2.2　高寒地区碾压混凝土性能

高寒地区主要气候条件特点是：日照时间长，昼夜温差大，空气较干燥，相对湿度较低，流域所处地区地势较高，重峦叠嶂，降水量少，降雨集中，且多为阵雨、暴雨，冬季寒冷，且持续时间较长，降雨稀少，水边有结冰现象，河面有时封冻。针对高寒地区的气候特点，高寒地区碾压混凝土需要满足高抗冻、高抗裂和较好的凝结特性等特殊性能要求。

2.2.1　抗冻性能

碾压混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水的状态下，能够经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性能。高寒地区昼夜温差大，年最高气温为30～40℃，最低气温为-30～-40℃，这就对碾压混凝土抗冻性能提出了很高的要求。

混凝土是由各种物理特性不同的材料组合在一起的物质，一般等级的混凝土，其中的水分比水泥水化所需水分多一倍左右，多余的水分在混凝土中形成错综复杂的网状毛细孔，孔中的水分会随着温度的变化、砂石骨料和水泥结石的体积变化、环境中温度的变化而不停的迁移，寒冷时冻结成冰，体积增大，破坏混凝土的完整性，高用水量、大水胶比的混凝土这种现象就更为严重，为此应尽可能地降低混凝土的单位用水量，降低混凝土的水胶比。降低水胶比，提高混凝土的含气量，是提高混凝土抗冻性简单易行的途径，其中特别是提高含气量是目前国内外普遍采用的方法。日本就明确规定：混凝土含气量应不小于4%；在欧美各国也都明确规定：混凝土应掺用引气剂，以提高含气量，提高混凝土的耐久性；我国对此也高度重视，新的混凝土抗冻性规范对不同气候地区的抗冻性都提出了明确的要求。

不掺外加剂、引气剂的混凝土，其含气量只有1.2%～1.7%，是在混凝土搅拌过程中带入的，气泡结构不好，对改善抗冻性不起作用。掺有引气性的减水剂，可引气2.5%～3.5%，对改善混凝土的抗冻性有一定的作用，但在严寒地区则必需掺用专用的引气剂以较大幅度的提高混凝土含气量，提高其抗冻耐久性。经研究可知，影响混凝土含气量的主要因素是：

（1）原材料品质。如戈壁滩上的砂石料，砂中小于0.15mm的颗粒多为极细的黄土，会大幅度的提高混凝土的用水量，并严重降低混凝土的含气量，为达到含气量4%～6%，要大幅度的提高引气剂掺量（达到0.4%，而一般的天然砂只需0.015%～0.06%掺量）。

（2）引气剂的品种与掺量。凡是在水溶液中能降低溶液的表面张力的物质，均能在混凝土中引气，且随着该物质溶液浓度的增加，表面张力继续下降，最终达到某一稳定值，此值越低其引气性及气泡的稳定性越好。经国内众多单位试验研究比较以松脂皂及松香热聚合物最好，也是我国多年广泛采用的引气剂。引气剂可分为两大类：一类为非离子性表面活性剂，在水溶液中不会电离为阳离子及阴离子，其缺点是气泡直径较大，易破灭；另一类为阴离子性表面活性剂，像松脂皂及松香热聚合物以及木钙中的某些成分。在混凝土原材料、水胶比一定的条件下，引气剂掺量增加，混凝土含气量也增加，工程上以调整引气剂掺量来控制混凝土含气量。

（3）粉煤灰的品质与掺量。粉煤灰的烧失量增加，在引气剂掺量一定的条件下，混凝土含气量降低。烧失量实质是未燃尽的碳，因其低燃点的挥发份已燃烧，未燃碳呈多孔状，对外加剂、引气剂有强烈的吸附作用，降低混凝土拌和水中引气剂的有效浓度及降低混凝土的含气量。粉煤灰掺量增加，被其吸附的引气剂也增加，混凝土含气量也降低，故混凝土的粉煤灰掺量与引气剂的掺量应由室内试拌调整确定，保证混凝土的含气量。

（4）在引气剂掺量一定的条件下，随着水胶比的增加，混凝土含气量增加。

根据已有的工程实例，迎水面碾压混凝土抗冻要求为F200～F300，背水面抗冻要求为F50～F100。结合工程实际需求，选取最佳的抗冻指标。

2.2.2　抗裂性能

在高寒地区，日气温变幅及年气温变幅都比南方温暖地区大的多，混凝土产生裂缝的可能性就更大，其混凝土抗裂性显得更为突出，加之寒潮经常袭击，混凝土表面保护略有疏忽，极易产生表面裂缝，随之有可能发展成深层裂缝或贯穿性裂缝，影响坝体的抗渗性、耐久性和完整性。

提高混凝土抗裂性的主要措施有：

（1）选用热膨胀系数小的骨料，骨料重量占混凝土重量的80%以上，骨料的热膨胀系数决定了混凝土的热膨胀系数。骨料的岩性及矿物成分不同，其热膨胀系数差别很大，如灰岩拌制的混凝土热膨胀系数仅（5.2～5.5）×10-6/℃，而石英岩或石英砂岩拌制的混凝土热膨胀系数可达（10～11）×10-6/℃。在相同温度变幅的条件下，灰岩混凝土的温度应力将比石英岩或石英砂岩混凝土的小50%，也就是说在料场选择上应比较不同岩石混凝土的热膨胀系数。

（2）尽可能降低混凝土的用水量及水泥用量，降低混凝土的水化热温升。

（3）当混凝土的单位水泥用量在200kg/m3时，有资料表明，用硅酸盐水泥拌制的混凝土其收缩变形可达1.6%（指从加水拌制开始），也就是说水泥水化热本身是收缩性的。虽然水泥中的游离氧化钙及由C3A、石膏等各自水化反应后，也可在3～5d内迅速生成比原来体积更大而膨胀的Ca（OH）2及3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O，但因其膨胀产生在大体积混凝土水化初期的升温期，补偿混凝土温降收缩作用不大。但如果水泥熟料中含有1.8%～2.0%的MgO时，由于MgO发生水化反应后，其水化产物Mg（OH）2的体积将比原来的大数倍，从而使混凝土体积缓慢膨胀，因此实际应用中，尽可能选用熟料中MgO的含量大于2%的水泥品种，通过利用水泥熟料中MgO的膨胀性能，达到补偿部分温降收缩，现在许多工程都采用外掺轻烧MgO的方法来达到补偿温降收缩的目的。

（4）由于混凝土的表面水分蒸发，产生干燥收缩，再加上混凝土结构内外温差大，极易产生表面裂缝，特别是在干燥的西北地区，故应设法加强表面养护或调整施工工艺，防止因混凝土表面失水严重而导致混凝土干缩较大。如甘肃省龙首水电站工地，有试验表明，混凝土用水量占混凝土重量的3.6%。通过监测资料显示：7月时，混凝土未在太阳下暴晒，5h后经振实紧密的混凝土失水为0.49%，占总用水量的13.6%，且绝大部分是表面水分；而未经振动密实的松散混凝土，失水达1.5%，占总用水量的41.7%，由此可见在西北干旱地区混凝土的保湿及出机后尽快压碾密实是很重要的。

（5）降低混凝土弹性模量、提高混凝土的抗拉强度及极限拉伸值、提高混凝土的徐变都可提高混凝土的抗裂性，但这些措施在实施上都较困难。

在上述各种提高混凝土抗裂性的措施中，都是成熟而有效并已运用多年的方法。近几年来，在工业与民用建筑及水工混凝土中普遍采用的是外掺膨胀剂的方法，工民建的大体积混凝土及要求防裂的剪力墙等，多数是掺钙矾石类或过烧石灰类膨胀剂，而水工混凝土多数是外掺轻烧Mg O或MgO复合膨胀剂，都收到了较好的效果。

2.2.3　拌和物凝结特性

环境性能主要是混凝土周围空气的温度、相对湿度及混凝土表面附近的风速等，它们均对混凝土的凝结过程有明显的影响。

环境温度是影响混凝土初凝时间的主要因素之一，环境温度的变化改变了混凝土的温度，从而影响胶凝材料的水化速度，也影响混凝土与空气的温度变换，试验表明当其他环境条件不变时，拌和物的初凝时间随环境温度的提高而缩短。

环境的相对湿度也是影响混凝土初凝时间的主要因素之一。相对湿度较大时，混凝土拌和物中的水分蒸发损失量较小，试验表明此时混凝土拌和物的初凝时间较长。相反，当拌和物周围相对湿度较低时，拌和物中所含水分蒸发较快，拌和物的初凝时间明显缩短。

混凝土拌和物表面附近的风速也是对拌和物初凝时间影响的因素之一，试验表明其影响主要在于风改变了混凝土拌和物表面附近的相对湿度和水分交换。当环境相对湿度较大（如大于90%）时，风速对拌和物初凝时间影响不大；当相对湿度较小时，风速对拌和物初凝时间的影响显著，这主要是因为环境相对湿度与混凝土孔隙中空气的相对湿度相差不大时，风速大小对水分交换影响较小。但当环境相对湿度较小与混凝土孔隙中空气相对湿度相差较大时（即空气较干燥），风速大小可明显影响水分的交换速度，进而影响拌和物的初凝时间。

上述的影响因素说明在高严寒干燥地区（冬季严寒：极端最低气温可达-32℃，夏季最高气温又在30℃以上，温差极大；空气干燥，相对湿度一般在40%左右），气候条件恶劣，容易对碾压混凝土凝结性态产生显著影响。因此，在低气温、空气干燥条件下，保证碾压混凝土施工所需的时间——即碾压混凝土初凝时间尤为重要。