高原复杂环境下冬期混凝土施工及性能优化研究

伍雷吴柏翰

摘要：高原高寒地区具有大温差、干燥的气候特点，对混凝土冬期生产、施工和养护增加了困难，混凝土的质量和强度难以得到保证。通过结合混凝土生产保暖、棚内蒸汽养护以及优选抗冻剂制备高性能混凝土等措施，来满足混凝土冬期施工的要求。保证混凝土在低温条件下早期强度能正常发展，并具有能服役长寿命的耐久性。经过项目施工实践，形成了一种高原复杂环境下混凝土冬期施工性能优化技术，有效解决了在高寒地区混凝土结构的劣化问题。

关键词：高原高寒；蒸汽养护；冬期施工；抗冻剂

Abstract: Temperature varies widely from day to night and dry weather are typical climatic characters in the region of the high plateau, which increases the difficulty of concrete producing、constructing and curing in winter, and the quality and strength of concrete are difficult to be guaranteed. Aiming to meet the requirements of concrete construction in winter, measures such as thermal insulating in concrete production, steam curing and using antifreeze agent to produce high performance concrete were adopted. Ensure that the early strength of concrete can develop normally under the low temperature and have a long service life durability. By practicing the project, a sort of concrete winter construction technology and concrete performance optimization technology in the complex environment of the plateau has been formed, which effectively solves the problem of deterioration of concrete structure in the high altitudes cold zone.

Keywords: High plateau Steam curing Winter construction Antifreeze agent

0研究背景

0.1 工程概况

本研究依托高原高寒复杂环境山区边坡冬期混凝土施工工程，在大温差、大风、干燥的高原地区气候环境下研究混凝土生产及养护的保温措施，进一步提升混凝土的抗冻性能。

0.2 高原高寒地区气候简介

我国西部高原高寒地区,大温差、大风、干燥是高原地区的常见气候特点。年平均气温9.2℃，1月平均气温负0.2℃，7月平均气温19.9℃，极端高温为32.6℃，极端低温为负16.4℃，日最大温差为26.5℃，年平均湿度为44%。

0.3 冬期施工的必要性

项目进度紧迫：在高原高寒地区，气温较低的冬季可能会导致工期延误，而冬期施工可以缩短项目工期，这对于一些紧迫的工程项目来说至关重要。

经济效益：冬期施工可以有效利用施工资源，避免在其他季节需要更高的施工成本。当地传统上冬季没有太多的基建活动，施工材料和劳动力资源相对容易获得，并且价格较低，这可以有效降低工程成本。

原材料储存：冬季施工的一个优势是原材料储存的便利性。对于混凝土施工来说，原材料很容易储存，并且冬期降雨少不会被雨水浸泡导致质量下降。

1研究目的与意义

本研究以高原高寒复杂气候环境下混凝土结构的劣化特性作为研究对象，研究其力学性能发展规律，并提出有效的控制及防护措施，保证混凝土结构在低温条件下早期强度能正常发展，为高原高寒地区基础建设与长寿命保障提供理论支持与技术支撑。

2研究现状

高原高寒气象环境对混凝土的耐久性产生重要影响。首先是低温环境，冻融循环会引起混凝土表面剥落和内部微裂纹的扩展，进一步损害混凝土结构的完整性和耐久性。其次是大温差，高原地区的昼夜温差较大，这种快速的温度变化会导致混凝土内部产生内应力，从而增加开裂的风险。长期大温差的作用可能会引起混凝土表面龟裂和粉化，进而影响其力学性能和耐久性。

Li等[1]研究发现在冰冻和动载共同作用下，充填层自密实混凝土的性能显著降低，基于结晶压理论解释了冰在混凝土孔隙中产生冻胀破坏的机理，如图2.1-1所示。龙广成等[2-3]基于统计损伤理论建立冻融作用的自密实混凝土（SCC）单轴压缩损伤本构模型。结果表明：考虑荷载-冻融循环耦合作用的SCC劣化速率更大；掺入膨胀剂和黏度改性材料可以有效降低SCC的冻融损伤速率。

图2.1-1 冰在混凝土孔隙中的冻胀作用机理示意图[1]

最后是大风环境对混凝土的影响。在混凝土早期浇筑阶段，风会加速混凝土表面水分的散失，从而诱发混凝土表面出现干缩裂缝；另一方面，风通过改变表层混凝土与外界热量交换的速率，进一步影响表层混凝土的温度分布状态，从而可能会形成较大表面拉应力，诱发裂缝。苏爱斌等[4]开展了温度、湿度（日照）、风速对混凝土早龄期水分蒸发效应的影响。结果表明：单一条件下温度对混凝土表面水分蒸发影响最大，低风速（小于5m/s）次之，相对湿度影响最小。当风速大于5m/s时风速影响占主导，温度的影响次之。

高原环境多种破坏因素耦合作用对混凝土耐久性产生了挑战，开展相关研究具有重要的必要性。本论文针对高原高寒环境下的C40混凝土结构冬期施工开展了相关研究，并从混凝土施工、保暖措施和配合比本身优化提出了高原复杂环境下冬期混凝土施工及性能优化的研究技术路线。

3主要研究内容

本研究以极端气候环境下边坡C40框架梁的劣化特征作为研究对象，研究其力学性能发展规律及收缩机理，并针对混凝土结构及材料特点提出有效的控制及防护措施，可以为高原铁路工程建设及长寿命保障提供理论支持及技术支撑，主要研究内容如下：

（1）混凝土冬期生产保温措施

基于混凝土热工计算，将混凝土生产的各原材料加热至合适温度要求；

（2）研究大温差、大风、干燥环境下混凝土力学性能变化规律

结合地区的气候特征，探究不同养护方式下混凝土的力学性能变化规律；

（3）探究抗冻剂对混凝土性能的影响

研究抗冻剂在C40中的合适掺量，提出新配合比。根据高原山区气候特点，通过冻融循环实验确定抗冻混凝土的长期力学性能及抗冻性能。

4 研究技术路线

面对西部高原高寒地区极端的气候环境，以山区边坡框架梁混凝土施工工艺为基础，研究混凝土生产及养护的保温措施，进一步提升混凝土的抗冻性能。以施工工艺、保温措施和配合比本身优化为研究技术路线。

图4.1-1 技术路线

5混凝土冬期施工试验

5.1 边坡施工工艺简介

现场踏勘边坡顶部区域确定边坡上方危岩范围，采用机械配合人工从上至下进行清除。边坡上方采用桩板式拦石墙防护。清除危岩体后，坡面采用预裂爆破和光面爆破机械开挖，人工配合机械进行边坡修整。开挖期间，采用了在钻机孔口安装液压降尘系统、定点喷水降尘等措施降尘。主动防护网锚杆由高臂钻钻孔，垂直坡面，主动网从上往下铺设并缝合。框架梁钢筋笼在钢筋钢结构加工场内加工成半成品，运至施工现场进行绑扎成型。模板采用定型塑料模板，表面刷隔离剂，便于脱模。混凝土使用地泵将混凝土运至施工部位，采用溜槽形式送入模内进行浇筑，先纵梁再横梁的顺序浇筑，插入式振捣棒振捣。

5.2 混凝土热工计算及冬期生产保障措施

5.2.1 原材料

（1）水泥

本研究选用海螺水泥有限责任公司生产的P·O 42.5水泥，水泥的物理性能如表5.2-1所示。

表5.2-1 水泥的物理性能

比表面积	平均粒径	凝结时间（min）		抗压强度（MPa）		抗折强度（MPa）
（m2/kg）	（µm）	初凝	终凝	3d	28d	3d	28d
332	17.53	141	178	27.8	51.0	4.9	7.6

（2）粉煤灰

本研究选用华电宁夏武电发电有限公司生产的II级粉煤灰，粉煤灰物理性能如表5.2-2所示。

表5.2-2 粉煤灰的物理性能

细度（45um筛筛余）（%）	含水量 （%）	密度 （g/cm3）	需水量比 （%）	烧失量 （%）	碱含量 Kg/m3	28d活性指数 （%）
18.6	0.1	2.43	98	3.1	0.28	85

（3）集料

细集料为当地砂厂破碎机制砂，石粉含量12.9%，细度模数2.8，MB值4.6；粗集料为现场石场生产，分两种粒径区间5～10mm、10～20mm。

（4）外加剂

使用安徽中铁工程材料科技有限公司生产的高效聚羧酸减水剂，属于缓凝型减水剂，减水率27%。

（5）水

自来水。

5.2.2 混凝土热工计算

边坡框架梁设计为C40混凝土，其配合比中每立方材料用量如下表，并测试了新拌混凝土的相关指标。

表5.2-3 C40 基础配合比（Kg/m3)

PO42.5水泥	II级粉煤灰	机制砂	石	减水剂	水
344	86	763	1054	4.3	159

表5.2-4 C40 基础配合比各项指标

胶材用量	430Kg/m3
水胶比	0.38
砂率	42%
总碱含量	2.24Kg/m3
坍落度	200mm
扩展度	510mm
含气量	3.4%
表观密度	2390Kg/m3
初凝时间	8h
终凝时间	10h50min

（1）拌和区采用彩钢棚全封闭，空气能供热保温，暖风炮供热，热功计算取值

10℃。

（2）砂石料存储为全封闭料仓，锅炉地暖加热，岩棉板进行全封闭，辅以暖风炮加热。热功计算取值15℃。

加热仓空气消耗的热量：

算出。

（3）拌和用水采用加热棒加热，并配自动温控装置；热工计算取值55℃。

（4）粉料罐采用彩钢棚全封闭，热工计算取值5℃。外加剂房配置暖气片持续供暖，保证混凝土原材料及拌和温度。

（5）罐车外层包裹一层保温篷布，再将罐体整体封闭式包裹；采用输送泵送混凝土时，泵管外层采用保温棉包裹，保证输送过程温度损失降低。

根据《铁路混凝土工程施工技术规程》Q/CR9207-2017附录J混凝土的热工计算，混凝土拌和物温度计算如下：

混凝土拌合物温度；

1）混凝土出机温度：

，满足出机温度不低于10℃要求。

2）混凝土运输过程热量损失：

装卸式运输工具运输混凝土温度降低：

混凝土运输损失温度，与环境温差，泵送损失温度。

3）混凝土入模温度：

混凝土出罐温度；

混凝土入模温度。

4）边坡框架梁混凝土浇筑完成时温度：

混凝土浇筑完成时温度计算：

混凝土浇筑完成时温度℃，满足规范不得低于5℃的要求。

综上所述，通过对拌和区混凝土生产及现场浇筑采取的保温措施，混凝土拌和物温度可达到21.6℃，出机温度可达到19.7℃，入模温度可达到11.9℃，浇筑完成后混凝土温度可达到11.4℃。

表5.2-5 混凝土热工计算汇总表

项目	保温措施	目标温度（℃）
拌和区	彩钢棚全封闭，暖风炮供热	10
砂石料	锅炉地暖供热	15
拌和用水	电能加热棒	55
水泥及掺和料	彩钢棚全封闭，暖气片	5
混凝土运输	罐车封闭式包裹，地泵外层采用保温棉包裹	/

根据《铁路混凝土工程施工技术规程》Q/CR9207-2017规范，混凝土出机温度不低于10℃，入模温度不应低于5℃，满足规范要求。

5.3缩尺试验

混凝土早期的养护环境对强度增长非常关键，如果混凝土早期发生受冻破坏，内部结构将被破坏，力学性能将无法正常发展，且不可逆[5]。根据《铁路混凝土工程施工技术规程》要求，冬期施工期间，混凝土强度达到设计强度的60%之前不得受冻。混凝土前28d养护龄期内，混凝土强度对养护温度的变化比较敏感，养护温度如果在小范围地变动都将导致混凝土强度产生很大的变动，因此，精确地控制养护温度，保持在5℃以上对混凝土的力学性能特别重要[6]。本研究提出采用蒸汽养护的方法对结构进行加热，目的是为了使混凝土早期维持在零上温度养护，保证混凝土后期强度达到设计标准。

为了验证蒸汽养护棚对混凝土早期防风、热养护的实际效果，开展了边坡框架梁缩尺模型试验，并搭建了蒸汽养护棚，如下图所示。

图5.3-1 边坡框架梁棚内蒸汽养护缩尺模型

通过布置热蒸汽管道，使棚内温度稳定在16℃以上。经监测，棚内试块表面温度为5~9℃，凌晨4点各测试点的实测值如下表。

表5.3-1 凌晨4点实测值

棚外	2.4℃
棚内	16.5℃
混凝土表面	9℃
混凝土芯部	10.3℃

为了探究不同养护环境下边坡框架梁的力学性能发展规律，开展了相关试验。将成型的150×150×150mm试块分为三批，放置在不同的环境温度下养护：（1）20℃室内标准养护；（2）5~16℃现场棚内蒸汽养护；（3）现场露天覆膜养护。试验测试了这三批试块3d、7d、14d、28d的力学性能，试验结果如下：

表5.3-2 不同养护环境下C40基础配合比的力学性能发展

养护方式	3d抗压强度(MPa)	7d抗压强度(MPa)	14d抗压强度(MPa)	28d抗压强度(MPa)
室内标准养护	30.6	44.4	46.3	52.7
现场棚内蒸汽养护	21.3	35.1	38.5	45.2
现场露天覆膜养护	19.8	32.3	34.4	39.0

图5.3-2 不同养护环境下C40基础配合比的力学性能发展

由上表可知，在标准养护条件下，混凝土3d抗压强度超过了C40设计强度的60%，而在棚内养护和露天养护的试块3d强度分别只达到了标准养护的69.6%和64.7%。7d时，在棚内养护的试块比在露天覆膜养护的试块抗压强度高8.7%，证明棚内蒸汽养护对混凝土早期强度的增长有一定效果。并且，棚内试块28d抗压强度大于40MPa,达到设计标准，而露天养护试块只有39MPa。因此，冬期施工应采用棚内蒸汽养护来保障混凝土全龄期的力学性能正常发展。

5.4本章小结

1.通过热工计算确定各原材料合适温度值，为混凝土的冬期施工生产提供了保障。

2.采用棚内蒸汽养护措施可以使混凝土结构处于正温，其力学性能可以正常发展，并达到设计值。

6混凝土抗冻性能研究及优化提升

经过现场缩尺试验，确定采用砂石料、水、减水剂加热，搅拌车包裹保温棉、棚内蒸汽养护等措施可以保障混凝土结构的早期力学性能和长期耐久性。然而，由于棚内养护周期较长，现场边坡工程量较大，导致整体施工工期较长，物资设备使用周转率较低，工效有较大的提升空间。如果混凝土材料本身早期就具有早强、抗冻性的特性，早龄期就能达到设计标准的60%，那么预期可以大幅度提高混凝土结构冬期施工工效

，缩短蒸汽养护时间并节约成本[7]。

众多学者针对高原环境下混凝土抗冻性能提升已经开展了研究：郭永胜[8]对混凝土掺入适量的引气剂，明显改善混凝土的抗冻性能；王习，张云升等针对高原混凝土中掺入0.7%的抗冻增效剂替代10%水泥，成型的混凝土经历100个冻融循环后质量损失明显减少，细化了混凝土内部孔结构[9]；骆俊晖[10]利用超早强型细集料配制混凝土，只需6小时的预养护，混凝土强度均已超过幼龄抗冻临界强度,满足青藏高原地区昼夜温差施工要求。因此，在现阶段冬期施工养护措施的基础上，提出在原配合比中添加抗冻剂进一步提高混凝土的抗冻性能，保证混凝土在低温条件下强度的正常发展，为混凝土长寿命耐久性提供技术保障。

6.1探究抗冻剂对混凝土的性能影响，确定合适的掺量

提出通过掺入抗冻剂提高混凝土本身抗冻性能，抗冻剂在混凝土中的主要作用机理有：（1）提高砂浆、混凝土早期强度，缩短养护时间；（2）降低砂浆、混凝土中水分的冰点，在负温条件下，胶凝材料可以水化；（3）破坏冰的结构，冰在毛细孔中呈絮状结构，降低冻胀破坏的风险[10]。下表为选用抗冻剂的主要信息

表6.1-1 抗冻剂信息表

为探究抗冻剂在C40中的合适掺量，设计在原配合比基础上分别外掺水泥质量的2%，5%，探究其对混凝土性能的影响。

表6.1-2 C40原配合比外掺不同掺量的抗冻剂

编号	外掺抗冻剂
1	0
2	2%
3	5%

6.1.1探究抗冻剂对混凝土凝结时间的影响

表6.1-3 混凝土凝结时间

编号	初凝时间	终凝时间
1	8h	10h30min
2	7h30min	10h
3	7h	9h

掺入抗冻剂凝结时间有明显缩短，而且掺量越高，混凝土水化进程越快，初凝、终凝时间越短。抗冻剂地掺入起到了促进胶凝材料水化的作用。

6.1.2探究抗冻剂对混凝土工作性能的影响

表6.1-4 混凝土工作性能

编号	坍落度（mm)	扩展度（mm)	含气量
1	200	510	3.0%
2	200	500	3.4%
3	200	500	3.7%

外掺抗冻剂会使新拌混凝土浆体变粘稠，扩展度减少，掺量过多会影响混凝土的工作性能。另外，抗冻剂对混凝土有引气的效果，掺量越高，混凝土含气量越大。

6.1.3探究抗冻剂对混凝土早期、长期力学性能的影响

表6.1-5 混凝土早期、长期抗压强度

编号	2d抗压强度（MPa)	3d抗压强度（MPa)	5d抗压强度 （MPa)	7d抗压强度（MPa)	14d抗压强度（MPa)	28d抗压强度（MPa)	56d抗压强度(MPa）
1	27.9	31.7	38.6	44.4	46.2	52.0	53.3
2	30.4	35.1	41.5	45.9	50.1	55	60.4
3	30.9	36.2	39.0	40.8	42.7	51.4	50.7

抗冻剂对早期强度有明显提高，当抗冻剂掺量为水泥质量的2%时，混凝土5天可以达到设计强度，并且没有倒缩现象。而掺量为5%时，早期力学强度没有明显比2%掺量的高，并且力学性能在7天时有明显倒缩。综合新拌混凝土的工作性能和长期力学性能，确定抗冻剂在C40配合比中合适掺量为水泥质量的2%。

6.2 探究抗冻剂对混凝土抗冻等级的影响

本研究中采用GB/T 50082-2009中的快速冻融法，试件尺寸为100mm×100mm×400mm。试件在标准养护室中标养24d后，从标准养护室中取出，置于在（20±2）℃的水中浸泡4天，浸泡时水面应高出试件（20~30）mm，设定冻结温度为-10℃，融化温度为10℃。当试验出现以下两种情况之一时即可停止试验：（1）试件动弹性模量下降到60%以下；（2）试件重量损失率达到5%。

表6.2-1 混凝土抗冻性能

冻融循环次数	质量损失	相对动弹性模量	抗冻等级
400	4%	73.5%	>F400
500	5.3%	61.4%

由试验结果可知，抗冻混凝土的抗冻等级大于F400，小于F500，满足不同桥梁结构部位混凝土抗冻性能要求。掺入抗冻剂后，一定程度上改善了混凝土内部的微孔结构，且填充了部分连通孔隙，使混凝土更加致密，从而提高了抗冻性能。

6.3本章小结

1.在C40混凝土中外掺抗冻剂会使新拌混凝土浆体变粘稠，掺量过多会影响混凝土的工作性能。且抗冻剂掺量越高，混凝土早期力学强度越高，但后期强度会出现倒缩。确定了抗冻剂在C40配合比中合适掺量,成型的抗冻混凝土5天可以达到设计强度。

2.高原自然条件下的抗冻混凝土2~3天可达到C40设计强度的60%，抗冻等级高于F400，具有良好的应用前景，本研究结果可为高原铁路冬期建设提供可行性参考。

7总结及展望

本研究在高原高寒复杂的气候环境下，以边坡框架梁施工为载体，研究混凝土冬期施工工艺。以混凝土热工计算为理论依据，同环境下开展缩尺实验，验证混凝土热工计算结果。同时，研究混凝土在高原高寒复杂环境下的抗冻性能及优化提升。实验结果表明，冬期保温措施保障了混凝土力学性能正常发展，抗冻混凝土可缩短冬期蒸养时间，节约工期成本及提高物资机械周转率，使得海拔在+4000m以上的高原地区室外混凝土施工成为可能，具有较高的社会效益和经济价值。

参考文献

[1]Li N, Long G, Fu Q, et al. Effects of freeze and cyclic flexural load on mechanical evolution of filling layer self-compacting concrete[J]. Construction and Building Materials, 2019, 200: 198-208.

[2]龙广成,刘赫,马昆林等.考虑冻融作用的混凝土单轴压缩损伤本构模型[J].中南大学学报(自然科学版),2018,49(08):1884-1892.

[3]Wang J. Test and simulation of concrete surface factor under different wind speeds[J]. Construction and Building Materials, 2021, 300: 124019.

[4]苏爱斌,田波,王子豪等.不同环境对水泥混凝土早龄期水分蒸发效应的影响[J].新型建筑材料,2022,49(04):61-65.

[5]杨孟南.含水率变化对混凝土材料抗冻性能的影响研究[J].江西建材,2023,(08):31-33.

[6]杨帆,张友锋,余姚. 低温养护下矿物掺合料湿喷混凝土力学性能及配比优化研究[J]. 硅酸盐通报,2022,41（5）:1589-1598.

[7]唐中波;陈冬冬;邓怡彤;丁庆军;马双平;李进辉.高海拔地区抗冻机制砂混凝土的研究与应用[J].混凝土,2023,(08):187-192.

[8]郭永胜;周有禄.养护温度和外加剂掺量对混凝土强度及微观结构的影响[J].甘肃科技,2023,39(09):21-25.

[9]王习;张云升;张宇;乔宏霞;路承功;HAKUZWEYEZU Theogene;刘志超;李忠慧.CTF增效剂提升混凝土抗冻性能研究[J/OL].材料导报,1-15[2023-11-27]http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.TB.20230922.1347.018.html.

[10]骆俊晖;黄河;郝天之;刘豪斌;明阳.超细矿物掺合料对早强型细集料混凝土幼龄抗冻性能的影响分析[J].西部交通科.

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