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严寒地区结构设计要点与材料的选择-结构

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摘要:结合工程实践经验，从东北地区气候特点入手，分析严寒、

冻融环境对结构构件产生破坏的主要原因，提出严寒地区项目设计要

点及材料选用建议，以减轻严寒、冻融环境对结构构件影响。

关键词:严寒地区;结构材料;结构设计

1东北地区气候特点

东北地区自南向北横跨中温带与寒温带，属温带季风气候，四季

分明，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。东北地区纬度较高，冬半年昼

短夜长，获得热量少，靠近冬季风源地，处于北冰洋寒冷气流南下通

道，深受寒冷气流影响。地势西高东低，冬季寒冷气流来自西北地区，

冷空气从高而下，加剧寒冷。以内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区气候特点

为例，海拉尔属中温带半干旱大陆性草原气候。由于纬度偏高，远离

海洋，加之大兴安岭的屏障作用，使湿润的海洋性气候团的影响减弱，

大部分时间在西伯利亚高压的控制之下，形成了如下区域气候特点:

春季多大风少雨，蒸发量大;夏季温凉而短促，降水集中;秋季降温快，

霜冻早;冬季严寒漫长，地面积雪时间长。年平均气温为－1℃～－2℃，

1月(最冷月)平均低温为－30.83℃，7月(最热月)平均高温为25.84℃。

2严寒、冻融环境对结构构件产生破坏的主要原因

在工程领域主要使用的结构材料包括水泥、混凝土、砌块、砂浆、

钢材等。过低的温度会对结构材料性能产生不利影响。以钢材为例，

当温度低于常温时，随着温度降低，钢材强度提高，但塑性和韧性降

低，逐渐变脆。不合理的选材及设计使构件极易发生脆断。春暖，

气温升高，东北地区早晚温差大，冻融循环对结构破环也尤为严重。

冻融循环主要由于结构材料自身孔隙以及施工中湿作业拌和用水蒸

发后留下的空隙。在冻融环境下，空气中水蒸气会进入材料空隙中，

低温使空气中水蒸气结冰、膨胀产生拉应力。而混凝土、砌块特点是

抗压强度高但抗拉强度低、水蒸气结冰膨胀产生的拉应力会破坏结构。

所以，在设计严寒地区的工程项目时，应注意低温、冻融环境对材料

的影响，保证结构的安全及耐久性符合规范要求。

3严寒地区结构设计中材料的选择

3.1水泥

工程实践中水泥是最常用的胶凝材料，按化学成分可分为硅酸盐

系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥等，其中

硅酸盐系水泥在工程实践中最为常用。通用水泥依据熟料、混合材料

比例不同分为:硅酸盐水泥(P℃、P℃)、普通硅酸盐水泥(PO)、矿渣硅酸

盐水泥(PS)、火山灰硅酸盐水泥(PP)、粉煤灰硅酸盐水泥(PF)、复合硅

酸盐水泥(PC)。其中，硅酸盐水泥熟料含量最高，掺入混合材料最少。

其特点是早期强度高、水化热大、抗冻性好。普通硅酸盐水泥在水泥

熟料中掺入5%～20%的混合材料，其特点与硅酸盐水泥基本相同，

但抗冻性、耐磨性、抗碳化性能略有降低。普通硅酸盐水泥价格是硅

酸盐水泥的0.6～0.7倍，价格相对较低。在满足功能要求的同时，有

利于节约建设投资。所以，普通硅酸盐水泥在工程实践中最为常用。

矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸

盐水泥分别在水泥熟料中加入粒化高炉矿渣(含量＞20%且≤70%)、火

山灰(含量＞20%且≤40%)、粉煤灰(含量＞20%且≤40%)、两种混合材料

(含量＞20%且≤50%)。水泥量混合料的掺入，会使这一类水泥有以下

特点:水化速度慢，水化热低;早期强度低，但后期强度发展较快;对温

度敏感，适合高温养护;耐腐蚀性好。但在水泥熟料中掺入大量混合

料，使这一类水泥的抗冻性不好，不适宜严寒地区使用。综上所述，

针对严寒地区工程，尤其是冻融环境下的工程，从经济性、适用性、

耐久性等因素综合考虑，应该优先选用普通硅酸盐水泥(≥42.5级)，且

不宜使用混合材料掺量过过多的水泥(如:矿渣水泥、粉煤灰水泥等)。

3.2混凝土

工程实践中混凝土是应用最广泛的建筑材料。混凝土按所用胶凝

材料可分为:水泥混凝土、石膏混凝土、沥青混凝土、树脂混凝土等。

其中，用水泥作为胶凝材料的普通混凝土最为常用。普通混凝土由水

泥、砂、石、水、外加剂等拌和而成。其中，骨料(集料)一般占混凝

土总体积的70%左右。骨料在混凝土中起到了骨架的作用，限制了混

凝土的收缩。大小不同颗粒骨料搭配的程度叫做颗粒级配。骨料级配

良好的混凝土，在节约水泥浆用量的同时，可以提高混凝土的流动性

和黏聚性，提高混凝土密实度及强度，减小混凝土的形变和收缩。针

对严寒地区工程，尤其是冻融