嚴(yán)寒地區(qū)變電站內(nèi)混凝土道路抗凍防開裂措施研究

韓文慶 馬福雷 李風(fēng)雷

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)用電負(fù)荷快速增長，近年來在建變電站數(shù)量越來越多，在嚴(yán)寒地區(qū)變電站施工及運(yùn)行檢查中，發(fā)現(xiàn)混凝土道路經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些裂縫及豎向的沉陷和漲起等病害，這些病害的產(chǎn)生會(huì)降低道路的使用年限和使用品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)形成路面損壞，影響工程質(zhì)量的整體效果。因此研究嚴(yán)寒地區(qū)變電站內(nèi)混凝土路面抗凍防開裂技術(shù)，提高混凝土道路抗凍防開裂性能，成為一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。

1 嚴(yán)寒地區(qū)變電站內(nèi)混凝土路面常見病害

1.1 混凝土路面自身損壞

混凝土路面自身損壞可分為：斷裂類、接縫類和表層類等。斷裂類主要指縱、橫、斜向裂縫和交叉裂縫、斷裂板等；接縫類主要指裂縫的填縫料損壞、唧泥、錯(cuò)臺(tái)和拱起等；表層類主要指坑洞、露骨、網(wǎng)裂和起皮、粗集料凍融裂紋、修補(bǔ)損壞等。

1.2 路基凍土凍脹和融沉導(dǎo)致混凝土路面損壞

季節(jié)性凍土地區(qū)冬季公路因路基凍脹使路面產(chǎn)生不均勻的隆起，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致路面開裂，影響路面使用質(zhì)量。融沉多發(fā)生在低路段，使其上面的路基隨之發(fā)生不均勻沉降，從而使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，影響其使用性能。

2 裂縫產(chǎn)生的主要原因

（1）混凝土的收縮。混凝土的收縮包括塑性收縮、溫度收縮、自生收縮和干燥收縮。混凝土的塑性收縮指混凝土澆灌后至凝結(jié)前產(chǎn)生的收縮，其主要原因也是混凝土表面水分的蒸發(fā)；混凝土的溫度收縮是由于混凝土水泥用量大、水化熱高、混凝土內(nèi)部溫度升高、混凝土膨脹，混凝土的溫度降低時(shí)混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將開裂；混凝土自生收縮是由于水泥水化造成的，水泥越細(xì)、水泥用量越大、環(huán)境條件越干燥，混凝土的自生收縮越大；混凝土的干燥收縮是混凝土凝結(jié)后在干燥的空氣中，因混凝土由表及里持續(xù)失水而引起的混凝土收縮，由于混凝土表面收縮大，內(nèi)部收縮小，致使混凝土表面受拉，內(nèi)部受壓，當(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將產(chǎn)生裂縫；（2）混凝土的凍融。嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常接觸水的部位，當(dāng)氣溫下降至混凝土中水的冰點(diǎn)以下時(shí)，水就會(huì)結(jié)冰，體積增加約9%。當(dāng)水充滿混凝土的孔隙時(shí)水結(jié)冰過程中由于體積的增大會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生很大的壓力，使混凝土發(fā)生微小裂縫。一般夏秋浸水，冬天結(jié)冰，春天融化，反復(fù)循環(huán)，使冰凍的破壞作用不斷向深度發(fā)展。在反復(fù)凍融循環(huán)作用后，混凝土的損傷會(huì)不斷擴(kuò)大，逐步積累。經(jīng)過一定的凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會(huì)相互貫通，其強(qiáng)度也逐漸降低，最后甚至完全喪失，使混凝土結(jié)構(gòu)由表及里遭受破壞。（3）地基土的凍脹性。凍土分為兩類，即季節(jié)性凍土和多年性凍土。連續(xù)保持凍結(jié)3年以上的稱為多年凍土；在一年之內(nèi)凍融交替一次的土層稱為季節(jié)性凍土。土在凍結(jié)之后體積增大的現(xiàn)象為凍脹；凍土融化后產(chǎn)生的沉陷稱為融陷。季節(jié)性凍土在凍融過程中將會(huì)對(duì)道路產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。季節(jié)性凍土的融陷大小與凍脹大小成正比，故通常以凍脹來判別其融陷性。凍脹是指土凍結(jié)時(shí)由于所含水份凍結(jié)成冰產(chǎn)生體積膨脹，還由于可從下層吸引更多的水份到凍結(jié)區(qū)凍結(jié)成冰而產(chǎn)生體積膨脹，其影響因素有：土質(zhì)、水份、濕度、冰度層厚度、凍結(jié)速度等。土中水分的遷移過程以“結(jié)合水遷移學(xué)說”最為流行，還有反復(fù)凍融引起的真空滲透機(jī)制，反復(fù)凍融導(dǎo)致真空的產(chǎn)生，由于真空抽吸作用把水抽吸到真空帶，接踵而來的凍結(jié)，又把這些吸入的水分凍結(jié)成冰。

3 路基與基層防凍措施。

要想解決季節(jié)性凍土的危害，根據(jù)其成因分析只要消除毛細(xì)水或?qū)⑺旨皶r(shí)排出，自然而然也就解決了季節(jié)性凍土的危害問題。

3.1 改良路基。變電站填方區(qū)道路路基可選用用砂礫、石渣、碎石等透水性好的顆粒土，挖方區(qū)可采用相同的顆粒土進(jìn)行置換。置換層可起到隔離層的作用，因砂礫墊層空隙大，形成的毛細(xì)管少，減少了地下水的上升；再者可以減少凍脹路基土的厚度，減輕凍土的膨脹程度，削弱凍脹土的抬拱力。

3.2 設(shè)置抗凍墊層。在路基與基層之間設(shè)置抗凍墊層。墊層應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和較好的水穩(wěn)性，在冰凍地區(qū)尚需要具有較好的抗凍性?？箖鰤|層的設(shè)置可以改善路基冰凍穩(wěn)定性，減少路基的總凍脹值。墊層材料以就地取材的原則，一般采用顆粒材料（砂、砂礫、爐渣等）。當(dāng)采用砂和砂礫時(shí)，通過0.075mm篩孔的顆粒含量不宜大于5%；當(dāng)采用爐渣時(shí)，小于2mm的顆粒含量不宜大于20%。墊層的最小厚度為15cm，其寬度應(yīng)比基層每側(cè)至少寬出25cm，或與路基同寬。

3.3 提高基層質(zhì)量?；鶎討?yīng)有有最佳的密實(shí)度、足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、防水性，并且表面平整?；鶎硬牧蠎?yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件和經(jīng)濟(jì)性等因素選用貧混凝土、瀝青混合料、水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣、級(jí)配碎石、級(jí)配礫石、填縫碎石、石灰穩(wěn)定土等?；鶎拥膶挾葢?yīng)比混凝土面板每側(cè)寬出25～35cm（采用小型機(jī)具或軌模式攤鋪機(jī)施工）或50～60cm（采用滑模式攤鋪機(jī)施工），或與路基同。新建的混凝土路面和地坪基層的最小厚度一般為15cm。

3.4 保證抗凍厚度。在季節(jié)性冰凍地區(qū)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)總厚度小于表1規(guī)定的最小厚度時(shí)，應(yīng)通過設(shè)置墊層補(bǔ)足。凍深小或填方路段，或基、墊層為隔溫性能良好的材料，可采用低值；凍深大或挖方及地下水位高的路段，或基、墊層為隔溫性能稍差的材料，應(yīng)采用高值。

表1 水泥混凝土路面最小抗凍厚度推薦值

4 混凝土路面抗凍防開裂措施

4.1 材料選擇

4.1.1 水泥。抗凍混凝土必須摻加引氣劑，引氣混凝土的配制應(yīng)采用不低于42.5級(jí)的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜采用礦渣硅酸鹽水泥和粉煤灰水泥。盡量選用彎拉強(qiáng)度較高、水化熱不太大、安定性合格的水泥。通常可以在水泥中摻用部分10%～20%的一級(jí)或二級(jí)粉煤灰，在降低水泥水化熱的同時(shí)增強(qiáng)水泥混凝土路面的抗凍、抗?jié)B等耐久性能?？梢允褂脽崴?、加熱骨料等方式以保證水泥水化所需要的溫度。

4.1.2 粗集料。不同粗集料由于其硬度不同，溫縮系數(shù)也有所差異。一般而言，硬度越大，溫縮系數(shù)越小。常見巖石溫縮系數(shù)從大到小的順序?yàn)椋荷皫r、頁巖、玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英巖?？紤]到工程造價(jià)，一般采用當(dāng)?shù)鼗蚋浇牧?，但是所用的粗集料必須保持潔凈，按不低于二類集料的要求?yán)格控制含泥量、泥塊含量和石粉的含量。

4.1.3 細(xì)集料。采用中粗砂，細(xì)度模數(shù)不宜小于2.6，必須保持潔凈，按一類集料的要求嚴(yán)格控制含泥量、泥塊含量。如果采用機(jī)制砂，則要嚴(yán)格控制石粉含量，必要時(shí)須用水沖洗。

4.1.4 外加劑。為保證施工過程中水泥混凝土拌和物的工作性必須摻用高效減水劑。減水劑種類需要認(rèn)真選擇，摻加后不能導(dǎo)致水泥混凝土泌水、離析，而且能夠增加水泥混凝土拌和物的保塑性，初凝時(shí)間一般控制在4～5h，否則保塑不好。同時(shí)，使用的減水劑不至于引起水泥混凝土太大的收縮。為增加嚴(yán)寒地區(qū)水泥混凝土的抗凍性，最好使用引氣劑，實(shí)踐表明，在水泥混凝土中引入5%～6%的含氣量，水泥混凝土的抗凍性會(huì)大幅度提高。青海省某公路部分水泥混凝土路面標(biāo)段采用了引氣型高效減水劑，在降低用水量、增加保塑性、抗泌水離析、改善抗凍性等方面效果較好。

4.2 配合比設(shè)計(jì)。嚴(yán)寒地區(qū)水泥混凝土路面配合比設(shè)計(jì)方法與普通水泥混凝土設(shè)計(jì)方法基本相同，可以按體積法或密度法進(jìn)行計(jì)算，但是應(yīng)該注意嚴(yán)寒地區(qū)水泥混凝土拌和物需要摻加引氣劑，含氣量比較大，對(duì)混凝土視密度的影響比較顯著，在混凝土配合比計(jì)算和試調(diào)過程中應(yīng)計(jì)入混凝土中含氣量的體積，消除含氣量對(duì)視密度的影響。由于體積法中直接考慮了含氣量所占的體積，因此按體積法計(jì)算比較簡(jiǎn)潔。

4.2.1 水泥用量

水泥用量增加，水泥混凝土彎拉強(qiáng)度明顯提高。為減小拌和物塑性收縮量，降低水化熱，減小板體內(nèi)外溫差，降低溫度應(yīng)力，水泥用量不宜太大。但從水泥混凝土抗?jié)B性、抗凍性等耐久性角度考慮，水泥用量又不能太小，對(duì)42.5級(jí)的水泥，單位水泥用量不得小于320kg；如果摻加粉煤灰，對(duì)42.5級(jí)水泥，單位水泥用量分別不得小于260kg。

4.2.2 粗集料級(jí)配

為適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)大溫差、大濕差的特點(diǎn)，盡量減小水泥混凝土的收縮，在滿足結(jié)構(gòu)尺寸、拌和物泌水、離析等要求的前提下，盡量采用大粒徑、大用量的粗集料，但受水泥混凝土彎拉強(qiáng)度的限制，粗集料最大粒徑一般應(yīng)控制在31.5mm，粗集料的用量滿足體積充填率不小于70%。另外，從減小水泥混凝土收縮的角度，在粗集料級(jí)配方面，較大粒徑的粗集料累計(jì)篩余量應(yīng)接近規(guī)范規(guī)定的上限，較小粒徑的粗集料累計(jì)篩余量接近下限，通過粗集料形成骨架、細(xì)集料和砂漿填充孔隙，將水泥混凝土設(shè)計(jì)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

4.2.3 砂率

應(yīng)保證水泥混凝土拌和物的和易性，但不能太大，以避免漿體太多，產(chǎn)生干縮性裂縫。在做坍落度試驗(yàn)時(shí)，拔掉坍落度桶，邊上的混凝土表面不能看到粗骨料，否則需要加大砂率；在振搗時(shí)，表面砂漿也不能過厚，否則需要減小砂率。針對(duì)不同的路段、不同的原材料和水灰比及減水率，適宜的砂率應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

4.2.4 水灰比

水灰比越小，拌和物的塑性收縮量則越低，研究表明，當(dāng)水灰比降低0.01時(shí)，相應(yīng)的收縮值降低5×10-6，收縮應(yīng)力降低0.1MPa。因此，在滿足施工和易性的條件下，盡量選用較低的水灰比，減小塑性收縮量。同時(shí)，水灰比越小，彎拉強(qiáng)度越高。

4.2.5 含氣量

含氣量在嚴(yán)寒地區(qū)水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中也應(yīng)加以考慮，這不是從強(qiáng)度角度，而是從抗凍角度要求的。引氣混凝土的含氣量比較大，對(duì)水泥混凝土視密度的影響比較顯著，在水泥混凝土配合比計(jì)算和試調(diào)過程中應(yīng)計(jì)入水泥混凝土中含氣量的體積，消除含氣量對(duì)視密度的影響。拌和物含氣量一般控制在5%～ 6%之間。另外，摻加引氣劑還可以增加水泥混凝土拌和物的保塑性，降低收縮率比。試驗(yàn)表明，引氣量在4%以上時(shí)，水泥混凝土28d收縮率比在98%左右；引氣量在5%以上時(shí)，28d收縮率比在95%；含氣量超過6%，28d收縮率比可達(dá)94%。這將非常有利于減小水泥混凝土的干縮，防止開裂，改善耐久性。

4.3 構(gòu)造措施

4.3.1 接縫設(shè)置

混凝土板需設(shè)置各種類型的接縫，以減少伸縮變形和翹曲變形受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并滿足施工的需要。接縫設(shè)計(jì)應(yīng)能：①控制收縮應(yīng)力和翹曲應(yīng)力所引起的裂縫出現(xiàn)的位置；②通過接縫提供足夠的荷載傳遞；③防止堅(jiān)硬的雜物落入接縫縫隙內(nèi)。水泥混凝土路面的接縫可分為縱縫、橫縫兩大類。縱縫又可分為縱向縮縫和縱向施工縫；橫縫又分為橫向縮縫、脹縫和橫向施工縫。接縫設(shè)計(jì)主要考慮設(shè)置位置、接縫構(gòu)造和荷載傳遞以及縫隙的填封。

4.3.2 設(shè)置滑動(dòng)層

水泥砼路面基層多采用半剛性基層，該基層由于自身收縮而產(chǎn)生的裂縫，很容易反射到面板上，并使面板開裂。建議降低基層的水泥摻量，在面層和基層之間加鋪lcm細(xì)砂滑動(dòng)層或加鋪一層油毛氈隔離層以減小基層由于自身收縮對(duì)面板的影響。

4.3.3 面板添加聚丙烯纖維

聚丙烯纖維的加入可以顯著改善混凝土路面的抗凍性能，表現(xiàn)為聚丙烯纖維混凝土路面受凍后抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的損失明顯降低，而聚丙烯纖維的加入對(duì)混凝土路面干燥收縮的影響不大，聚丙烯纖維可以有效改善混凝土路用耐久性指標(biāo)。

結(jié)束語

在嚴(yán)寒地區(qū)變電站內(nèi)混凝土道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取必要抗凍防開裂措施，除此之外在施工過程中還應(yīng)采取有效的施工保障措施，只要措施得當(dāng)不但可以提高混凝土道路的使用年限和使用品質(zhì)，而且還可以提高站內(nèi)混凝土道路全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益。

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