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浅议冬季水泥混凝土路面施工冻害分析及防护措施

摘要：当温度降至 0℃时，存在于混凝土中的游离水有一部分开始结冰，逐渐由液相变为固相，这时水泥水化作用基本停止，强度也不再上升。温度继续下降，当混凝土中的水全部结成冰，由液相变为固相时，体积膨胀约10%，同时产生侧压力。这个应力值一般大于混凝土浇筑后内部形成的初期强度值，致使混凝土受到程度不同的早期破坏而降低强度。在实际施工中，在根据施工现场气温变化、工程结构部位和数量、工期要求期限、水泥品种、外加剂、保温材料性能和现场条件、供热来源等情况，采取合适的施工方法和组织措施。一般情况下，同样一个工程可以有多种方法和措施来保证工期和质量，但最佳方案必须满足工期短、造价低且质量有保证。

关键词： 冬季施工 水泥路面冻害分析 施工防护

从事公路建设者们都知道水泥混凝土路面与其他类型路面相比，混凝土路面具有以下优点：一强度高、二稳定性好、三耐久性好、四有利于夜间行车等。然而在水泥混凝土路面施工过程中，往往会遇到保障春运畅通、某某庆典活动、为了下一个重点项目如期开工确保道路畅通、以及因道路在建设过程中遇到某些不确定因素导致工期迟缓为了确保合同工期等情况下，这样就不得不在冬季低温施工水泥混凝土路面。然而混凝土在低温下施工如果措施不得当往往会出现混凝土受冻害损伤，影响工程质量，缩短道路使用寿命。混凝土受冻害损伤可以分为两种情况：1）剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤；2）内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害。
随着经济的迅猛发展,社会对交通的便捷、快速要求越来越高,因此我们常常面临着工期和提前通车的压力,为了解决公路通车工期和冬季施工技术之间的矛盾,水泥砼路面冬季施工防护将会在一定程度上保证水泥砼在冬季施工中的工程质量。

首先对冬季混凝土施工受冻问题分析
1、温度与混凝土强度之间的关系
混凝土捣拌浇灌后之所以能逐渐凝结和有高的温度，是由本身水化作用的结果。而水泥水化作用的速度除与混凝土组合材料和配合比有关外，主要是随着温度的高低而变化。当温度升高时，水化作用加快，强度增长也快；而当温度降至 0℃时，存在于混凝土中的游离水有一部分开始结冰，逐渐由液相变为固相，这时水泥水化作用基本停止，强度也不再上升。温度继续下降，当混凝土中的水全部结成冰，由液相变为固相时，体积膨胀约10%，同时产生侧压力。这个应力值一般大于混凝土浇筑后内部形成的初期强度值，致使混凝土受到程度不同的早期破坏而降低强度。此外当水结成冰后会在骨料和钢筋表面产生颗粒较大的冰凌，这种冰凌会减弱水泥浆与骨料同钢筋的粘结力，也会影响混凝土的抗压强度。当气温回升冰融化后又会在混凝土内部留下众多的空隙和孔洞，降低混凝土的密实性和耐久性。
2、临界强度与预防早期冻害之间的关系
混凝土冻结前要使其在正常温度下有一段预养期，以加速水泥的水化作用，使混凝土获得不遭受冻害的最低强度，一般称为临界强度，即可达到预期效果。对于临界强度，各国规定取值不等，我国规定为不低于设计强度的30%。
冬季混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键因素。分析国内外关于水在混凝土中的形态的一些资料可以看出，新浇灌的混凝土立刻冻结时，有四分之三以上的水变成冰，液相不足四分之一，水化反应极其微弱了；当混凝土经过 24h的标准养护后再冻结，只有三分之二的水变成冰；当混凝土强度达到设计标准的一半以上时，即使温度降至-10℃以下，而含水量也维持在三分之二以下，还有三分之一的水未转变为固相，水化作用也能继续进行。可以得出这样一个结论：混凝土在浇灌后有一段养护期，对加速水化作用极为重要，因而应预防早期冻害。当混凝土在受冻前只有1h的养护期，强度损失会超过一半；在受冻前得到6h的养护期，强度损失不超过五分之一。
混凝土冬季施工采取方法及措施
《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30—2003）中要求水泥混凝土路面施工当摊铺现场连续5昼夜平均气温高于5℃，夜间最低气温在-3℃～5℃之间，混凝土路面和桥面的施工应按下述低温季节施工规定的措施进行：
1、拌合物中应优选和掺加早强剂或促凝剂。
2、应选用水化总热量大的R型水泥或单位水泥用量较多的32.5级水泥，不宜掺粉煤灰。
3、搅拌机出料温度不得低于10℃，摊铺混凝土温度不得低于5℃。在养生期间，应始终保持混凝土板最低温度不低于5℃。否则，应采用热水或加热砂石料拌和混凝土，热水温度不得高于80℃；砂石料温度不宜高于50℃。
4、应加强保温保湿覆盖养生，可先用塑料薄膜保湿隔离覆盖或喷洒养生剂，再采用草帘、泡沫塑料垫等保温覆盖初凝后的混凝土路面。遇雨雪必须再加盖油布、塑料薄膜等。
5、应随时检测气温、水泥、拌合水、拌合物及路面混凝土的温度，每工班至少测定3次。
从以上浅析认识到，在冬季混凝土施工中，一般要解决和处理好以下几个问题：一是如何确定混凝土最短最佳的养护龄期；二是如何防止混凝土早期受冻；三是如何使冻后混凝土的后期强度能达到设计的需要。在实际施工中，在根据施工现场气温变化、工程结构部位和数量、工期要求期限、水泥品种、外加剂、保温材料性能和现场条件、供热来源等情况，采取合适的施工方法和组织措施。一般情况下，同样一个工程可以有多种方法和措施来保证工期和质量，但最佳方案必须满足工期短、造价低且质量有保证。
1、覆盖法是最常见的防护方法
当夜间室外温度不低于-5℃时一般采用覆盖法较为常见。主要采用保温材料进行覆盖，一般在二级以下公路常采用薄膜加土工布、麻袋、稻草覆盖，稻草覆盖厚度不低于20cm；这种覆盖方式的优点主要体现在以下几点：一费用低、二取材较广、三施工简单、四可以重复使用等。
2、调整配合比法

在气温 0℃左右时施工，应选用普通硅酸盐水泥，其硅酸三钙含量不低于 50%，细度达到4900/cm2细目筛余量< 15% 的水泥。这种水泥水化热反应早，使早期强度提高快，一般三天的强度大约等于普通硅酸盐水泥 7天的强度，效果较明显；在满足和易性的前提下尽量降低水灰比，实际上是减少游离水，增加水泥用量，增加幅度在50kgf/m3左右较合适，从而增加水化热量，减短龄期使强度增长快；掺入早强剂和减水剂，提高早期强度，但掺量必须经过试验确定，计量以水泥用量为依据，一般不超过水泥用量的 5%，少掺既无效果又浪费，多掺量反而会降低强度，另外增加含气量。混凝土中加入4% ～6% 的含气量，可以截断渗水通道使孔隙互相封闭形成连贯毛细孔，从而提高混凝土内密实性和耐久性。
3、储热法
主要适用于气温≥-15℃且结构较厚大的现浇混凝土工程对原材料砂石和水进行加热，使混凝土在搅拌、运输和浇筑完成后．还储备有相当的热量，以使水化放热加快，并加强对混凝土的保温，以保持在温度降至 0℃以前具有一定的抗冻能力。使用蓄热法应是结构体积厚大，外露面积越小，通过表面散热损失也会少，蓄有热量则较多。因此要注意内部少量降温，且应注意保护外露及角边以防受冻。此法工艺简单，费用又少而可以有足够的养护期限。
4、外加热法
外部加热法主要是适用于气温-10℃以上，而构件并不厚大的工程。外部加热法是通过加热混凝土构件周围的空气，将热量传给混凝土，或直接对混凝土加热，使混凝土处于正温条件下能正常硬化。在施工过程中，外部加热法主要有以下几种：
火炉加热：在较小的工地上应用。方法简单但室温不会很高且较干燥，特别是炉子里明火和聚集烟放出的二氧化碳会使新浇混凝土表面易碳化，影响表面光洁，是一种较原始的方法。
蒸气加热：是采用蒸气的温度和湿度养护混凝土。此法比较简单且易控制使得温度均匀，广泛应用在大型预制构件厂，一般小型工地施工不易办到。但需要专门锅炉设备和场地。热损失大，费用高，工作环境也差。
暖棚法：即在现场搭设工棚，使构件或基础在棚内正常温度下施工。费用较高，因需建棚和加温，常用于一些重点项目。
电加热法：在施工过程中，是将钢筋作为电极，或将电热器贴在混凝土表面，通过这样使电能转变为热能，以达到提高混凝土的温度。虽然这种方法操作起来也比较简单，但是在电能紧张的情况下，很容易消耗电能，而且在施工操作过程中危险性比较大。除了以上三种加热方面，还可以采用红外线加热法，以高温电加热器或气体红外线发生器，对混凝土进行密封幅射加热。
5、防冻法
目前生产的防冻剂可应用在-10℃及其以下气温中施工。它是采用降低冰点，使混凝上中的水在负温下仍处于液相状态，使水化作用能继续进行，从而改善孔结构，达到强度增长不受影响的目的。防冻法分为早强、负温防冻和结构法等，常用防冻剂是亚硝酸钠，它不但可以降低冰点，而且是极好的防锈剂，费用低，大小工地皆可使用。
6、综合法
是同时采用任意的两种以上保温及防冻措施进行施工。应根据结构类型等特点，施工队伍素质和当地能源状况来确定方案，有以蓄热为主辅以早期防冻的蓄热综合法，有以加热为主辅以防冻，也有以防冻为主辅以蓄热等。
结束语
总之，进入冬季，应尽量避免水泥混凝土路面的施工，特别是夜间气温低于规范规定温度时。如果必须施工，应严格按冬季防护规范施工，减少不必要的中间环节，精心施工，避免因气温低而造成的不必要的损失。

路基冻害的防治 中国东北地区及西北高原地区，多为季节性冻土地区，地表土层一般冬季冻结，春季开始融化，夏季除永冻层外将全部融化。这类地区的路基，在土、水、温度的共同影响下，路基面将发生不同程度的冻胀，春夏又发生融化下沉，使轨面高低、水平产生不均匀变形，严重地段往往伴生翻浆冒泥，道碴陷槽，基床外挤等病害。
冻胀原因及影响因素 由于土中的水在冻结过程中有向冻结锋面迁移的特征，并不断析出冰层，且体积增大9%这一物理力学现象造成。所以，冻结过程中土中水的迁移机理，是产生路基冻害的基本原因。影响因素：①温度的影响。当土层温度处于负温相转换区，且冻结速率较低时，土水中迁移最活跃，以致形成较大的冻胀。②土质的影响。由粒径大于0.1mm的粗颗粗组成的土质，无冻胀或冻胀较小，如砂、砾石、碎石等；由粒径小于0.1mm细颗粒组成的土质，如砂黏土、黏土等，有较大冻胀性，尤其是黏粒含量大于15%，密度较小的粉粒土冻胀最强烈。③水分的影响。土的天然含水量越大，冻胀性也越大，特别是有地下水补给时，会发生强烈的冻胀。
冻害的表现形态 ①从轨面前后高低变形看，分为冻峰（臌包）、冻谷（凹槽）、冻阶（台阶）。②从轨面水平变形看，分为单股冻起、双股冻起、交错冻起。③从冻胀部位看，分为道床冻胀、基床表层冻胀、基床深层冻胀。④从冻起高度看，冻起高度小于25mm，为一般冻害，冻起高度25～50mm，为较大冻害，冻起高度大于50mm，称为大冻害。
预防措施 ①保持道床清洁，防止泥土混入，及时清除土垅，以利排水。②路肩和边坡保持平整，无坑洼、裂缝、防止积水下渗。③侧沟、天沟等地表排水设施及渗沟、暗沟等地下排水设施应保持工况完好，畅通无阻，防止或减少水对路基的补给。
整治措施 冻害发生后，首先应认真进行调查，弄清冻胀发生部位、形状、高度、起落及发展过程，弄清冻胀土层的性质被、结构及水文地质条件，以便分析冻胀产生的原因和变化规律，然后提出相应的整治措施。常用的整治措施有∶①修建减少路基基床含水量的排水设施。如修建具有抗冻防渗能力的地表排水设施，以防治因地表水节而引起的冻胀；修建渗沟、暗沟、截水沟等，截断、疏导地下水或降低地下水位，以防治因地下水补给而引起冻胀。②挖除冻害地段的基床土，换填无冻胀或冻胀很小的碎石、河沙、砂类土等。换土深度应主冻结试之下换土宽度应包括路肩在内的整断面更换。③在基床表层铺设保温层，改善基床温度环境，使表层下的基床土不冻结或减小冻结深度。保温材料一般用炉渣，其导热系数小、，成本低廉，也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保温材料。国外经验表明，用泥炭或冷压泥炭砖作保温材料，效果良好，使用时间长。湿度大的泥炭在水分冻结时，会释放大量潜热，能防止泥炭进一步冻结。④人工盐化基床土。用氯盐（NaCl）整治路基冻害，费工较多。效果虽明显，但有效时间短，一般只用于基床表层冻胀地段。选择上述措施时，应注意总体效果，考虑相互配合，以期达到根除冻害的目的。
路基雪害的防治 中国黑龙江、吉林、内蒙古等省区，属寒温带大陆性季风气候，全年降雪天数190 ～200 d,积雪天数160～180 d，最大积雪深度200～1 000 mm。年平均风速4.4m/s，最大风速40m/s。这些地区的铁路线路，冬季常被雪埋，严重影响行车安全。
易于积雪地段 由于铁路线路的地形、地貌及其与主风向的夹角各不相同，线路积雪的程度也不一样。经验表明，下列地段易于积雪：①车站站场；②路堑与路堤交界处；③深2m以下的浅路堑；④高1.2m以下的矮路堤；⑤复线并行不等高的高差大于0.3 m地段。
防治措施 积雪掩埋线路危及行车安全。积雪融化后，增加路基含水量，降低中期承载能力，形成路基翻浆冒泥和陷槽等病害。易被雪地埋钱，必须那瓣治驰。最经济有效，且一劳永逸的防治措施是营造防护林带（参见线路维修管理之铁路沿线造林绿化）。它不仅可以防止雪害，而且还可以改造生态环境。防雪林带的布设位置、型式、树种，应根据地理、气候、土壤条件,风速、风向、积雪程度等情况选定。在无营造防雪林条件或防雪林尚未发挥作用之前，也可修建一些临时防雪设备，如移防防雪栅、防雪堤垣、防雪堤垣、导风挡板等。冬季有时会发生预计不到的暴风雪，在不积雪地段，也会严重积雪而影响行车。为预防不设，应在适当区段，储备一些除雪机，以备急需。