嚴寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與材料的選擇
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摘要:結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，從東北地區(qū)氣候特點入手，分析嚴寒、凍融環(huán)境對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞的主要原因，提出嚴寒地區(qū)項目設(shè)計要點及材料選用建議，以減輕嚴寒、凍融環(huán)境對結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響。
關(guān)鍵詞:嚴寒地區(qū);結(jié)構(gòu)材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計
1東北地區(qū)氣候特點
東北地區(qū)自南向北橫跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤辏竞涓稍?。東北地區(qū)緯度較高，冬半年晝短夜長，獲得熱量少，靠近冬季風(fēng)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(qū)，冷空氣從高而下，加劇寒冷。以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市海拉爾區(qū)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?jié)駶櫟暮Ｑ笮詺夂驁F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(qū)域氣候特點:春季多大風(fēng)少雨，蒸發(fā)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(huán)境對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞的主要原因
在工程領(lǐng)域主要使用的結(jié)構(gòu)材料包括水泥、混凝土、砌塊、砂漿、鋼材等。過低的溫度會對結(jié)構(gòu)材料性能產(chǎn)生不利影響。以鋼材為例，當(dāng)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(shè)計使構(gòu)件極易發(fā)生脆斷。春暖花開，氣溫升高，東北地區(qū)早晚溫差大，凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)破環(huán)也尤為嚴重。凍融循環(huán)主要由于結(jié)構(gòu)材料自身孔隙以及施工中濕作業(yè)拌和用水蒸發(fā)后留下的空隙。在凍融環(huán)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(jié)冰、膨脹產(chǎn)生拉應(yīng)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(jié)冰膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力會破壞結(jié)構(gòu)。所以，在設(shè)計嚴寒地區(qū)的工程項目時，應(yīng)注意低溫、凍融環(huán)境對材料的影響，保證結(jié)構(gòu)的安全及耐久性符合規(guī)范要求。
3嚴寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)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(jù)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(fù)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(jié)約建設(shè)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(fù)合硅酸鹽水泥分別在水泥熟料中加入?；郀t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(fā)展較快;對溫度敏感，適合高溫養(yǎng)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(qū)使用。綜上所述，針對嚴寒地區(qū)工程，尤其是凍融環(huán)境下的工程，從經(jīng)濟性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應(yīng)該優(yōu)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(yīng)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(jié)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(qū)工程，尤其是凍融環(huán)境下工程，從經(jīng)濟性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選用級配好的砂石進行拌制，這樣可使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，有利于抵抗凍融循環(huán)對混凝土的破壞。還可節(jié)約水泥用量。嚴寒地區(qū)優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥(≥42.5級)作為膠凝材料?；炷涟柚七^程中也可摻入外加劑(如松香皂等引氣劑)，使混凝土內(nèi)部摻入大量均勻分布且穩(wěn)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(yīng)用極為廣泛。鋼材按化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼。依據(jù)脫氧程度可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼材受溫度影響很大，低溫時會出現(xiàn)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(xiàn)象。低溫冷脆使鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞，嚴重影響結(jié)構(gòu)使用安全。針對嚴寒地區(qū)工程，應(yīng)充分考慮項目氣候條件對結(jié)構(gòu)的影響，合理選用適宜嚴寒地區(qū)使用的鋼材。應(yīng)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(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)砌筑、建筑物外立面抹面以及裝修材料粘結(jié)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(dāng)原材料質(zhì)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(shù)性能對砂漿有著重要影響。針對嚴寒地區(qū)工程，在選用砂漿時宜優(yōu)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(qū)冬季低溫及凍融對結(jié)構(gòu)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(jié)約工程造價。
4嚴寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
4.1砌體結(jié)構(gòu)
在設(shè)計嚴寒地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)項目時，應(yīng)注意凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50003—2011中4.3.5條規(guī)定，在凍脹地區(qū)，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(yīng)用不低于M10的水泥砂漿預(yù)先灌實。當(dāng)采用混凝土空心砌塊時，其孔洞應(yīng)采用強度等級不低于Cb20的混凝土預(yù)先灌實。在很潮濕的環(huán)境下，選用燒結(jié)普通磚砌筑時，強度不應(yīng)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(jié)構(gòu)
在設(shè)計嚴寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)項目時，應(yīng)注意鋼材在低溫時會出現(xiàn)低溫冷脆現(xiàn)象。低溫冷脆會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)脆性破壞，嚴重影響結(jié)構(gòu)使用安全。在設(shè)計過程中，應(yīng)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(shè)計溫度，避免應(yīng)力集中。應(yīng)嚴格按設(shè)計要求制作，注意焊接殘余應(yīng)力的影響。在使用階段，不能隨意超載、改變結(jié)構(gòu)使用功能。盡量減小低溫對鋼結(jié)構(gòu)的影響，杜絕低溫冷脆現(xiàn)象的發(fā)生，確保鋼結(jié)構(gòu)使用安全。
參考文獻:
［1］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準，GB50017－2017［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2017.
［2］砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，GB50003—2011［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.
作者：孫瑞澤 單位：內(nèi)蒙古誠創(chuàng)建筑設(shè)計咨詢有限公司