严寒地区变电站内混凝土道路抗冻防开裂措施研究

韩文庆 马福雷 李风雷

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

随着国家经济建设的飞速发展，城镇用电负荷快速增长，近年来在建变电站数量越来越多，在严寒地区变电站施工及运行检查中，发现混凝土道路经常会产生一些裂缝及竖向的沉陷和涨起等病害，这些病害的产生会降低道路的使用年限和使用品质，严重时形成路面损坏，影响工程质量的整体效果。因此研究严寒地区变电站内混凝土路面抗冻防开裂技术，提高混凝土道路抗冻防开裂性能，成为一项重要的工作内容。

1 严寒地区变电站内混凝土路面常见病害

1.1 混凝土路面自身损坏

混凝土路面自身损坏可分为：断裂类、接缝类和表层类等。断裂类主要指纵、横、斜向裂缝和交叉裂缝、断裂板等；接缝类主要指裂缝的填缝料损坏、唧泥、错台和拱起等；表层类主要指坑洞、露骨、网裂和起皮、粗集料冻融裂纹、修补损坏等。

1.2 路基冻土冻胀和融沉导致混凝土路面损坏

季节性冻土地区冬季公路因路基冻胀使路面产生不均匀的隆起，严重的会导致路面开裂，影响路面使用质量。融沉多发生在低路段，使其上面的路基随之发生不均匀沉降，从而使路面结构产生裂缝，影响其使用性能。

2 裂缝产生的主要原因

（1）混凝土的收缩。混凝土的收缩包括塑性收缩、温度收缩、自生收缩和干燥收缩。混凝土的塑性收缩指混凝土浇灌后至凝结前产生的收缩，其主要原因也是混凝土表面水分的蒸发；混凝土的温度收缩是由于混凝土水泥用量大、水化热高、混凝土内部温度升高、混凝土膨胀，混凝土的温度降低时混凝土收缩产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将开裂；混凝土自生收缩是由于水泥水化造成的，水泥越细、水泥用量越大、环境条件越干燥，混凝土的自生收缩越大；混凝土的干燥收缩是混凝土凝结后在干燥的空气中，因混凝土由表及里持续失水而引起的混凝土收缩，由于混凝土表面收缩大，内部收缩小，致使混凝土表面受拉，内部受压，当混凝土表面拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土将产生裂缝；（2）混凝土的冻融。严寒地区的混凝土结构经常接触水的部位，当气温下降至混凝土中水的冰点以下时，水就会结冰，体积增加约9%。当水充满混凝土的孔隙时水结冰过程中由于体积的增大会对孔壁产生很大的压力，使混凝土发生微小裂缝。一般夏秋浸水，冬天结冰，春天融化，反复循环，使冰冻的破坏作用不断向深度发展。在反复冻融循环作用后，混凝土的损伤会不断扩大，逐步积累。经过一定的冻融循环后，混凝土中的裂缝会相互贯通，其强度也逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土结构由表及里遭受破坏。（3）地基土的冻胀性。冻土分为两类，即季节性冻土和多年性冻土。连续保持冻结3年以上的称为多年冻土；在一年之内冻融交替一次的土层称为季节性冻土。土在冻结之后体积增大的现象为冻胀；冻土融化后产生的沉陷称为融陷。季节性冻土在冻融过程中将会对道路产生严重的危害。季节性冻土的融陷大小与冻胀大小成正比，故通常以冻胀来判别其融陷性。冻胀是指土冻结时由于所含水份冻结成冰产生体积膨胀，还由于可从下层吸引更多的水份到冻结区冻结成冰而产生体积膨胀，其影响因素有：土质、水份、湿度、冰度层厚度、冻结速度等。土中水分的迁移过程以“结合水迁移学说”最为流行，还有反复冻融引起的真空渗透机制，反复冻融导致真空的产生，由于真空抽吸作用把水抽吸到真空带，接踵而来的冻结，又把这些吸入的水分冻结成冰。

3 路基与基层防冻措施。

要想解决季节性冻土的危害，根据其成因分析只要消除毛细水或将水分及时排出，自然而然也就解决了季节性冻土的危害问题。

3.1 改良路基。变电站填方区道路路基可选用用砂砾、石渣、碎石等透水性好的颗粒土，挖方区可采用相同的颗粒土进行置换。置换层可起到隔离层的作用，因砂砾垫层空隙大，形成的毛细管少，减少了地下水的上升；再者可以减少冻胀路基土的厚度，减轻冻土的膨胀程度，削弱冻胀土的抬拱力。

3.2 设置抗冻垫层。在路基与基层之间设置抗冻垫层。垫层应具有一定的强度和较好的水稳性，在冰冻地区尚需要具有较好的抗冻性。抗冻垫层的设置可以改善路基冰冻稳定性，减少路基的总冻胀值。垫层材料以就地取材的原则，一般采用颗粒材料（砂、砂砾、炉渣等）。当采用砂和砂砾时，通过0.075mm筛孔的颗粒含量不宜大于5%；当采用炉渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20%。垫层的最小厚度为15cm，其宽度应比基层每侧至少宽出25cm，或与路基同宽。

3.3 提高基层质量。基层应有有最佳的密实度、足够的强度和稳定性、防水性，并且表面平整。基层材料应根据当地条件和经济性等因素选用贫混凝土、沥青混合料、水泥稳定土、石灰稳定工业废渣、级配碎石、级配砾石、填缝碎石、石灰稳定土等。基层的宽度应比混凝土面板每侧宽出25～35cm（采用小型机具或轨模式摊铺机施工）或50～60cm（采用滑模式摊铺机施工），或与路基同。新建的混凝土路面和地坪基层的最小厚度一般为15cm。

3.4 保证抗冻厚度。在季节性冰冻地区，当路面结构总厚度小于表1规定的最小厚度时，应通过设置垫层补足。冻深小或填方路段，或基、垫层为隔温性能良好的材料，可采用低值；冻深大或挖方及地下水位高的路段，或基、垫层为隔温性能稍差的材料，应采用高值。

表1 水泥混凝土路面最小抗冻厚度推荐值

4 混凝土路面抗冻防开裂措施

4.1 材料选择

4.1.1 水泥。抗冻混凝土必须掺加引气剂，引气混凝土的配制应采用不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜采用矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰水泥。尽量选用弯拉强度较高、水化热不太大、安定性合格的水泥。通常可以在水泥中掺用部分10%～20%的一级或二级粉煤灰，在降低水泥水化热的同时增强水泥混凝土路面的抗冻、抗渗等耐久性能。可以使用热水、加热骨料等方式以保证水泥水化所需要的温度。

4.1.2 粗集料。不同粗集料由于其硬度不同，温缩系数也有所差异。一般而言，硬度越大，温缩系数越小。常见岩石温缩系数从大到小的顺序为：砂岩、页岩、玄武岩、花岗岩、石灰岩、石英岩。考虑到工程造价，一般采用当地或附近材料，但是所用的粗集料必须保持洁净，按不低于二类集料的要求严格控制含泥量、泥块含量和石粉的含量。

4.1.3 细集料。采用中粗砂，细度模数不宜小于2.6，必须保持洁净，按一类集料的要求严格控制含泥量、泥块含量。如果采用机制砂，则要严格控制石粉含量，必要时须用水冲洗。

4.1.4 外加剂。为保证施工过程中水泥混凝土拌和物的工作性必须掺用高效减水剂。减水剂种类需要认真选择，掺加后不能导致水泥混凝土泌水、离析，而且能够增加水泥混凝土拌和物的保塑性，初凝时间一般控制在4～5h，否则保塑不好。同时，使用的减水剂不至于引起水泥混凝土太大的收缩。为增加严寒地区水泥混凝土的抗冻性，最好使用引气剂，实践表明，在水泥混凝土中引入5%～6%的含气量，水泥混凝土的抗冻性会大幅度提高。青海省某公路部分水泥混凝土路面标段采用了引气型高效减水剂，在降低用水量、增加保塑性、抗泌水离析、改善抗冻性等方面效果较好。

4.2 配合比设计。严寒地区水泥混凝土路面配合比设计方法与普通水泥混凝土设计方法基本相同，可以按体积法或密度法进行计算，但是应该注意严寒地区水泥混凝土拌和物需要掺加引气剂，含气量比较大，对混凝土视密度的影响比较显著，在混凝土配合比计算和试调过程中应计入混凝土中含气量的体积，消除含气量对视密度的影响。由于体积法中直接考虑了含气量所占的体积，因此按体积法计算比较简洁。

4.2.1 水泥用量

水泥用量增加，水泥混凝土弯拉强度明显提高。为减小拌和物塑性收缩量，降低水化热，减小板体内外温差，降低温度应力，水泥用量不宜太大。但从水泥混凝土抗渗性、抗冻性等耐久性角度考虑，水泥用量又不能太小，对42.5级的水泥，单位水泥用量不得小于320kg；如果掺加粉煤灰，对42.5级水泥，单位水泥用量分别不得小于260kg。

4.2.2 粗集料级配

为适应严寒地区大温差、大湿差的特点，尽量减小水泥混凝土的收缩，在满足结构尺寸、拌和物泌水、离析等要求的前提下，尽量采用大粒径、大用量的粗集料，但受水泥混凝土弯拉强度的限制，粗集料最大粒径一般应控制在31.5mm，粗集料的用量满足体积充填率不小于70%。另外，从减小水泥混凝土收缩的角度，在粗集料级配方面，较大粒径的粗集料累计筛余量应接近规范规定的上限，较小粒径的粗集料累计筛余量接近下限，通过粗集料形成骨架、细集料和砂浆填充孔隙，将水泥混凝土设计为骨架密实结构。

4.2.3 砂率

应保证水泥混凝土拌和物的和易性，但不能太大，以避免浆体太多，产生干缩性裂缝。在做坍落度试验时，拔掉坍落度桶，边上的混凝土表面不能看到粗骨料，否则需要加大砂率；在振捣时，表面砂浆也不能过厚，否则需要减小砂率。针对不同的路段、不同的原材料和水灰比及减水率，适宜的砂率应通过试验确定。

4.2.4 水灰比

水灰比越小，拌和物的塑性收缩量则越低，研究表明，当水灰比降低0.01时，相应的收缩值降低5×10-6，收缩应力降低0.1MPa。因此，在满足施工和易性的条件下，尽量选用较低的水灰比，减小塑性收缩量。同时，水灰比越小，弯拉强度越高。

4.2.5 含气量

含气量在严寒地区水泥混凝土配合比设计中也应加以考虑，这不是从强度角度，而是从抗冻角度要求的。引气混凝土的含气量比较大，对水泥混凝土视密度的影响比较显著，在水泥混凝土配合比计算和试调过程中应计入水泥混凝土中含气量的体积，消除含气量对视密度的影响。拌和物含气量一般控制在5%～ 6%之间。另外，掺加引气剂还可以增加水泥混凝土拌和物的保塑性，降低收缩率比。试验表明，引气量在4%以上时，水泥混凝土28d收缩率比在98%左右；引气量在5%以上时，28d收缩率比在95%；含气量超过6%，28d收缩率比可达94%。这将非常有利于减小水泥混凝土的干缩，防止开裂，改善耐久性。

4.3 构造措施

4.3.1 接缝设置

混凝土板需设置各种类型的接缝，以减少伸缩变形和翘曲变形受到约束而产生的内应力，并满足施工的需要。接缝设计应能：①控制收缩应力和翘曲应力所引起的裂缝出现的位置；②通过接缝提供足够的荷载传递；③防止坚硬的杂物落入接缝缝隙内。水泥混凝土路面的接缝可分为纵缝、横缝两大类。纵缝又可分为纵向缩缝和纵向施工缝；横缝又分为横向缩缝、胀缝和横向施工缝。接缝设计主要考虑设置位置、接缝构造和荷载传递以及缝隙的填封。

4.3.2 设置滑动层

水泥砼路面基层多采用半刚性基层，该基层由于自身收缩而产生的裂缝，很容易反射到面板上，并使面板开裂。建议降低基层的水泥掺量，在面层和基层之间加铺lcm细砂滑动层或加铺一层油毛毡隔离层以减小基层由于自身收缩对面板的影响。

4.3.3 面板添加聚丙烯纤维

聚丙烯纤维的加入可以显著改善混凝土路面的抗冻性能，表现为聚丙烯纤维混凝土路面受冻后抗折强度和抗压强度的损失明显降低，而聚丙烯纤维的加入对混凝土路面干燥收缩的影响不大，聚丙烯纤维可以有效改善混凝土路用耐久性指标。

结束语

在严寒地区变电站内混凝土道路设计时应采取必要抗冻防开裂措施，除此之外在施工过程中还应采取有效的施工保障措施，只要措施得当不但可以提高混凝土道路的使用年限和使用品质，而且还可以提高站内混凝土道路全寿命周期经济效益。

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