寒冷地区各类型池塘设施防冻胀技术初探
在寒冷地区，季节性冻土面积大约513.7万km2，占国土面积的53.5%，分布比较广泛；这些地区的养殖池塘，常常遭受到不同程度的冻胀破坏，不仅严重影响了池塘设施的正常运行和防渗效果，也增加了池塘设施的管理难度与维修费用。因此，作者给大家讲述几种池塘防冻胀技术，供大家参考。
我国大部分地区属于温带气候，在寒冷地区，季节性冻土面积大约513.7万km2，占国土面积的53.5%，分布比较广泛；这些地区的养殖池塘，在冬季由于0℃以下低温的作用，常常遭受到不同程度的冻胀破坏，不仅严重影响了池塘设施的正常运行和防渗效果，也增加了池塘设施的管理难度与维修费用。因此，在季节性冻土地区设计与建设养殖池塘时，必须重视池塘设施的防冻胀技术。
1.冻土和土壤冻胀。
含水的土壤在负温下发生冻结，产生冰体，同时由于冰的胶结作用，使上体的抗外力的强度提高，这种土叫冻土。土在冻结过程中，土中的水分冻结成冰，并生成许多冰夹层、冰镜体，从而引起土颗粒的相对位移，产生土体膨胀，称为浆胀。冻胀的外观现象是土层的均匀或不均匀隆起、鼓包、开裂等；融化后发生明显的下沉，这种现象会对土池土工膜，池梗造成较大的破坏。
2.冻胀形成机理。
土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。固体土粒是土的最主要的物质成分，由无数大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架主体，称为土粒。在土颗粒之间的空隙中，通常有液体的水溶液和气体（主要为空气）充填。土在冻结过程中，不仅是土层中原有的水分的冻结，还有未冻结土层中水向冻结土层迁移而冻结。所以，土的冻胀不仅仅是水结冰时体积增加的结果，更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。重力水和毛细水在0℃或稍低于0℃时就冻结，冻结后不再迁移；而结合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的关系，结合水外层一般要到－1℃左右才冻结，内层甚至在－10℃也不会完全冻结。所以当气温稍低于0℃时，重力水和毛细水都先后冻结，而结合水仍不冻结，依然从水膜厚处向薄处移动。当含盐浓度不同时，结合水由浓度低处向高处移动，水分移动虽然缓慢，数量也不大，但是如有不断补给来源，一定时间的移动水量还是很可观的。水的补给来源主要通过土的毛细作用，由于结合水向上移动，在温度合适时它也被冻结，这就造成冻结后的水分比冻结前的水分大量聚集。这些水分冻结后就会形成严重的冻胀。
冻胀现象的产生必须同时具备土质、温度、地下水三个因素的作用。因此，为了防止土质池塘冻胀作用的产生，只要消除这三个因素中的一个，就能达到防治目的。工程中的防治冻害措施可以归纳为置换法、药剂法、隔温法。
（1）置换法。
置换法是采用非冻胀材料换填部分冻胀性土的方法，应用时需要确定的问题主要是冻结深度和置换到何种程度。采用置换法应对当地的土质、气温及地下水进行调查，并确定采用防止冻胀措施的冻结深度，然后根据得到的冻结深度，确定不引起池埂产生冻胀破坏的置换深度。
置换深度确定：
在积雪寒冷地区，确定置换深度时，各国有不同的要求，如日本以道路最大冻深的80%作为标准。置换深度应该由防止冻胀引起的池壁破坏和春融期土基及池底载能力降低来决定，在防止冻胀引起破坏时，最好采用不易引起冻胀的材料换填到理论最大冻结深度。但是，根据国内外发表的大量文献，一般说来，只要置换到理论最大冻深的70%已经足够。但考虑到冰害作用受积雪、除雪程度，日照等影响很大，所以置换率一般根据当地具体情况分析。另外，改变置换深度和置换材料的种类都可以改变冻结情况，置换材料宜采用砂砾石或中粗砂。在冻土深度很大的地方进行置换法工程量往往是巨大的，也更不经济，所以置换法适用在冻土深度较小的地方。
（2）药剂法。
防止冻胀最常用的方法是以非冻胀土代替冻胀土，但远距离运输非冻胀土或换土深度超过冻深的三分之一以上时，成本较高，因而采用物理及化学原理对土进行处理的药剂法也受到了人们的重视。减少土的冻胀性，可借助于盐渍作用，例如采用含钠或含钙的盐类使土产生盐渍作用，增加抗水性能，可获得较好的防冻胀效果。采用使土分散的方法对防止冻胀也可以获得较好的效果而且有效期较长。分散剂的有效性可如下排列，即钾与钠的氧化物、磷酸钠、含钠的蒙脱土、四磷酸钠。采用磷酸钠（Na3PO4）改善土的化学性质或采用NaH2PO4改善土发生的物理作用均可改善土的冻胀性质。对微团聚体的分析表明，它可以增加土的分散性，并且即使经过多次冻融循环，也能保持这种特性。如果微团聚体被破坏，相应的粘土颗粒含量大约增加5倍。
（3）隔温法。
为了防止池壁、池底的冻胀破坏，在采用隔温材料时，要选择热传导率小的材料，才有较好的隔温性能。材料的隔温性能要持久，承载能力要高，耐水性好，并且要经济。满足这些条件的材料有聚苯乙烯薄板等。采用这种方法，要注意在隔温层上的垫层施工工艺的问题。因为运输垫层材料以及采用机械压实过程容易使隔温材料破坏，并且会将粗粒材料压入隔温层中。为此，可以在隔温层上撒铺数厘米厚的砂，然后再铺20mm～30mm的砂砾进行碾压。
在季节性冻土地区，冬季气温都要降到零度以下，0℃以下低温对于混凝土板护坡池塘设施有着一定的破坏作用，即冻害。根据0℃以下低温造成各种破坏作用的性质，冻害可以分为冻胀破坏、冻融破坏和冰冻破坏等3种类型，并具有不同的破坏形式。其中，混凝土板护坡池塘设施的冻胀破坏最为严重，在我国北方季节性冻土地区比较广泛，对池塘设施的危害程度较大。
冻胀破坏指池塘边坡土层冻胀和融沉对护坡混凝土板结构的破坏。当池塘边坡土层为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季0℃以下低温的作用下，由于池塘边坡土层中的水冻结后体积增大，造成土体膨胀，而使护坡混凝土板结构隆起。当冻胀变形超过护坡混凝土板结构的允许变形时，或因冻胀而产生的冻胀力超过护坡混凝土板结构的抗裂或抗拉强度时，护坡混凝土板结构就会开裂，甚至折断。在春季消融时又造成池塘边坡土层过湿，使土体失去强度和稳定性，往往会导致护坡混凝土板的滑塌。
冰冻破坏指冬季池塘水体结冰对护坡混凝土板结构的破坏。我国寒冷地区大部分池塘在最冷月份，池塘里的水体表面层常常会结冰，产生冰冻破坏。池塘完全封冻后，冰冻层逐渐加厚，对护坡混凝土板产生冰压力，造成护坡混凝土板的移位和破坏；或在冰压力和池塘边坡土层冻胀力的作用下鼓胀，发生破坏变形。
（3）冻融破坏。
冻融破坏指护坡混凝土板材料内部孔隙水的冻融导致护坡混凝土板的破坏。护坡混凝土板材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是含有一定的水分，尤其是在冰层以上20cm范围内的板材中的水分，在0℃以下低温下冻结成冰，体积会发生膨胀，比原体积增大9%。当这种膨胀作用引起的应力超过材料的强度时，材料就会产生裂缝，第2个负温周期中，其吸水性增大，结冰膨胀破坏的作用更为剧烈，经过多个冻融循环应力的反复作用，最终导致护坡混凝土板的冻融破坏，如护坡混凝土板表层剥落、冻酥等。
护坡混凝土板是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，主要取决于池塘边坡的土质条件、土体含水量、负温条件及池塘结构形式等因素。如果采取措施消除或改善其中一个因素，就可以减轻或防止护坡混凝土板结构的冻胀破坏。实践证明，防治池塘护坡混凝土板的冻胀破坏，应针对产生冻胀的因素，结合池塘建设的具体条件，从养殖池塘规划布置、池塘土基处理、护坡混凝土板材料与结构形式、施工质量和运行管理等方面着手，全面考虑，采用适宜的防冻胀措施。目前，常用的防冻胀技术措施主要有保温、置换、防水排水和结构措施等。
（1）保温措施。
保温措施是在护坡混凝土板下铺设隔热保温层，阻隔大气与池塘边坡土的热量交换，提高护坡混凝土板下池坡土温度，消减或消除冻胀，防止发生冻胀破坏。保温材料宜采用憎水性材料，目前常用的保温材料有聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯泡沫板和高分子防渗保温卷材等。近年来，在混凝土板护坡池塘工程建设中，已有采用护坡混凝土板下铺设聚苯乙烯泡沫板的保温方法的实例，取得了良好的防冻胀效果。
（2）置换措施。
置换措施是在冻结深度内将护坡混凝土板下的冻胀性土换成非冻胀性土的一种方法，置换材料宜采用砂砾石或中粗砂。级配良好且纯净的砂砾石或中粗砂垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移，所以能有效地减少冻胀，防止冻胀破坏现象的发生。
（3）隔水排水措施。
采用塑料薄膜、膨润土防水毯、复合土工膜等，设置隔水层，隔断池塘渗水、大气降水和地下水等对冻结层的补给，从而削减或消除冻胀。当地下水位高于池底，或地下水位虽不很高，但池塘及边坡土透水性差，池塘的渗漏水和浸入池塘边坡的雨水不能很快渗入池塘深处时，应根据池塘所处的地形和水文地质条件，按不同情况设置排水设施，以达到排泄畅通、池基和边坡土疏干、冻结层无水源补给的目的。
（4）结构措施。
结构措施就是在设计池塘断面和护坡混凝土板结构时，采用合理的形式和尺寸，使其具有削减、适应或回避冻胀的能力。适应不均匀冻胀能力较好的池塘断面形式有弧形坡脚梯形。当地下水位较深且无外水源侵入池基和边坡土层时，采用混凝土板与膜料复合防渗结构，具有很好的防冻胀效果。
混凝土受冻害损伤可以分为两种情况：一是由于冻融循环引起的混凝土表面材料的损伤——剥落脱皮；二是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害——内部损伤．这种内部损伤可导致混凝土性质改变。而新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。
（1）新拌混凝土的受冻害损伤的原因。
新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。其过程为：结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结。一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程。水分从材料未冻水或从外部水源补给，并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力如果超过抗拉强度即受破坏。
（2）成熟混凝土受冻害损伤有关原因。
混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。
可冻水(即冰)主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结．气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。可冻水一般是温度的逆函数，温度愈低 可冻水愈多。
连续的毛细管沟网络体系破坏过程；随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏，分成个别孤立的毛细孔(水在其中冻结的容器)，而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。随着水化深入，材料质地致密及温度的下降．将有更多细小空间的水参与冰冻，作为池壁的凝胶的渗水性也不断减小。当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡(逃逸边界)排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液，随着温度下降．浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原有的水平。于是在毛细孔中溶液和凝胶水之间出现浓度差。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释 冰晶逐渐生长长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力，导致破坏。
另一方面在水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点，作为水流的结果压力消失。析冰情况正好相反，水分不是从冰冻地点外流．而是从未冻地点(凝胶)流向已冻冰地点(毛细孔)，方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。
骨料作为一个组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源。为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证：从这个意义上来说，骨料抗冻性更具有突出意义。如颗粒大到一定限度以上，核心存在的距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的保水区域，此时将因超过骨科破裂强度的内部水压力而破裂．这就是临界储存效应。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石这种危险较突出，空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大。在特殊情况岩石吸水率极低(如重量吸水在5%以下的石英岩)，可冻水极少，冰水是无渗应力出现，应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证。
混凝土中水泥水化程度的大小，混凝土强度发展的快慢与环境温度的高低成正比关系，或者说环境温度越高，水泥的水化速度越快，混凝土强度的发展越高，混凝土过早受冻后强度就不会再增长，残留在混凝土内部的游离水分也就越多，结冰后产生的冻胀应力亦就越大，混凝土体积就会胀酥，抗压、抗拉强度、抗渗、耐久性等性能就会降低。因此在混凝土池塘施工过程中有必要采取以下措施，保证不会出现池塘的冻胀破坏。
（1）采取掺用防冻剂以降低新拌水泥混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长，有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏，在负温条件下能够继续水化。
（2）采取掺用引气剂，引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护成熟混凝土免于伤害。
（3）配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化，就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。不包含毛细水(或数量很少)的混凝土构件，由于凝胶中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。`。
（4）选用岩石吸水率较低(如重量吸水率在5％以下的岩石)，可冻水极少，骨料表现安全，不受冰冻伤害，同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。
（5）改善混凝土的气候条件以及使用方式。尤其在地面以上的混凝土池塘的冬季施工中，采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施，使新拌混凝土在正温条件下水化，强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温。以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻。
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