，冻胀破坏就小。其次是混凝土的抗冻胀强度。混凝土抗冻胀强度高，破坏力就小，混凝土抗冻胀强度低，破坏力就大。混凝土是多孔性结构体，在一般水利工程建设中，从利用和工程设计要求，往往厚度较小，这样就造成透水能力也较强。当地下水位高的时候，土壤冻胀率随着土壤含水率的提高而上升，极易造成混凝土冻胀破坏；因此防治冻胀破坏的关键是做好混凝土基础的换基处理，减少渠基土的含水量，同时提高混凝土的抗冻强度。

（一）混凝土在低温的冻胀破坏

因混凝土具有抗压强度高但抗拉稳定性低的特点，应对受拉伸与不平衡的变化能力差，因此在冻胀力影响下容易形成破裂，从而使混凝土形成冻胀、裂纹，而冻胀裂纹通常发生于厚度变化很大的砼板顺水流方向及基础部位。

（二）基础含水量较多的建筑物隆起架空

在地下水位較多的位置，因为渠基与地下水道间距较近，地面冻胀水量较大，而渠顶冻胀水量较小，因此承载力不均，导致水泥板凸起架空，情况通常发生在地面坡脚及表面上方0.5～1.5m坡长处的渠底中。

（三）渠床土壤过多持水性导致混凝土板破裂

土壤的膨胀水量多少也和土壤含水率有关，黏性土、壤土、由于晶粒较细持水性能力多，因而容易产生冻胀，砂砾土、戈壁风区土壤、由于粗粒土壤的持水性能力较弱，又因为土壤含水率少，因而不易产生冻胀。

二、高寒地区受温度变化影响引起裂缝

施工建筑的外部环境和内部结构形态在产生相当大温度改变之后，混凝土结构的相关特性也会改变（热胀冷缩），通过室内外温度相互作用的效应，建筑物的状态改变，这就引起了建筑物结构的扩张或闭合。结构的形状在不可避免程度上会形成应力，当建筑物的外部环境以及内在温度影响超过了其抗拉强度，裂纹即可产生，而这种情形业内就叫做高温裂纹。而高温断裂的主要特点就是受内部环境温度冲击非常大，温度变化迅速的因素如下：

（一）水化热

由于工程施工的过程中使用水化的介质从而造成内部温度过大，使建筑构件的内部温度增加，进而导致建筑构件的外表产生裂纹。

（二）在冬季浇筑时

工程措施一定要严格合理，混凝土结构骤冷骤热很大概率会产生建筑构件的崩坏产生裂纹。同时，在冬季，混凝土施工还须做好必要的养护工作，避免混凝土结构与外界温度相差过大。

三、混凝土防治冻胀的技术及措施

为防治冻胀，必须分析冻胀的型式，针对不同冻胀采取不同的措施进行防治。但实践已经证明，对于混凝土渠道的冻胀，应根据造成冻胀的主要原因，并针对其具体情况制定技术方法。从设计规划布局、地表土质置换、给排水、保温措施、浇筑衬砌的构造方式、建筑材料、安装要求、管理维护等角度入手，综合考虑，选择合理的防冻方法。现把实际中一些比较合理的冻胀预防办法说明如下。

（一）采取防止发生冻胀量的天然条件

为了解决冻胀问题，要在混凝土渠道施工的方案设计中，考虑冻胀因素，改善产生冻胀天然条件，防止冻胀现象对渠道混凝土渠道的破坏。尽量避免粘质土质、采取措施降低地下水位。通过基土置换，降低含水率，将渠道建在冻胀破坏小的基础之上。同时在渠线的布置上尽量选择地势高的脊梁地区。对于地下水位高有回归水的渠段，设置排水设施，降低地下水位，改善基础的含水率，防止冻胀问题的发生。

（二）降低混凝土渠道冻胀量的办法

由于冻胀消融的破坏，造成混凝土渠道的渗漏，影响了渠道的使用寿命。为解决冻胀问题，因地制宜、因时施策采取措施，防止冻胀的发生，减少混凝土的冻胀破坏，延长混凝土的使用寿命，确保水利工程发挥效益。

1.置换处理法。在冻土深度内，通过换基处理，改善基础含水率，减低冻胀因素。通常将粘性土改为透水性强的垫层、戈壁石、风积砂办法。目前主要是选择2～4cm的砂砾石垫层，因砂砾石垫层透水性强、含水率低，本身并不能形成冻胀，而且还可以排除渗漏和防止下层水上下的流动。所以置换处理基础可以更有效地降低土壤含水率，从源头防止冻胀情况的发生。经过换基处理的砂砾石垫层，含土量一般不得超过5%，尤其是地下水位高，还应考虑在垫层下设置滤管进行排水，减少冻胀因素。

2.隔热保温法。将隔热工程保温材料布置于混凝土板的衬砌体后面，可以缓解或减轻土地低温状况，并可降低换填与处理垫板深度，从而隔断下部土地的水分供应，进而缓解或消除渠床的冻深与冻胀。向渠道地表泥土中添加高盐分、氯化钙等可溶盐类物质，也能够使土地在特定的严寒气温下保持不结冻状况，从而能够高效地降低土体内冻胀现象发生率。

3.基土压实法。对于没有条件改善的基土，通过晾晒压实，提高土壤的干密度，减少孔隙率，降低透水性。基土通过压实，提高了密实度，具有减少水渗透、水流动，从而降低或减轻土壤冻胀的能力。

（三）加入有机硅防水材料

在混凝土中添加长效减水剂和憎水剂，能够改善混凝土的流动性，使得它的结构更加稳定，提高强度，同时还能够保证在不改变混凝土强度的时候，节省水泥的用量，提高抗冻胀能力。另外也可将减水剂在渠道上直接涂刷，从而增强渠道的防渗、节水、防冻融剥蚀等能力，增加混凝土渠的使用寿命。水利工程在冬季行水期间，对存在冻胀渗漏的应加以维修处理，减少冻胀产生的条件，降低冻胀量，避免产生冻胀现象。为避免渠道冻胀还应该在工地、管道工作时加以控制，比如适当的土基压实量，严密的施工控制管理、有效的管道破裂修复等。管道冰河腐蚀治理是贯彻在管道的建设、安装和运营管理的各个方面，对于管道冰川腐蚀也需要通过运行技术来控制，保证管道的安全运行。

四、高寒地区冬季混凝土施工温度控制

（一）混凝土骨料预热

在冬季施工中，为防止混凝土冻胀，必须在各个环节加以控制，确保混凝土质量。首先是对砂石骨料等原材料进行预热。在这方面，常见的方法分为对混凝土的蒸汽进行加热和对骨材进行加热。其中，通常需要设置一种大容量的储罐，其容量以施工的实际状况为基础决定，罐体材料一般以耐高溫的材料为主，但如果使用水蒸气进行预热，则应采取外层保护措施，防止失温。而原材料的加热方法通常以蒸汽升温为主，先对施工棚进行密封，然后在原材料中敷设预热管线，通过水温以增加原材料的工作温度。此外，还可以在材料堆放的地下建立保温储藏间，或在储藏间地上铺设管子，并在上面包覆一层帆布，由此构成了一个充分密闭的工作空间，对骨料进行集中升温，以取得理想的保温效果。如工作棚无法密闭时，也可以直接对骨料进行覆盖保温，在骨料堆放的表面铺设保温地毯，提高砂石骨料的温度。同时为了提高搅拌均匀保温效果，也可对拌合站采取保温供暖措施，确保骨料处于常温状态。

（二）运输保温

混凝土拌和完成后，由于外界温差过大，混凝土水化热能很快降低，为确保混凝土的温度需要，应当对运输环节采取保温处理。目前最普遍的保温方法主要包括以下几种：（1）使用专门的罐车对混凝土实施装运，罐车是一种密闭单元，外界的冷空气不容易进入，混凝土温度降温小，水化热散热低。（2）对运输车辆采取保温措施进行包裹或对混凝土进行覆盖，减少混凝土运送时混凝土温度的下降；（3）合理设置拌合站，减少混凝土的运输时间，一般不得超出30分钟。

（三）浇筑温度控制及养护

混凝土施工中，由于混凝土在低温情况下降温较快，加剧了混凝土水化热的损失，因此，需要采取相应措施以防止热能的大量丧失。在施工进行之前，就必须做好各种准备工作，首先：对浇筑作业面进行清仓处理，确保作业面干净；其次对模板架设进行校正检查，采取外表的保温措施，并进行定位固定，以防止因为温控措施没有落实而造成混凝土受冻；再次加快混凝土的入仓速度，减少混凝土在寒冷气候的裸露时间并及时进行振捣，确保混凝土的密实；最后快速地对混凝土进行抹平压光，对未架设模板的混凝土渠道搭设养护棚，采取电暖器吹风供热或棉被覆盖的方式保温，必要的时候在棉被上加盖复合土工膜，确保混凝土温度达到0℃以上，按照混凝土的养护要求进行养护，确保混凝土的龄期质量。

五、结语

根据以上所述，在高寒山区冬季混凝土浇筑时，要搞好混凝土施工控制，冻胀问题一直是混凝土渠道中质量控制的重点，首先要分析混凝土冻胀的因素，然后从混凝土浇筑骨料的预热、混凝土运输保温、混凝土施工控制，以防止混凝土受冻产生冻胀腐蚀，确保高寒山区的混凝土浇筑安全。

（作者单位：山丹县水务局）