文/聶懿 楊懷寧

寒冷地區(qū)各類型池塘設(shè)施防凍脹技術(shù)初探

文/聶懿 楊懷寧

在寒冷地區(qū)，季節(jié)性凍土面積大約513.7萬km2，占國土面積的53.5%，分布比較廣泛；這些地區(qū)的養(yǎng)殖池塘，常常遭受到不同程度的凍脹破壞，不僅嚴(yán)重影響了池塘設(shè)施的正常運行和防滲效果，也增加了池塘設(shè)施的管理難度與維修費用。因此，作者給大家講述幾種池塘防凍脹技術(shù)，供大家參考。

我國大部分地區(qū)屬于溫帶氣候，在寒冷地區(qū)，季節(jié)性凍土面積大約513.7萬km2，占國土面積的53.5%，分布比較廣泛；這些地區(qū)的養(yǎng)殖池塘，在冬季由于0℃以下低溫的作用，常常遭受到不同程度的凍脹破壞，不僅嚴(yán)重影響了池塘設(shè)施的正常運行和防滲效果，也增加了池塘設(shè)施的管理難度與維修費用。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)設(shè)計與建設(shè)養(yǎng)殖池塘?xí)r，必須重視池塘設(shè)施的防凍脹技術(shù)。

一、寒冷地區(qū)土質(zhì)池塘防凍脹技術(shù)

1.凍土和土壤凍脹

含水的土壤在負(fù)溫下發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生冰體，同時由于冰的膠結(jié)作用，使上體的抗外力的強(qiáng)度提高，這種土叫凍土。土在凍結(jié)過程中，土中的水分凍結(jié)成冰，并生成許多冰夾層、冰鏡體，從而引起土顆粒的相對位移，產(chǎn)生土體膨脹，稱為漿脹。凍脹的外觀現(xiàn)象是土層的均勻或不均勻隆起、鼓包、開裂等；融化后發(fā)生明顯的下沉，這種現(xiàn)象會對土池土工膜，池梗造成較大的破壞。

2.凍脹形成機(jī)理

土是由固體顆粒、液體水和氣體組成的三相體。固體土粒是土的最主要的物質(zhì)成分，由無數(shù)大小不等、形狀不同的礦物顆粒按照各種不同的排列方式組合在一起，構(gòu)成土的骨架主體，稱為“土粒”。在土顆粒之間的空隙中，通常有液體的水溶液和氣體（主要為空氣）充填。土在凍結(jié)過程中，不僅是土層中原有的水分的凍結(jié)，還有未凍結(jié)土層中水向凍結(jié)土層遷移而凍結(jié)。所以，土的凍脹不僅僅是水結(jié)冰時體積增加的結(jié)果，更主要是水分在凍結(jié)過程中由下向上部遷移聚集再凍結(jié)的結(jié)果。重力水和毛細(xì)水在0℃或稍低于0℃時就凍結(jié)，凍結(jié)后不再遷移；而結(jié)合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的關(guān)系，結(jié)合水外層一般要到－1℃左右才凍結(jié)，內(nèi)層甚至在－10℃也不會完全凍結(jié)。所以當(dāng)氣溫稍低于0℃時，重力水和毛細(xì)水都先后凍結(jié)，而結(jié)合水仍不凍結(jié)，依然從水膜厚處向薄處移動。當(dāng)含鹽濃度不同時，結(jié)合水由濃度低處向高處移動，水分移動雖然緩慢，數(shù)量也不大，但是如有不斷補(bǔ)給來源，一定時間的移動水量還是很可觀的。水的補(bǔ)給來源主要通過土的毛細(xì)作用，由于結(jié)合水向上移動，在溫度合適時它也被凍結(jié)，這就造成凍結(jié)后的水分比凍結(jié)前的水分大量聚集。這些水分凍結(jié)后就會形成嚴(yán)重的凍脹。

3.土質(zhì)池塘防凍脹的技術(shù)措施

凍脹現(xiàn)象的產(chǎn)生必須同時具備土質(zhì)、溫度、地下水三個因素的作用。因此，為了防止土質(zhì)池塘凍脹作用的產(chǎn)生，只要消除這三個因素中的一個，就能達(dá)到防治目的。工程中的防治凍害措施可以歸納為“置換法”、“藥劑法”、“隔溫法”。

（1）置換法

置換法是采用非凍脹材料換填部分凍脹性土的方法，應(yīng)用時需要確定的問題主要是凍結(jié)深度和置換到何種程度。采用置換法應(yīng)對當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)、氣溫及地下水進(jìn)行調(diào)查，并確定采用防止凍脹措施的凍結(jié)深度，然后根據(jù)得到的凍結(jié)深度，確定不引起池埂產(chǎn)生凍脹破壞的置換深度。

置換深度確定：

在積雪寒冷地區(qū)，確定置換深度時，各國有不同的要求，如日本以道路最大凍深的80%作為標(biāo)準(zhǔn)。置換深度應(yīng)該由防止凍脹引起的池壁破壞和春融期土基及池底載能力降低來決定，在防止凍脹引起破壞時，最好采用不易引起凍脹的材料換填到理論最大凍結(jié)深度。但是，根據(jù)國內(nèi)外發(fā)表的大量文獻(xiàn)，一般說來，只要置換到理論最大凍深的70%已經(jīng)足夠。但考慮到冰害作用受積雪、除雪程度，日照等影響很大，所以置換率一般根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況分析。另外，改變置換深度和置換材料的種類都可以改變凍結(jié)情況，置換材料宜采用砂礫石或中粗砂。在凍土深度很大的地方進(jìn)行置換法工程量往往是巨大的，也更不經(jīng)濟(jì)，所以置換法適用在凍土深度較小的地方。

（2）藥劑法

防止凍脹最常用的方法是以非凍脹土代替凍脹土，但遠(yuǎn)距離運輸非凍脹土或換土深度超過凍深的三分之一以上時，成本較高，因而采用物理及化學(xué)原理對土進(jìn)行處理的藥劑法也受到了人們的重視。減少土的凍脹性，可借助于鹽漬作用，例如采用含鈉或含鈣的鹽類使土產(chǎn)生鹽漬作用，增加抗水性能，可獲得較好的防凍脹效果。采用使土分散的方法對防止凍脹也可以獲得較好的效果而且有效期較長。分散劑的有效性可如下排列，即鉀與鈉的氧化物、磷酸鈉、含鈉的蒙脫土、四磷酸鈉。采用磷酸鈉（Na3PO4）改善土的化學(xué)性質(zhì)或采用NaH2PO4改善土發(fā)生的物理作用均可改善土的凍脹性質(zhì)。對微團(tuán)聚體的分析表明，它可以增加土的分散性，并且即使經(jīng)過多次凍融循環(huán)，也能保持這種特性。如果微團(tuán)聚體被破壞，相應(yīng)的粘土顆粒含量大約增加5倍。

（3）隔溫法

為了防止池壁、池底的凍脹破壞，在采用隔溫材料時，要選擇熱傳導(dǎo)率小的材料，才有較好的隔溫性能。材料的隔溫性能要持久，承載能力要高，耐水性好，并且要經(jīng)濟(jì)。滿足這些條件的材料有聚苯乙烯薄板等。采用這種方法，要注意在隔溫層上的墊層施工工藝的問題。因為運輸墊層材料以及采用機(jī)械壓實過程容易使隔溫材料破壞，并且會將粗粒材料壓入隔溫層中。為此，可以在隔溫層上撒鋪數(shù)厘米厚的砂，然后再鋪20mm～30mm的砂礫進(jìn)行碾壓。

二、寒冷地區(qū)混凝土板護(hù)坡池塘防凍脹技術(shù)

1.混凝土板護(hù)坡池塘設(shè)施凍害類型及破壞形式

在季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季氣溫都要降到零度以下，0℃以下低溫對于混凝土板護(hù)坡池塘設(shè)施有著一定的破壞作用，即凍害。根據(jù)0℃以下低溫造成各種破壞作用的性質(zhì)，凍害可以分為凍脹破壞、凍融破壞和冰凍破壞等3種類型，并具有不同的破壞形式。其中，混凝土板護(hù)坡池塘設(shè)施的凍脹破壞最為嚴(yán)重，在我國北方季節(jié)性凍土地區(qū)比較廣泛，對池塘設(shè)施的危害程度較大。

（1）凍脹破壞

凍脹破壞指池塘邊坡土層凍脹和融沉對護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)池塘邊坡土層為凍脹性土，且其含水量大于起始凍脹含水量時，在冬季0℃以下低溫的作用下，由于池塘邊坡土層中的水凍結(jié)后體積增大，造成土體膨脹，而使護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)隆起。當(dāng)凍脹變形超過護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)的允許變形時，或因凍脹而產(chǎn)生的凍脹力超過護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)的抗裂或抗拉強(qiáng)度時，護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)就會開裂，甚至折斷。在春季消融時又造成池塘邊坡土層過濕，使土體失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，往往會導(dǎo)致護(hù)坡混凝土板的滑塌。

（2）冰凍破壞

冰凍破壞指冬季池塘水體結(jié)冰對護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)的破壞。我國寒冷地區(qū)大部分池塘在最冷月份，池塘里的水體表面層常常會結(jié)冰，產(chǎn)生冰凍破壞。池塘完全封凍后，冰凍層逐漸加厚，對護(hù)坡混凝土板產(chǎn)生冰壓力，造成護(hù)坡混凝土板的移位和破壞；或在冰壓力和池塘邊坡土層凍脹力的作用下鼓脹，發(fā)生破壞變形。

（3）凍融破壞

凍融破壞指護(hù)坡混凝土板材料內(nèi)部孔隙水的凍融導(dǎo)致護(hù)坡混凝土板的破壞。護(hù)坡混凝土板材料具有一定的吸水性，又經(jīng)常處在有水的環(huán)境中，因此材料內(nèi)總是含有一定的水分，尤其是在冰層以上20cm范圍內(nèi)的板材中的水分，在0℃以下低溫下凍結(jié)成冰，體積會發(fā)生膨脹，比原體積增大9%。當(dāng)這種膨脹作用引起的應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度時，材料就會產(chǎn)生裂縫，第2個負(fù)溫周期中，其吸水性增大，結(jié)冰膨脹破壞的作用更為劇烈，經(jīng)過多個凍融循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致護(hù)坡混凝土板的凍融破壞，如護(hù)坡混凝土板表層剝落、凍酥等。

2.混凝土板護(hù)坡池塘防凍脹主要技術(shù)措施

護(hù)坡混凝土板是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，主要取決于池塘邊坡的土質(zhì)條件、土體含水量、負(fù)溫條件及池塘結(jié)構(gòu)形式等因素。如果采取措施消除或改善其中一個因素，就可以減輕或防止護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。實踐證明，防治池塘護(hù)坡混凝土板的凍脹破壞，應(yīng)針對產(chǎn)生凍脹的因素，結(jié)合池塘建設(shè)的具體條件，從養(yǎng)殖池塘規(guī)劃布置、池塘土基處理、護(hù)坡混凝土板材料與結(jié)構(gòu)形式、施工質(zhì)量和運行管理等方面著手，全面考慮，采用適宜的防凍脹措施。目前，常用的防凍脹技術(shù)措施主要有保溫、置換、防水排水和結(jié)構(gòu)措施等。

（1）保溫措施

保溫措施是在護(hù)坡混凝土板下鋪設(shè)隔熱保溫層，阻隔大氣與池塘邊坡土的熱量交換，提高護(hù)坡混凝土板下池坡土溫度，消減或消除凍脹，防止發(fā)生凍脹破壞。保溫材料宜采用憎水性材料，目前常用的保溫材料有聚苯乙烯泡沫板、硬質(zhì)聚氨酯泡沫板和高分子防滲保溫卷材等。近年來，在混凝土板護(hù)坡池塘工程建設(shè)中，已有采用護(hù)坡混凝土板下鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板的保溫方法的實例，取得了良好的防凍脹效果。

（2）置換措施

置換措施是在凍結(jié)深度內(nèi)將護(hù)坡混凝土板下的凍脹性土換成非凍脹性土的一種方法，置換材料宜采用砂礫石或中粗砂。級配良好且純凈的砂礫石或中粗砂墊層不僅本身無凍脹，而且能排除滲水和阻止下臥層水分向表層凍結(jié)區(qū)遷移，所以能有效地減少凍脹，防止凍脹破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）隔水排水措施

采用塑料薄膜、膨潤土防水毯、復(fù)合土工膜等，設(shè)置隔水層，隔斷池塘滲水、大氣降水和地下水等對凍結(jié)層的補(bǔ)給，從而削減或消除凍脹。當(dāng)?shù)叵滤桓哂诔氐祝虻叵滤浑m不很高，但池塘及邊坡土透水性差，池塘的滲漏水和浸入池塘邊坡的雨水不能很快滲入池塘深處時，應(yīng)根據(jù)池塘所處的地形和水文地質(zhì)條件，按不同情況設(shè)置排水設(shè)施，以達(dá)到排泄暢通、池基和邊坡土疏干、凍結(jié)層無水源補(bǔ)給的目的。

（4）結(jié)構(gòu)措施

結(jié)構(gòu)措施就是在設(shè)計池塘斷面和護(hù)坡混凝土板結(jié)構(gòu)時，采用合理的形式和尺寸，使其具有削減、適應(yīng)或回避凍脹的能力。適應(yīng)不均勻凍脹能力較好的池塘斷面形式有弧形坡腳梯形。當(dāng)?shù)叵滤惠^深且無外水源侵入池基和邊坡土層時，采用混凝土板與膜料復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)，具有很好的防凍脹效果。

四、寒冷地區(qū)混凝土池塘防凍脹技術(shù)

1.混凝土池塘的凍害及產(chǎn)生原因

混凝土受凍害損傷可以分為兩種情況：一是由于凍融循環(huán)引起的混凝土表面材料的損傷--剝落脫皮；二是表面沒有可見效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害--內(nèi)部損傷．這種內(nèi)部損傷可導(dǎo)致混凝土性質(zhì)改變。而新拌混凝土受凍害損傷后則會導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。

（1）新拌混凝土的受凍害損傷的原因

新拌混凝土的強(qiáng)度低、空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為：結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時，冷流向材料體內(nèi)延伸，在深處某水平位置開始凍結(jié)。一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長，且是不可逆轉(zhuǎn)的過程。水分從材料未凍水或從外部水源補(bǔ)給，并進(jìn)行宏觀規(guī)模的移動。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長的過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力如果超過抗拉強(qiáng)度即受破壞。

（2）成熟混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

混凝土構(gòu)件中的孔徑分為三個范疇，即凝膠孔、毛細(xì)孔及氣泡在某一固定負(fù)溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。

可凍水(即冰)主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細(xì)孔中，凝膠水由于表面的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié)．氣泡水易凍結(jié)?；炷翗?gòu)件中各種孔徑的空隙可認(rèn)為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結(jié)，不可能同時凍結(jié)?？蓛鏊话闶菧囟鹊哪婧瘮?shù)，溫度愈低 可凍水愈多。

連續(xù)的毛細(xì)管溝網(wǎng)絡(luò)體系破壞過程；隨著水化進(jìn)展凝膠體生成，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞，分成個別孤立的毛細(xì)孔(水在其中凍結(jié)的容器)，而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細(xì)小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入，材料質(zhì)地致密及溫度的下降．將有更多細(xì)小空間的水參與冰凍，作為池壁的凝膠的滲水性也不斷減小。當(dāng)冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡(逃逸邊界)排除時，材料本身將受到推移水分前進(jìn)的后應(yīng)反作用力導(dǎo)致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導(dǎo)不暢引起的動水壓力增大。水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤海S著溫度下降．濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平。于是在毛細(xì)孔中溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋 冰晶逐漸生長長大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時，冰晶進(jìn)一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致破壞。

另一方面在水壓的情況下，水分凍結(jié)膨脹，多余水在壓力推動下外流，流向可能消納水分的未凍地點，作為水流的結(jié)果壓力消失。析冰情況正好相反，水分不是從冰凍地點外流．而是從未凍地點(凝膠)流向已凍冰地點(毛細(xì)孔)，方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后，最后以冰凍結(jié)束，作為水流運動的結(jié)果產(chǎn)生壓力。

骨料作為一個組分，如果冰凍膨脹同樣會成為導(dǎo)致混凝土破裂的應(yīng)力來源。為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證：從這個意義上來說，骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時將因超過骨科破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂．這就是臨界儲存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石這種危險較突出，空隙多、滲透性強(qiáng)的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低(如重量吸水在5%以下的石英巖)，可凍水極少，冰水是無滲應(yīng)力出現(xiàn)，應(yīng)避免使用高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證。

2.混凝土池塘防凍脹主要技術(shù)措施

混凝土中水泥水化程度的大小，混凝土強(qiáng)度發(fā)展的快慢與環(huán)境溫度的高低成正比關(guān)系，或者說環(huán)境溫度越高，水泥的水化速度越快，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展越高，混凝土過早受凍后強(qiáng)度就不會再增長，殘留在混凝土內(nèi)部的游離水分也就越多，結(jié)冰后產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力亦就越大，混凝土體積就會脹酥，抗壓、抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B、耐久性等性能就會降低。因此在混凝土池塘施工過程中有必要采取以下措施，保證不會出現(xiàn)池塘的凍脹破壞。

（1）采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點以及干擾冰晶生長，有效保護(hù)未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化。

（2）采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導(dǎo)冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護(hù)成熟混凝土免于傷害。

（3）配合比設(shè)計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細(xì)水(或數(shù)量很少)的混凝土構(gòu)件，由于凝膠中空間極微細(xì)，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結(jié)，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。`

（4）選用巖石吸水率較低(如重量吸水率在5%以下的巖石)，可凍水極少，骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍傷害，同時使用小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍性保證。

（5）改善混凝土的氣候條件以及使用方式。尤其在地面以上的混凝土池塘的冬季施工中，采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施，使新拌混凝土在正溫條件下水化，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫。以此延長混凝土養(yǎng)護(hù)周期，保證成熟混凝土充分水化，盡量降低構(gòu)件毛細(xì)水含量，防止成熟混凝土的受凍。

作者單位：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所