冬季施工条件下混凝土养护方法与性能提升研究

随着城市建设的不断推进，混凝土结构在低温环境下的应用日益广泛，特别是在东北、西北等高寒地区，冬季施工已成为工程项目中常态化的施工阶段。然而，冬季的严寒气候条件对混凝土施工提出了严峻挑战。低温不仅抑制了水泥的水化反应，影响早期强度的形成，还可能在混凝土尚未形成足够结构强度前，因冻胀作用导致裂缝和结构破坏。此外，冻融循环频繁的环境会加速混凝土的劣化，降低其使用寿命。在这一背景下，寻找合理有效的冬季混凝土养护方法，并提升其早期及长期性能，成为亟需解决的技术难题。通过改进养护方式、引入合适的外加剂及优化施工组织管理，有望在保障工程质量的同时，提高冬季施工的效率与安全性。

一、冬季环境对混凝土性能的影响

（一）低温对水化反应的影响

水泥的水化反应在温度较低时会明显减缓，特别是在冬季施工环境中，气温往往长时间处于 0% 甚至更低，对混凝土早期性能发展极为不利 [1]。当环境温度低于 5℃时，水泥熟料中的主要矿物组分如三硅酸钙（C ₃ S）和二硅酸钙（C ₂ S）水化速度显著下降，水化放热过程减缓，致使混凝土内部热量难以积聚，从而无法形成足够的早期强度以抵御外部荷载或低温冻害。相关试验数据显示，当养护温度由20℃降至0℃时，混凝土7 天抗压强度平均下降幅度超过 30% ，且水化产物生成显著不足。尤其在 -5℃以下，尚未完成水化的毛细孔隙内游离水会迅速结冰，导致毛细结构膨胀变形，进一步阻碍后续的水化反应，不仅影响强度形成，还可能埋下结构微裂纹的隐患，严重时导致耐久性大幅下降。

（二）冻融循环对混凝土结构的破坏

冻融循环是寒冷地区混凝土结构长期使用过程中最主要的劣化机制之一。在温度反复变化的条件下，混凝土内部毛细孔隙中的水在结冰和融化过程中不断发生体积变化，冻结时膨胀量可达 9% 。这种反复膨胀与收缩会导致微裂纹的持续扩展，破坏混凝土的内部密实性和力学结构。冻融作用不仅削弱了混凝土的抗压性能，同时显著降低其抗渗性、抗剥蚀性和与钢筋之间的粘结强度。工程经验表明，若混凝土在达到 5MPa 以上的临界抗冻强度之前即遭受负温环境侵袭，其结构损伤往往为不可逆，后期修复难度大、代价高。尤其是吸水率较大的普通混凝土或未掺引气剂的混凝土，在经受 50 次标准冻融循环后，其抗压强度普遍下降 20% ～40%，结构表面出现剥蚀、粉化现象，使用寿命严重缩短。

（三）早期强度不足带来的施工风险

混凝土早期强度是决定其能否及时拆模、继续施工或承载外部荷载的关键指标。冬季低温条件下混凝土水化迟缓，导致其在预定时间内无法形成足够的强度 [2]。这种情况若处理不当，极易造成拆模时混凝土开裂、表层剥落、结构变形等问题。在垂直构件如柱、墙施工中，早期强度不足更会导致结构错位、轴线偏移等严重质量事故。一些基础施工中，因夜间降温突变导致混凝土冻结，出现蜂窝麻面和空鼓现象，后期需大量补强甚至返工，不仅增加工程成本，还可能影响结构安全性。此外，早强不足也迫使施工单位延长保温养护时间，提高热源配置，增加能耗，进一步推高冬季施工的综合成本。在大型基础设施项目中，这类问题若反复出现，还可能干扰整个工程的进度安排，造成合同延误与经济索赔。

二、冬季混凝土养护方法分析

（一）传统养护方法及其适用性分析

在冬季混凝土施工中，传统养护方法仍具有一定应用基础，主要包括蒸汽养护、覆盖保温和电热加热等手段。蒸汽养护通过在密闭环境中引入饱和水蒸气，实现快速升温，从而激活水泥水化反应，缩短养护周期。该方法多应用于预制混凝土构件厂或具备封闭施工条件的现浇结构中，其典型参数为升温速率≤ 20℃ /h，恒温阶段温度控制在 60±5^cC ，持续时间为 6～12 小时，随后缓慢降温。虽然蒸汽养护能大幅提升混凝土早期强度，但其能耗高，需配套蒸汽锅炉系统，对现场施工适应性较差，且不适用于体积大、散热快的现浇结构。

覆盖保温养护是现场施工中最常用的方式，使用材料包括草帘、毛毡、聚乙烯泡沫保温被等，将混凝土构件包裹，防止热量散失，同时依赖水化热维持内部温度。此方法操作简便、成本低，常见于桥梁面层、道路面板等结构。但其保温效果受环境温度波动影响较大，在连续低温或风力较强条件下难以保持稳定养护温度，存在强度发展不均的问题。

电热养护方式如电热毯、电热电缆系统，可提供稳定热源，适用于板面、柱脚、梁端等局部区域加热，其控温精度高，可实现恒温养护。但因设备成本较高、覆盖面积有限，且存在电源布设及安全管理难题，不宜大面积推广，仅适合辅助性使用或局部特殊节点。

（二）新型保温与加热材料的应用

为弥补传统养护手段在保温时效性与能耗上的缺陷，新型节能保温材料与加热技术在近年冬施中逐渐推广。复合保温被已由早期单一保温层材料发展为多层结构，例如内层采用聚乙烯发泡材料，中间夹有铝箔反射膜，外层使用防水无纺布，整体热阻可达 0.5～0.6m²⋅K/W ，有效降低热损耗，提升混凝土表层温度保持能力。该类材料常用于高架桥箱梁、市政道路面层及构造柱养护，施工便捷，重复利用率高。

相变储热材料则借助其熔融 - 凝固过程中的潜热释放特性，在温度下降期间稳定混凝土周边热环境。例如石蜡基材料的相变点可调节在20℃左右，配合柔性包裹系统形成被动热控层。在寒区某地铁车站工程中，通过嵌入相变保温层，使混凝土降温速率降低约 30% ，夜间最低温由-4℃控制至 0% 以上，有效避免了负温冻害。

此外，自发热混凝土技术正在试验研究阶段，通过在拌合物中加入MgCl ₂、CaCl ₂等可控反应组分，与高铝水泥或特种水泥反应释放热量，实现混凝土自身升温。这类方法在小型预制构件或地下浅埋管廊等空间受限部位具备潜力，但需严格控制放热速率与剂量，以防早期开裂或反应不均。

（三）化学外加剂在冬季养护中的作用

为补偿低温对水化反应的不利影响，外加剂在冬季混凝土中扮演关键角色。早强剂主要为氯盐类（如氯化钙）、硝酸盐类（如硝酸钙）或非氯型复合早强剂，掺量一般控制在胶凝材料质量的 1%～2% 。氯化钙虽早强效果显著，可使 3 天抗压强度提高 30%～50% ，但对钢筋存在腐蚀风险，仅适用于非结构构件或采取防腐措施的部位。硝酸钙则兼具早强与一定的防冻功能，安全性更高[3]。

防冻剂主要通过降低混凝土中水的冰点，使水泥水化得以在 0% 以下继续进行。典型复合型防冻剂包括 NaNO ₂ ：+Na ₂ SO ₄体系、醋酸盐+ 碳酸盐体系，掺量一般为胶凝材料的 4%～8% ，可实现在 -5℃环境中 3 天达到 10 MPa 以上强度要求。若配合保温养护措施使用，可保障冬季混凝土的安全硬化与早期强度形成。

引气剂通过在混凝土中形成均匀、封闭、稳定的小气泡（0.01–0.2mm），改善其抗冻性和泌水性能。其掺量控制在质量比的 0.01%～0.03% 范围，空气含量一般维持在 4%～6% 。研究表明，合适的引气量可显著提升混凝土抵抗冻融破坏的能力，抗冻等级可由F50提高至F200以上，尤其适用于暴露在空气中或与水接触频繁的桥梁、护栏、挡墙等结构。

（四）不同养护方案对混凝土性能的对比实验

为验证不同养护手段在冬季环境中的效果，某市政道路工程组织了一组温控与性能测试试验，试验温度设定为 -5°C 、 0% 、5℃三档，分别选用覆盖保温、蒸汽养护、防冻剂掺合等三种养护方式，对 C30 等级混凝土进行养护强度与抗冻性能测试。

结果表明，常温下 7 天抗压强度平均为 26MPa ，掺 5% 复合型防冻剂的混凝土在 -5℃环境下仍能达到 18MPa ，强度保持率约为 70% ，满足结构承载要求；而单纯采用覆盖保温的混凝土，在相同温度条件下仅达 12 MPa，强度发展明显不足。蒸汽养护组在受控密闭环境中表现最佳，7 天强度达到24 MPa，接近常温养护水平。

在抗冻性测试方面（按标准冻融循环 50 次），引气剂 + 防冻剂复合掺合组的质量损失率低于 1.5% ，抗压强度下降不足 10% ，表现显著优于非引气组（质量损失超 3% ）。试验验证了外加剂与保温措施的协同效应，并指出复合养护技术路径在严寒条件下更具实际推广价值。

三、提升冬施混凝土性能的综合技术路径

（一）优化混凝土配合比设计

配合比优化是提高冬季混凝土抗寒能力与施工可行性的核心手段。在低温环境中，水泥水化受阻，因此需通过调整材料比例和原料温度来补偿温度不足对水化反应的影响 [4]。推荐将水胶比控制在 0.40–0.45 之间，以减少毛细孔隙率，增强早期强度和抗冻性能。同时，提高水泥用量至 350-400kg/m³ 可增加水化热释放，有助于维持混凝土内部温度。

矿物掺合料的选择应优先考虑活性高、早期反应能力强的材料，如 I 级粉煤灰、S95 级矿渣粉，掺量以不超过总胶凝材料的 30% 为宜，避免使用含有较多玻璃体或潜在火山灰活性的延迟反应材料，以防影响早期强度发展。骨料方面，拌合前应在温控库或通过热风设备加热处理，确保骨料入机温度不低于5℃，防止“冷骨料”在拌合过程中吸收水化热，导致拌合物温度过低。

为提升混凝土的可泵性与保水性，需选用聚羧酸系高性能减水剂，其掺量一般控制在 0.8%～ 1.2% ，可在保证工作性的同时有效降低用水量，改善混凝土密实度和抗渗性能。此外，还可辅以适量引气剂或保塑剂，使混凝土拌合物在低温下保持良好的和易性及抗离析能力。

（二）基于环境监测的智能养护系统

针对冬季施工养护管理的实时性与精细化需求，智能养护系统成为当前工程实践中的有效手段。该系统通常由内嵌传感器、数据采集终端、自动控温装置和远程数据平台组成，能对混凝土内部和环境温湿度进行全天候实时监控。

热电偶温度传感器可预埋于混凝土构件核心及表层位置，结合无线记录器每 10～30 分钟记录一次温度数据，形成完整的热历程记录。

数据上传至监控中心后，可通过软件系统对温升曲线进行分析，自动判断是否处于养护临界温度区间。遇有温度异常时，系统可联动启动电加热设备、热风幕系统或发出报警提示，指导现场调整保温措施。

在某寒区高速桥梁项目中，通过布设 8 个温度监测点，实现对桥梁墩柱、盖梁和桥面连续温控管理。项目团队结合数据分析，对保温被覆盖层厚度、夜间加热时间段进行了动态调整，显著降低了失温风险，保证了混凝土结构不发生负温冻结，确保了施工进度与质量双达标。

（三）施工组织与管理的协同提升

冬季混凝土施工的技术保障离不开周密的施工组织与高效的现场管理。首先，必须根据气象资料和工程结构类型，制定科学的冬季施工专项方案，内容应涵盖温度等级分类、施工时段安排、保温加热措施、外加剂使用指导以及应急预案等 [5]。现场应设置保温物资储备区，所有骨料、水泥、外加剂须进入预热仓储系统，防止材料冻结或温度过低影响拌合效果。

混凝土运输宜采用带有保温层的搅拌车，控制运输时间不超过 30分钟，确保入模温度 gtrsim10% 。现场浇筑后应立即覆盖保温层，并按照结构形状布置温度监测点，确保混凝土在前72 小时内不低于5℃。此外，钢筋工程中严禁在未达强度前加荷或支撑拆除，模板拆除时间必须结合强度实测结果。

冬施施工人员需经过专项培训，包括低温下材料性能识别、仪器操作、应急处理等内容。养护过程中应安排专职技术员轮岗值守，重点对夜间温控、加热设备运行和湿度变化进行巡检记录，确保养护连续性、系统性，避免因人为疏忽造成结构早期损伤。

总结：冬季施工条件下，低温环境对混凝土的水化反应、早期强度和耐久性能造成显著不利影响，养护不当极易引发结构冻害、裂缝与施工质量事故。通过系统分析传统与新型养护方式的适用性，研究表明，单一保温措施难以满足严寒条件下混凝土性能要求，而复合养护手段与化学外加剂的协同应用可有效改善其早期强度和抗冻性能。此外，配合比优化、智能养护监测系统的应用以及施工组织的系统提升，对保障冬季混凝土质量具有重要意义。未来冬施混凝土应朝着高性能材料、智能控制与绿色节能方向发展，以适应更加严苛的工程需求与环境挑战。

参考文献

[1] 王世亮 ， 苏永军 ， 陈警 ， 等 . 基于正交试验的冬季施工大体积混凝土性能研究 [J]. 黑龙江水利科技 ，2025，53（05）： 1-4+18 .

[2] 陆旭， 李学一. 浅析低温环境中建筑工程混凝土施工技术[J].四川水泥 ，2023，（06）：162-163+166.

[3] 文佳 . 冬季混凝土施工技术及预防措施 [J]. 科技与创新 ，2023，（04）：112-114.

[4] 朱世明 . 混凝土冬期施工技术优化改进措施 [J]. 建筑技术开发 ，2021，48（22）：162-164.

[5] 曹海军 . 交通公路工程混凝土防冻措施及施工控制 [J]. 运输经理世界 ，2021，（14）：99-101.