嚴寒地區結構設計要點與材料的選擇

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摘要:結合工程實踐經驗，從東北地區氣候特點入手，分析嚴寒、凍融環境對結構構件產生破壞的主要原因，提出嚴寒地區項目設計要點及材料選用建議，以減輕嚴寒、凍融環境對結構構件影響。

關鍵詞:嚴寒地區;結構材料;結構設計

1東北地區氣候特點

東北地區自南向北橫跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。東北地區緯度較高，冬半年晝短夜長，獲得熱量少，靠近冬季風源地，處于北冰洋寒冷氣流南下通道，深受寒冷氣流影響。地勢西高東低，冬季寒冷氣流來自西北地區，冷空氣從高而下，加劇寒冷。以內蒙古呼倫貝爾市海拉爾區氣候特點為例，海拉爾屬中溫帶半干旱大陸性草原氣候。由于緯度偏高，遠離海洋，加之大興安嶺的屏障作用，使濕潤的海洋性氣候團的影響減弱，大部分時間在西伯利亞高壓的控制之下，形成了如下區域氣候特點:春季多大風少雨，蒸發量大;夏季溫涼而短促，降水集中;秋季降溫快，霜凍早;冬季嚴寒漫長，地面積雪時間長。年平均氣溫為－1℃～－2℃，1月(最冷月)平均低溫為－30.83℃，7月(最熱月)平均高溫為25.84℃。

2嚴寒、凍融環境對結構構件產生破壞的主要原因

在工程領域主要使用的結構材料包括水泥、混凝土、砌塊、砂漿、鋼材等。過低的溫度會對結構材料性能產生不利影響。以鋼材為例，當溫度低于常溫時，隨著溫度降低，鋼材強度提高，但塑性和韌性降低，逐漸變脆。不合理的選材及設計使構件極易發生脆斷。春暖花開，氣溫升高，東北地區早晚溫差大，凍融循環對結構破環也尤為嚴重。凍融循環主要由于結構材料自身孔隙以及施工中濕作業拌和用水蒸發后留下的空隙。在凍融環境下，空氣中水蒸氣會進入材料空隙中，低溫使空氣中水蒸氣結冰、膨脹產生拉應力。而混凝土、砌塊特點是抗壓強度高但抗拉強度低、水蒸氣結冰膨脹產生的拉應力會破壞結構。所以，在設計嚴寒地區的工程項目時，應注意低溫、凍融環境對材料的影響，保證結構的安全及耐久性符合規范要求。

3嚴寒地區結構設計中材料的選擇

3.1水泥

工程實踐中水泥是最常用的膠凝材料，按化學成分可分為硅酸鹽系水泥、鋁酸鹽系水泥、硫鋁酸鹽系水泥、鐵鋁酸鹽系水泥等，其中硅酸鹽系水泥在工程實踐中最為常用。通用水泥依據熟料、混合材料比例不同分為:硅酸鹽水泥(P•Ⅰ、P•Ⅱ)、普通硅酸鹽水泥(P•O)、礦渣硅酸鹽水泥(P•S)、火山灰硅酸鹽水泥(P•P)、粉煤灰硅酸鹽水泥(P•F)、復合硅酸鹽水泥(P•C)。其中，硅酸鹽水泥熟料含量最高，摻入混合材料最少。其特點是早期強度高、水化熱大、抗凍性好。普通硅酸鹽水泥在水泥熟料中摻入5%～20%的混合材料，其特點與硅酸鹽水泥基本相同，但抗凍性、耐磨性、抗碳化性能略有降低。普通硅酸鹽水泥價格是硅酸鹽水泥的0.6～0.7倍，價格相對較低。在滿足功能要求的同時，有利于節約建設投資。所以，普通硅酸鹽水泥在工程實踐中最為常用。礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥分別在水泥熟料中加入粒化高爐礦渣(含量＞20%且≤70%)、火山灰(含量＞20%且≤40%)、粉煤灰(含量＞20%且≤40%)、兩種混合材料(含量＞20%且≤50%)。水泥中大量混合料的摻入，會使這一類水泥有以下特點:水化速度慢，水化熱低;早期強度低，但后期強度發展較快;對溫度敏感，適合高溫養護;耐腐蝕性好。但在水泥熟料中摻入大量混合料，使這一類水泥的抗凍性不好，不適宜嚴寒地區使用。綜上所述，針對嚴寒地區工程，尤其是凍融環境下的工程，從經濟性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應該優先選用普通硅酸鹽水泥(≥42.5級)，且不宜使用混合材料摻量過過多的水泥(如:礦渣水泥、粉煤灰水泥等)。

3.2混凝土

工程實踐中混凝土是應用最廣泛的建筑材料。混凝土按所用膠凝材料可分為:水泥混凝土、石膏混凝土、瀝青混凝土、樹脂混凝土等。其中，用水泥作為膠凝材料的普通混凝土最為常用。普通混凝土由水泥、砂、石、水、外加劑等拌和而成。其中，骨料(集料)一般占混凝土總體積的70%左右。骨料在混凝土中起到了骨架的作用，限制了混凝土的收縮。大小不同顆粒骨料搭配的程度叫做顆粒級配。骨料級配良好的混凝土，在節約水泥漿用量的同時，可以提高混凝土的流動性和黏聚性，提高混凝土密實度及強度，減小混凝土的形變和收縮。針對嚴寒地區工程，尤其是凍融環境下工程，從經濟性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應優先選用級配好的砂石進行拌制，這樣可使混凝土內部結構緊密，有利于抵抗凍融循環對混凝土的破壞。還可節約水泥用量。嚴寒地區優先選用普通硅酸鹽水泥(≥42.5級)作為膠凝材料。混凝土拌制過程中也可摻入外加劑(如松香皂等引氣劑)，使混凝土內部摻入大量均勻分布且穩定而封閉的微小氣泡，提高混凝土的抗凍性。

3.3鋼材

工程實踐中，鋼材應用極為廣泛。鋼材按化學成分可分為碳素鋼和合金鋼。依據脫氧程度可分為沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼、特殊鎮靜鋼。鋼材受溫度影響很大，低溫時會出現隨著溫度降低鋼材強度提高而塑性和韌性降低、逐漸變脆的低溫冷脆現象。低溫冷脆使鋼結構易發生脆性破壞，嚴重影響結構使用安全。針對嚴寒地區工程，應充分考慮項目氣候條件對結構的影響，合理選用適宜嚴寒地區使用的鋼材。應注意鋼材中碳、磷、氮等對鋼材低溫冷脆性能的影響。

3.4砂漿

砂漿主要應用于砌體結構砌筑、建筑物外立面抹面以及裝修材料粘結等。砂漿按所使用的膠凝材料種類不同分為水泥砂漿、石膏砂漿、石灰砂漿、混合砂漿等。砂漿主要由膠凝材料、細骨料、水、摻和料及外加劑組成。大量實驗證明，當原材料質量一定時，砂漿強度主要取決于膠凝材料強度與用量。膠凝材料技術性能對砂漿有著重要影響。針對嚴寒地區工程，在選用砂漿時宜優先用以普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料的水泥砂漿。普通硅酸鹽水泥熟料含量較高，可以確保砂漿能夠抵抗嚴寒地區冬季低溫及凍融對結構的破壞，提高耐久性。普通硅酸鹽水泥價格相對較低，有利于節約工程造價。

4嚴寒地區結構設計要點

4.1砌體結構

在設計嚴寒地區砌體結構項目時，應注意凍融循環對結構耐久性的影響。依據《砌體結構設計規范》GB50003—2011中4.3.5條規定，在凍脹地區，地面以下或防潮層以下的砌體，不宜采用多孔磚，如采用時，其孔洞應用不低于M10的水泥砂漿預先灌實。當采用混凝土空心砌塊時，其孔洞應采用強度等級不低于Cb20的混凝土預先灌實。在很潮濕的環境下，選用燒結普通磚砌筑時，強度不應低于MU20，砌筑砂漿采用水泥砂漿時強度不低于M7.5。

4.2鋼結構

在設計嚴寒地區鋼結構項目時，應注意鋼材在低溫時會出現低溫冷脆現象。低溫冷脆會導致結構脆性破壞，嚴重影響結構使用安全。在設計過程中，應在正確選擇鋼材的同時，充分考慮項目氣候條件，合理確定設計溫度，避免應力集中。應嚴格按設計要求制作，注意焊接殘余應力的影響。在使用階段，不能隨意超載、改變結構使用功能。盡量減小低溫對鋼結構的影響，杜絕低溫冷脆現象的發生，確保鋼結構使用安全。

參考文獻:

［1］鋼結構設計標準，GB50017－2017［S］．北京:中國建筑工業出版社，2017.

［2］砌體結構設計規范，GB50003—2011［S］．北京:中國建筑工業出版社，2011.

作者：孫瑞澤 單位：內蒙古誠創建筑設計咨詢有限公司