据调查，在青藏高原多年冻土区，一年中出现正、负温交替次数可达18～25次。严寒的气候条件下若混凝土本身的配合比不合理，导致常见桥梁上下部病害，如主梁裂缝、墩台裂缝、混凝土剥蚀、脱落等。为此对低温下混凝土配合、养生等问题开展研究，从施工质量控制入手，为桥梁耐久性提供基础保障。

为研究不同低温下混凝土的初凝时间、终凝时间及其变化规律，考虑混凝土的配合比参数对凝结时间的影响，试验原材料参照实际施工原材料选取，试验设计混凝土配合比见表5—1。其中主要研究了20℃、0℃、－5℃和－10℃四种不同温度对混凝土初凝和终凝时间的影响规律，同时研究了混凝土配合比中水胶比、矿物掺合料和外加剂（减水剂、早强剂）对混凝土初凝和终凝时间的影响规律。

表5—1　混凝土配合比

1）低温环境对混凝土初凝、终凝时间的影响

（1）不同低温环境对凝结时间影响

低温环境下，混凝土凝结时间会受到较大影响，主要对在不同低温环境（20℃、0℃、－5℃、－10℃）混凝土凝结时间变化规律进行了研究，试验结果如图5—2、图5—3所示。

图5—2　环境温度对初凝时间的影响

图5—3　环境温度对终凝时间的影响

从试验结果可以明显看出，每组混凝土在不同低温环境下，随着环境温度的降低，混凝土初凝、终凝时间都是逐渐延长的。如对于A0组混凝土，在20℃环境下水泥水化较为迅速，初凝时间和终凝时间分别为46 min和57 min，随着温度降低，当环境温度在0℃时，水泥水化受到较大影响，初凝时间和终凝时间分别为89 min和113 min，比在室温环境下分别增加50%左右；当温度继续降低到－5℃时，混凝土初凝时间和终凝时间为122 min和143 min；当环境温度为－10℃时，混凝土初凝时间和终凝时间为171 min和194 min。这主要是由于温度对水泥水化这种化学反应的作用，温度降低，参加化学反应的物质活性下降，从而降低水化反应速率，进一步表现为凝结时间增加。

另外，还可以明显看出，随着温度降低，混凝土初凝时间和终凝时间的差值逐渐变大，出现这种现象的原因是低温环境对混凝土终凝的时间影响要比初凝时间影响大。在凝结初期，混凝土内部由于水化反应产生热量以及外部环境温度无法在短时间内影响混凝土内部温度，外部环境对初凝时间影响较小；初凝完成后，环境温度接近混凝土内部温度，混凝土中大部分水凝结成固态，凝结成固态的水无法参与水泥水化反应，凝结较为缓慢。

（2）外加剂对混凝土凝结时间影响

针对胶凝材料为320 kg/m3的混凝土配合比，研究不同减水剂用量在低温环境下混凝土凝结时间变的化规律，不同减水剂掺量对初凝和终凝时间影响规律如图5—4所示。

图5—4　减水剂在低温环境对混凝土凝结时间影响规律

由图5—4可知，减水剂的加入没有改变混凝土初凝和终凝时间随低温环境变化的整体规律，都是随着温度降低，混凝土初凝和终凝时间不断延长。从图中可以看出，减水剂掺量增加，混凝土初凝时间和终凝时间是延长的。在环境温度高于－5℃情况下，减水剂掺量对终凝时间影响要比初凝时间影响大，减水剂掺量从1%增加到2%，随着温度降低，初凝时间分别增大14.81%、12.75%和7.58%，终凝时间分别增大25.97%、15.67%和13.33%；环境温度为－10℃时，减水剂掺量从1%增加到2%，初凝时间增大18.57%，终凝时间增大20.82%。与－10℃环境温度相比，在环境温度不低于－5℃情况下，减水剂对凝结时间影响较小。

针对胶凝材料为320 kg/m3的混凝土配合比，研究不同早强剂用量在低温环境下混凝土凝结时间变的化规律，不同早强剂掺量对初凝和终凝时间影响规律如图5—5所示。

由图5—5可知，环境温度大于－5℃情况下，早强剂掺量增加，混凝土初凝时间和终凝时间都是减少的；环境温度在－10℃时，早强剂掺量增加，混凝土初凝时间和终凝时间没有明显变化。说明在施工中，早强剂不应低于－5℃环境使用。早强剂对混凝土初凝时间影响较大，原因是混凝土初始温度较高，早强剂能更好地发挥作用，随着混凝土温度逐渐接近外部环境温度，早强剂作用减弱。在施工过程中，为保证早强剂更好发挥作用，应尽量做好混凝土保温工作。

图5—5　早强剂在低温环境对混凝土凝结时间影响规律

（3）矿物掺合料对混凝土凝结时间影响

在相同胶凝材料用量情况下，研究掺加30%粉煤灰和矿粉对混凝土凝结时间的影响规律，试验结果如图5—6所示。

图5—6　矿物掺合料对混凝土凝结时间的影响规律

由图5—6可知，掺加矿物掺合料会增大混凝土初凝和终凝时间，且环境温度越高，矿物掺合料对混凝土凝结时间影响越大。环境温度为20℃时，掺加30%粉煤灰和矿粉后，混凝土初凝时间和终凝时间分别增加了18.87%和17.33%；当温度降低到－10℃时，掺加30%粉煤灰和矿粉后，混凝土初凝时间和终凝时间分别只增加8.16%和6.64%。说明温度降低，矿物掺合料对混凝土凝结时间影响变小。

（4）水胶比对混凝土凝结时间影响

针对胶凝材料用量为380 kg/m3的配合比，研究不同水胶比对混凝土初凝和终凝时间的影响规律，试验结果如图5—7所示。由图5—7可知，随着水胶比增大，混凝土初凝时间和终凝时间略有延长，但不明显，只有低温环境下水胶比对混凝土凝结时间稍有影响。出现这种现象的原因是在单位体积混凝土中水泥用量相同时，水胶比低意味着混凝土用水量低，在较短时间内水泥水化产物可在浆体中累积到一定浓度，使浆体达到一定密实度，表现为水泥凝结时间较快。本项目水胶比大于0.25，属于高水胶比，即使两组水胶比存在一定差异，但是混凝土中仍有足够水分进行水泥水化反应。

图5—7　不同水胶比对混凝土凝结时间影响规律

2）低温条件下桩基混凝土配合比指标(www.daowen.com)

（1）水胶比对桩基混凝土性能的影响

通过水胶比对抗压强度和抗冻性能的影响规律研究，对于低温环境下桩基混凝土水胶比而言，为保证其较好的强度性能和抗冻性能，建议其水胶比不大于0.45。

（2）胶凝材料用量对桩基混凝土性能的影响

通过研究胶凝材料对抗压强度和抗冻性能的影响规律，在低温环境下桩基混凝土配合比中胶凝材料用量参数的选择时，建议其不低于380 kg/m3。

（3）矿物掺合料对桩基混凝土性能的影响

通过研究矿物掺合料对混凝土抗压强度和抗冻性能的影响规律，对桩基混凝土来说，须采用粉煤灰和硅灰复掺，同时发挥粉煤灰和硅灰优势，实现两种不同矿物掺合料的优势互补。同时，考虑硅灰的掺入对混凝土流动性能有显著地降低作用，建议采用10%粉煤灰和5%硅灰复掺。

（4）减水剂对桩基混凝土性能的影响

根据聚羧酸减水剂和萘系减水剂对混凝土抗压强度和抗冻性能的试验结果，为了保证桩基混凝土具有良好的工作性能、力学性能，以及服役期的耐久性能，建议使用聚羧酸减水剂。

（5）早强剂对桩基混凝土性能的影响

根据三乙醇胺和亚硝酸钙早强剂对混凝土抗压强度和抗冻性能的试验结果，为了保证桩基混凝土具有良好的早强要求，以及后期的力学耐久性能，建议使用亚硝酸钙早强剂。

3）低温环境下适宜的混凝土施工养生技术

（1）低温环境下混凝土施工技术问题

高原冻土区的自然环境是极其恶劣的。极低气温、冻融交替、强烈辐射、干旱气候和大风环境等不利条件都对混凝土施工质量造成了不利影响。具体涉及以下技术问题：在低温环境条件下混凝土硬化问题；混凝土中水泥水化放热对冻土的热影响；混凝土内外温差过高引起混凝土开裂问题；混凝土在养护期间的失水问题。

由此可见，高原多年冻土区如何选取既能保证混凝土质量，又经济易行的施工方法，是摆在广大施工技术人员面前的现实问题。因此，应通过对混凝土的计算和分析，确定合理的混凝土施工温度和湿度控制施工工艺和养护方法，并最终达到以下目标：

①确保混凝土在负温条件下能够持续硬化不受冻，并且在规定的时间内获得所需的强度和耐久性。

②尽量减少混凝土对冻土的热影响。

③确保混凝土在水化过程中不因为环境因素致使混凝土因内外温差过高，导致混凝土开裂。

④尽量减少混凝土在养护期间的水散失。

（2）高原冻土区混凝土施工温度控制措施

对于高原冻土区低温条件下混凝土拌和物温度的控制措施，建议按环境温度的不同而采取不同的措施。具体如下：

①当环境气温为－15℃时，如暖棚温度为0℃，则不但要加热水，还要加热沙子；暖棚温度为5℃，若混凝土运输时间在45 min以上时，需要加热沙子；暖棚温度为10℃以上时，只需要加热水，沙子只需提前在暖棚预热一下，而不需要加热。

②当环境气温为－10℃时，如暖棚温度为0℃，则不但要加热水，还要加热沙子；暖棚温度为5℃，当混凝土运输时间在30 min以内时，需要提前将沙子运入暖棚；混凝土运输时间在30 min及以上时，沙子温度必须达到与暖棚相同的温度；暖棚温度为10℃以上时，只需要加热水，沙子只需提前在暖棚预热一下，而不需要加热。

③当环境气温为－5℃时，如暖棚温度为0℃，混凝土运输时间较短，则只需要加热水，运输时间在0.5～0.75 h之间，还需要提前将沙子运入暖棚，达到和暖棚相同的温度；运输时间在0.75 h以上时，还需要加热沙子；暖棚温度为5℃，只要运输时间不超过45 min，就只需要加热水；暖棚温度为10℃以上时，只需要加热水。

④环境气温为0℃时，只需要加热水。

因此，当环境气温在－15～－10℃时，以暖棚温度为15℃左右为宜，如混凝土运输时间较长（45 min以上），则提前将沙子运入暖棚稍稍预热一下即可；环境气温在－10～－5℃，暖棚温度以10℃为宜；环境气温在－5～0℃，则暖棚温度以5℃左右为宜，但混凝土运输时间宜控制在45 min左右；当环境气温在0℃及以上时，不需要搭建暖棚，只需要对拌和水进行适当加热；当环境气温在5℃及以上时，不需要任何加热措施，混凝土的入模温度也能达到5℃以上。

相关研究表明，混凝土的入模温度由5℃提高到10℃，混凝土温度下降延续的时间变化很小，即混凝土入模温度对降温时间的影响可以忽略不计。因此，应该改变以往冬季混凝土施工强调加热原材料拌制“热混凝土”以自体御寒的做法；更合理的做法是拌制“低温混凝土”，强调体外保温以达到抗冻临界强度。混凝土拌制温度低时，其拌和用水量较低，和易性好，流动性大，有利于混凝土浇筑均匀密实和混凝土的耐久性，也有利于增强混凝土的抗裂性。减少拌和用水意味着增加骨料含量，这又可减低混凝土的干缩性。也就是说，低温混凝土不仅可以减少温缩裂缝和干缩裂缝，还能提高混凝土的耐久性。

（3）高原冻土区混凝土施工养护措施

养护是混凝土拌和物经密实成型后，保证水泥能正常完成早期水化反应，演变成水泥石结构，以便获得预定的物理力学性能和耐久性能所采取的工艺控制措施。它是获得优质混凝土的关键工艺之一。由于高原冻土区环境温度较低，混凝土的养生工艺显得尤其重要。

高原多年冻土区混凝土施工养护措施的选择主要应综合考虑自然条件、混凝土结构特点、原材料情况、能源供给状况、工期限制和经济指标等因素。由于高原多年冻土区施工工地一般较为偏远，多数工地交通不便，无电力供应，所以对工期要求不紧和无特殊限制的混凝土结构，从节约能源和降低施工费用着眼，应优先考虑选择蓄热法、综合蓄热法和负温法等不加热的养护施工方法。但是，由于高原多年冻土区一年中适宜混凝土施工的时期较短，一些地段如果不采取加热养护，则无法保证工程质量。另外，一些工程有工期限制，特别是新建大型公路工程或者集中改造桥梁工程，如果不实施加热养护就无法连续作业。在这些情况下，应考虑暖棚养护法、蒸汽养护法等加热养护施工方法。通常要经过技术经济分析比较才能确定。

合理的施工养护方案，首先应当在能避免混凝土早期受冻前提下，用最低的施工费用，在最短的施工期内，能获得优良的混凝土施工质量。也就是在施工质量、施工期限、施工费用三方面综合考虑选择的方案。