凍土地基輸電線路工程低溫混凝土及其施工

白 沁 園

(中國(guó)重型機(jī)械有限公司，北京 100036)

凍土地基輸電線路工程低溫混凝土及其施工

白 沁 園

(中國(guó)重型機(jī)械有限公司，北京 100036)

介紹了凍土地基低溫混凝土凍融循環(huán)的機(jī)理，主要對(duì)改善混凝土抗凍性能的技術(shù)措施以及凍土地基挖孔類(lèi)基礎(chǔ)低溫混凝土的施工技術(shù)進(jìn)行了闡述，為今后我國(guó)凍土地區(qū)超(特)高壓輸電線路工程建設(shè)提供參考。

輸電線路，凍土，桿塔基礎(chǔ)，低溫混凝土

0 引言

凍土主要分布在我國(guó)青藏高原地區(qū)，新疆地區(qū)及東北地區(qū)，約占我國(guó)國(guó)土總面積的20%[1]。凍土地區(qū)線路基礎(chǔ)的復(fù)雜性主要是因?yàn)閮鐾猎趦鼋Y(jié)和融化兩種狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度指標(biāo)、變形特點(diǎn)等方面相差懸殊，在凍土凍結(jié)或融化時(shí)會(huì)發(fā)生凍土強(qiáng)度由大到小、由小到大的變化。此外，由于冬季的施工質(zhì)量隱患存在滯后性，到第二年春融后或更長(zhǎng)時(shí)間前一年施工的質(zhì)量問(wèn)題才能顯現(xiàn)出來(lái)。加之架空輸電線路具有線路距離長(zhǎng)、基礎(chǔ)分布區(qū)域廣、地質(zhì)條件復(fù)雜、地基土體力學(xué)特性差異性大等特點(diǎn)，線路基礎(chǔ)承受拉壓力交變作用，同時(shí)也承受較大的水平荷載。凍土地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)具有特殊性和復(fù)雜性的特點(diǎn)[2，3]。

1 凍土地基混凝土凍融破壞機(jī)理

混凝土在凍結(jié)溫度下，內(nèi)部水分凍結(jié)成冰，體積會(huì)發(fā)生膨脹。冰在毛細(xì)孔中受到約束而產(chǎn)生巨大膨脹壓力，另一方面低溫的水分發(fā)生遷移，冰水、蒸汽壓差造成滲透壓力，在這兩種壓力的共同作用下，當(dāng)混凝土受到的拉力值超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，在混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂縫。在凍融循環(huán)條件下，這種破壞作用將持續(xù)反復(fù)進(jìn)行，使裂縫不斷擴(kuò)展、擴(kuò)張并相互貫通，以致造成混凝土剝落破壞。圖1顯示了某220 kV輸電線路桿塔基礎(chǔ)因凍融循環(huán)而造成的基礎(chǔ)損壞。

2 改善混凝土抗凍性能的技術(shù)措施

1)加入引氣劑。引氣劑為一種表面活性物質(zhì)，具有憎水性。加入引氣劑的防凍機(jī)理是當(dāng)混凝土內(nèi)的自由水結(jié)冰體積膨脹，這些不連通的氣泡空間首先被壓縮，進(jìn)而減輕了水結(jié)冰膨脹給混凝土帶來(lái)的壓力。融化時(shí)這些氣泡也可恢復(fù)，這樣當(dāng)孔隙內(nèi)的自由水反復(fù)凍融時(shí)也會(huì)對(duì)混凝土造成過(guò)大的壓力。

2)加入減水劑。加入減水劑可以使水泥顆粒均勻分散，使水泥顆粒中包裹的水分得以釋放，從而使混凝土拌制時(shí)用水量明顯減少，提高混凝土強(qiáng)度。使用減水劑還會(huì)令混凝土中氣泡的平均間距減小、平均尺寸變小，進(jìn)而提高混凝土的致密性和強(qiáng)度，從而使混凝土抵抗凍融破壞的能力有較大的提高。

3)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)、摻入防凍劑防止早期受凍。添加防凍劑可以有效降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點(diǎn)，從而加大冰晶生長(zhǎng)的難度，確保未成熟混凝土在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化，使混凝土具有較強(qiáng)的抗凍害能力。

4)選擇合適的水泥品種。水泥的活性越高，混凝土的抗凍性越高。當(dāng)其他條件都一致時(shí)，摻礦物混合料的硅酸鹽水泥，通常比純熟料硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性差。對(duì)抗凍性能有要求的混凝土，應(yīng)優(yōu)先選擇普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥。

5)集料質(zhì)量。選用堅(jiān)固、密實(shí)的集料配制混凝土，有利于提高其抗凍性。為保證抗凍性，盡量選用小碎石混凝土。在條件允許的情況下，可以不用大石料，使混凝土發(fā)展成為耐久的細(xì)粒式宏觀結(jié)構(gòu)。

6)混凝土強(qiáng)度?；炷量箖鲂耘c其強(qiáng)度之間存在緊密的聯(lián)系?；炷翉?qiáng)度等級(jí)會(huì)影響環(huán)境混凝土在凍融條件下的力學(xué)性能，強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土其抗壓強(qiáng)度的損失率較低。因此，對(duì)于有抗凍性要求的混凝土要優(yōu)先選用高強(qiáng)度等級(jí)。但另一方面，混凝土的強(qiáng)度愈高，通常干縮也會(huì)較大，同時(shí)較脆、易裂。所以對(duì)于抗凍要求的混凝土其強(qiáng)度等級(jí)一般為C30以上。

7)混凝土齡期。混凝土的抗凍性能隨其齡期的增長(zhǎng)而增加。齡期越長(zhǎng)，混凝土中的水泥水化作用越充分，更多的水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，凍結(jié)的自由水量減少，水中可溶鹽的濃度也會(huì)增加，冰點(diǎn)也降低。

3 凍土地基低溫混凝土施工技術(shù)

為減少對(duì)凍土地基的擾動(dòng)，提高凍土地基承載能力，凍土地基多采用挖孔類(lèi)基礎(chǔ)[4-6]?；A(chǔ)施工順序主要為放線定位、開(kāi)挖土方、測(cè)量控制、臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)混凝土滿(mǎn)足養(yǎng)護(hù)條件后拆除模板繼續(xù)下一段的施工并循環(huán)挖到設(shè)計(jì)要求的深度、鋼筋籠沉放、清底、灌注樁身混凝土等主要工序。每一個(gè)施工工序中的安全要求也相同。

1)施工季節(jié)選擇。凍土地區(qū)線路基礎(chǔ)施工季節(jié)的選擇非常重要，宜選擇寒季或寒暖交替的季節(jié)，此時(shí)外界氣溫低，地表凍融層凍結(jié)，場(chǎng)地堅(jiān)硬，便于施工。而且施工過(guò)程中低溫環(huán)境對(duì)施工基坑周?chē)鷥鐾劣绊懶?，有利于保持孔壁穩(wěn)定，防止坍塌，保證樁孔的穩(wěn)定。此外，混凝土澆筑后回凍快，短期可凍結(jié)成整體基礎(chǔ)。而且暖季即將到來(lái)，便于上部桿塔結(jié)構(gòu)施工。

2)低溫混凝土質(zhì)量控制。凍土施工的重點(diǎn)是控制溫度上升，減少熱交換，防止凍融圈擴(kuò)大，導(dǎo)致孔壁坍塌。凍土地區(qū)混凝土施工既要克服低溫對(duì)混凝土自身性能的影響，又要滿(mǎn)足在凍土區(qū)施工的特殊要求。在凍土區(qū)低溫條件下進(jìn)行混凝土灌注必須按照下列要求進(jìn)行：a.保證在負(fù)溫條件下灌注的混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。b.確?；炷凉嘧r(shí)給周?chē)鷥鐾翈氲臒崃孔钚?，混凝土水化熱引起的溫度升高不?huì)對(duì)周?chē)鷥鐾廉a(chǎn)生破壞，確?；炷翝仓笤谝?guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到其抗凍臨界強(qiáng)度(≥4 MPa)與拆模強(qiáng)度。c.澆筑前確保混凝土拌合物具備良好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、易密性、可塑性和耐低溫性。

3)混凝土入模溫度控制。凍土地區(qū)線路基礎(chǔ)成功的關(guān)鍵是能否維持地基土的天然凍結(jié)狀態(tài)。最基本的原則為截?cái)嗷驕p少人為的外界熱擾動(dòng)。凍土區(qū)地基施工時(shí)混凝土入模溫度要控制在5 ℃～10 ℃，如果施工時(shí)的平均氣溫低于-5 ℃，應(yīng)先對(duì)原材料預(yù)先加熱以確?；炷恋某鰴C(jī)溫度在合理范圍(5 ℃～30 ℃)。

4)混凝土攪拌控制。混凝土拌制時(shí)計(jì)量要嚴(yán)格控制偏差，嚴(yán)格按照工藝順序投料，嚴(yán)格控制拌制的時(shí)間。對(duì)各種不同用料的計(jì)量允許偏差為：水泥、水、外加劑±1%，骨料±2%。

5)混凝土養(yǎng)護(hù)?；炷凉嘧⑼瓿珊?，可先在其表面鋪一層塑料薄膜，然后可再鋪篷布或其他保溫材料。在混凝土拌制、成型與養(yǎng)護(hù)的全過(guò)程中，要對(duì)其溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便在施工中及時(shí)采取控制措施，保證混凝土的質(zhì)量。

6)回凍時(shí)間控制。凍土樁基工程將改變地基土的熱平衡條件，施工中產(chǎn)生的各種熱量使地溫場(chǎng)發(fā)生變化，引起地基土在一定范圍升溫?；A(chǔ)施工完成后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱交換，地基土將重新恢復(fù)到凍結(jié)狀態(tài)，形成新的熱平衡，這一過(guò)程稱(chēng)為回凍過(guò)程。根據(jù)青藏高原及大興安嶺地區(qū)多年凍土中樁基觀測(cè)結(jié)果[7-10]：鉆孔灌注樁施工中對(duì)地基輸入熱量，其熱作用的范圍約80 cm，回凍時(shí)間需要50 d～60 d。依據(jù)地溫觀測(cè)結(jié)果[11]可以對(duì)地基回凍程度進(jìn)行判斷，進(jìn)而決定上部結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間。在鉆孔灌注樁的施工時(shí)間、方法均相同的條件下，地基凍土初溫越高回凍時(shí)間越長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)位于凍土地區(qū)的輸電線路基礎(chǔ)工程，由于凍融循環(huán)作用下地基土強(qiáng)度的循環(huán)變化和凍融循環(huán)對(duì)混凝土本身的破壞作用，是具有特殊性和復(fù)雜性的。

2)混凝土在凍融循環(huán)作用下的破壞主要是由混凝土中自由水結(jié)冰膨脹引起的。保障混凝土抗凍性能的主要措施有：加入引氣劑、減水劑、抗凍劑，合理選擇水泥品種，集料質(zhì)量。

3)凍土地基低溫混凝土施工的主要技術(shù)措施可以歸納為：合理選擇施工季節(jié)，混凝土入模溫度、攪拌、養(yǎng)護(hù)控制，回凍時(shí)間控制。

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Low temperature concrete and construction for transmission line engineering in frozen soil

Bai Qinyuan

(ChinaNationalHeavyMachineryCorporation，Beijing100036，China)

This paper introduced the permafrost cycle mechanism of permafrost foundation low temperature concrete, mainly elaborated the technical measures improvement of the concrete antifreeze characteristic and the construction technology of permafrost foundation bored foundation low temperature concrete, provided reference for our future permafrost regions super high voltage transmission line engineering construction.

transmission line, permafrost, tower foundation, low temperature concrete

1009-6825(2015)30-0095-02

2015-08-07

白沁園(1976- )，女，工程師

TU755

A