C100高性能混凝土在凍結(jié)井筒井壁中的應(yīng)用

王 恒，郭君華

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

自從1955年我國引入凍結(jié)法施工工藝后，已施工超過1 100條井筒[1-2]。由于凍結(jié)工藝的特殊性，在深厚沖積層井筒凍結(jié)中，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)和井幫的溫度過低，不利于混凝土井壁早期強度增長，同時增大了凍脹對新筑井壁的壓力值、縮短了新筑井壁承受凍結(jié)壓力的來壓時間，易造成新筑井壁早期被壓酥，留下結(jié)構(gòu)性破壞隱患[3-6]。黏性土層井幫溫度過高，易造成壁后凍土融化范圍增大，一方面削弱了凍結(jié)壁對井壁合理、有效的圍抱；另一方面增大了壁后凍土融化回凍的凍脹力，易造成深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的中淺部井壁在凍結(jié)壁回凍過程中被壓裂[7-11]。

我國首次穿過700 m沖積層的萬福礦主、副、風3個井筒，均出現(xiàn)了200 m深度以下的外層井壁壓壞問題，影響了外層井壁施工安全、質(zhì)量和施工速度[12-16]。對于穿過深厚沖積層的凍結(jié)井筒，凍結(jié)鑿井難度大，凍結(jié)壁溫度場和井幫溫度控制難度非常大，混凝土澆筑環(huán)境溫度復(fù)雜，凍結(jié)壁與井壁溫度場耦合結(jié)果直接影響到混凝土早期強度增長[17-22]。國內(nèi)科研院所從混凝土組成材料入手[23-25]，展開了C70～C90高強度混凝土的研究，以滿足深凍結(jié)井筒的井壁早強、抗壓等需求[26-31]。

混凝土溫度變化對井壁早期強度增長和受力關(guān)系密切，對混凝土井壁質(zhì)量影響很大，因此需要試驗并監(jiān)測凍結(jié)壁溫度場、井幫溫度、混凝土原材料及混凝土配合比對C100高性能混凝土溫度變化的影響狀況，調(diào)控凍結(jié)壁溫度場，并消除原材料、配合比、施工工藝中對混凝土固結(jié)過程溫度變化不利的影響因素，實現(xiàn)凍結(jié)法鑿井安全快速施工和高強高性能混凝土井壁施工的最佳效果[32-34]。

1 應(yīng)用工程簡介

趙固二礦西風井井筒凈直徑6.0 m，井筒設(shè)計深度914 m（含井底水窩12 m），其中井筒穿過表土層厚度為704.6 m，凍結(jié)深度為783 m。凍結(jié)段采用雙層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，基巖段為單層井壁結(jié)構(gòu)，混凝土強度C50～C100，井壁設(shè)計厚度800～1 950 mm。趙固二礦西風立井井筒凍結(jié)段外壁設(shè)計5次變徑，分別位于-190、-298、-420、-532、-720 m，井壁設(shè)計厚度及混凝土標號見表1。

表1 趙固二礦西風井井壁設(shè)計厚度及混凝土標號Table 1 The designed thickness and concrete of the west wind shaft wall in Zhaogu No.2 Mine

趙固二礦西風井是我國第4個穿過700 m沖積層的井筒。該井筒是我國井筒設(shè)計中首次大規(guī)模應(yīng)用C100高性能混凝土，是C100高性能混凝土真正意義上的礦井建設(shè)工程應(yīng)用。

結(jié)合井壁C100混凝土設(shè)計深度，選取相應(yīng)控制層位，監(jiān)測、分析凍結(jié)壁形成特性和井幫溫度變化趨勢，判斷掘砌至控制層位時凍結(jié)壁與混凝土井壁的溫度場耦合狀態(tài)，分析判斷對混凝土溫度變化、壁后凍結(jié)壁融化范圍、井壁受力狀態(tài)的影響。

2 C100 高性能混凝土原材料選取

趙固二礦高強高性能混凝土的應(yīng)用基于趙固一礦西風井成功應(yīng)用，考慮到大規(guī)模應(yīng)用C90～C100高性能混凝土，難點在于混凝土攪拌和澆筑的工程管理和質(zhì)量控制方面。

2.1 水泥的選取

制備高性能混凝土的水泥必須具有良好的流變學性能和較高的28 d強度，包括摻加適量的外加劑，在運輸和澆筑過程可以控制坍落度損失，并且有適宜的凝結(jié)時間，以便較快的脫模。

經(jīng)過多年的實踐驗證，太細的水泥對混凝土后期強度不利；水泥太粗，混凝土的需水量小，早期強度會低。一些標準規(guī)范規(guī)定水泥的比表面積控制在300～350 m2/kg。經(jīng)過多年的實踐，制備高強高性能混凝土的水泥的比表面積一般控制在350 m2/kg左右較為適宜，同時，對制備C60及以上強度等級的混凝土，水泥的28 d膠砂強度不宜低于50 MPa。

在考慮各種水泥的情況后，選定河南孟電集團水泥有限公司生產(chǎn)P.II52.5硅酸鹽水泥作為C100原料，P.II52.5水泥強度指標見表2。

表2 P.II52.5水泥強度指標Table 2 P.II52.5 cement strength test

2.2 骨料的選取

骨料在混凝土中約占3/4，是混凝土的主要組成部分，正確的選擇骨料的品種，符合有關(guān)技術(shù)標準的要求，是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)。高強高性能混凝土由于水膠比小，隨水泥強度的提高，骨料的差異對混凝土的抗壓強度影響很大。

C100混凝土配置粗骨料選用玄武巖碎石，巖石抗壓強度為148 MPa，壓碎值指標10%，玄武巖碎石的顆粒級配見表3。碎石在使用前必須沖洗干凈，含泥量≤0.5%。

表3 玄武巖碎石的顆粒級配Table 3 Granule gradation of basalt aggregates

配制C80及以上強度等級混凝土首選細度模數(shù)2.6～3.0的優(yōu)質(zhì)河砂，砂的含泥量和泥塊含量分別不大于2.0%和0.5%。但由于優(yōu)質(zhì)的河砂資源越來越缺乏，有的地區(qū)因為河流稀少，沒有優(yōu)質(zhì)河砂，可選用機制砂。當采用機制砂時，石粉亞甲藍（MB）值應(yīng)小1.4，石粉含量不應(yīng)大于5%，壓碎指標值應(yīng)小于25%。趙固二礦西風井選取河南地區(qū)機制砂，機制砂細度模數(shù)2.8，符合GB/T 14684—2011標準顆粒級配2區(qū)的要求，機制砂的顆粒級配見表4，機制砂在使用前必須沖洗干凈，含泥量≤1.0%。

表4 機制砂的顆粒級配Table 4 Particle gradation of mechanical sand

2.3 外加劑

選用中國建筑材料科學研究總院研制的低溫早強保坍型聚羧酸鹽高性能減水劑。按GB 8076—2008標準進行性能檢測，在減水劑摻量0.5%、含固量40%條件下，聚羧酸鹽高性能減水劑性能指標見表5。

表5 聚羧酸鹽高性能減水劑性能指標Table 5 Performance index of polycarboxylate superplasticizer

混凝土拌合物性能按照GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行試驗；硬化混凝土參照清華大學路新瀛教授的NEL法，對混凝土進行了抗氯離子滲透性能試驗，并按照GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對混凝土進行了電通量、干燥收縮、抗?jié)B和快速凍融試驗。實驗采用混凝土-砂漿流變儀，通過儀器測量得到扭矩隨剪切速率的變化以及漿體的觸變性，研究不同級配機制砂對新拌高強混凝土流變性能的影響。

3 C100 混凝土配合比設(shè)計及主要性能參數(shù)

3.1 配合比設(shè)計思路

針對特厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)壁的特殊養(yǎng)護環(huán)境和施工條件，要求內(nèi)層井壁具有高耐久性、抗裂和防水性能，以防止凍結(jié)壁解凍后井壁出現(xiàn)較大漏水。同時由于深井凍結(jié)法施工混凝土內(nèi)壁屬于大體積混凝土施工，要求混凝土水化熱低，以防止井壁出現(xiàn)溫度裂縫。

在普通混凝土中，可使用膨脹劑來降低混凝土收縮，改善混凝土抗開裂性能，避免混凝土出現(xiàn)裂縫。但膨脹劑是通過生成大量的AFt來填充混凝土，使混凝土降低收縮或出現(xiàn)微膨脹。隨著混凝土強度的提高，混凝土的用水量降低，到水膠比0.3以下時，膨脹劑的功能逐漸失去，所以在C60～C100混凝土使用膨脹劑已失去效果。所以降低混凝土收縮，提高混凝土的抗開裂性能，必須尋找新的途徑。

水化熱控制，是通過減少混凝土中水泥的用量，增加礦物摻合料和S95礦粉的用量，盡可能不用或少用硅灰來降低混凝土的早期水化熱和總水化熱。

3.2 機制砂高性能混凝土配合比設(shè)計

機制砂混凝土配合比設(shè)計采用高性能混凝土設(shè)計的理念，按工作性設(shè)計要求其坍落度大于180～220 mm，且黏性較低，和易性良好。根據(jù)配制河砂高性能混凝土的經(jīng)驗，C100機制砂混凝土初步確定混凝土密度為2 420～2 520 kg/m3，膠凝材料用量510～615 kg/m3，水膠比0.21～0.32。根據(jù)原材料性能，C100選用P.II52.5水泥及強度更好的玄武巖碎石，在滿足混凝土性能要求前提下，減水劑選用效果更好的JF-C型。C100混凝土初步配合比見表6，混凝土拌合物性能見表7。

表6 混凝土配合比設(shè)計Table 6 Concrete mix design

表7 混凝土拌合物性能Table 7 Performance of concrete mixture

綜合考慮混凝土性能及成本影響，確定3#配比為C100機制砂混凝土配合比的基本參數(shù)。

3.3 C100機制砂混凝土性能參數(shù)

1）抗壓強度。按表6中3#配合比，實地抽取現(xiàn)場原材料進行試驗，混凝土強度試驗結(jié)果如圖1。標養(yǎng)條件下，混凝土的早期強度較高，混凝土的后期強度發(fā)展良好，早期強度的發(fā)展不影響后期強度增長?；炷猎?0 d后強度增長趨于平穩(wěn)，混凝土強度還是逐步緩慢增長，混凝土后期的強度發(fā)展則主要來自于粉煤灰等礦物摻合料的二次水化作用。

圖1 C100機制砂混凝土標養(yǎng)抗壓強度變化曲線Fig.1 Variation curve of the standardized compressive strength of C100 mechanical sand concrete

2）抗?jié)B性?；炷峡孤入x子滲透性能是評價混凝土密實性和抵抗?jié)B透能力的重要指標之一。采用NEL法對混凝土進行了抗氯離子滲透性能試驗。檢測數(shù)據(jù)表明：C100混凝土28 d電通量為96 C，NEL法的氯離子擴散系數(shù)均為25×10-14m2/s，說明混凝土具有良好的抵抗氯離子侵蝕的能力。與同期試驗的其他標號混凝土對比發(fā)現(xiàn)，隨著強度等級的提高，混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)均呈下降趨勢。

3）抗凍性。按照GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對混凝土進行快速凍融試驗?；炷量焖賰鋈?50次后，動彈性模量為85.6%，質(zhì)量損失為1.9%，說明混凝土具有很好的抗凍融破壞的能力。這主要是由于高強機制砂混凝土本身水膠比較低，硬化結(jié)構(gòu)體密實，總體而言，混凝土的強度等級越高，抗凍融的能力越強。

4）體積穩(wěn)定性。按照GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對混凝土進行干燥收縮試驗。干燥收縮試驗表明，混凝土28、60、90 d的干燥收縮率分別為2.83×10-4、3.46×10-4、3.82×10-4，干燥收縮率較小，能降低混凝土的破裂的風險。

5）水化熱。實驗室條件下未得到水化熱的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，以現(xiàn)場監(jiān)測為參考。

4 C100 混凝土工程應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場井壁原料管理

作為首個應(yīng)用C100混凝土作為井壁澆筑材料的礦井，趙固二礦西風井共設(shè)計72 m外層井壁及40 m內(nèi)壁使用C100高性能混凝土（表1）。原材料從進場開始嚴把質(zhì)量關(guān)，水泥及外加劑均選用同一批次加工成品，水源無變化，粗細骨料從河南省及周邊省份選取最優(yōu)強度及級配原料進場。受限于骨料原產(chǎn)地產(chǎn)能及運輸，將最優(yōu)品質(zhì)的骨料作為C100混凝土原材料，其他用于相對低標號混凝土拌制。

為減少骨料純度對混凝土性能的不利影響，施工現(xiàn)場將用于C100高性能混凝土的石子、砂子全部水洗、風（曬）干，以降低原材料中石粉及其他雜質(zhì)的影響，同時避免水洗造成含水量偏高。嚴格按照表6確定的3#配合比設(shè)計進行原料投放，冬季采用溫水攪拌，攪拌過程無特殊處理，采用灰罐輸送+溜灰管方式進行混凝土井壁的澆筑，保證混凝土入模溫度控制在18～20℃。

4.2 C100高性能混凝土水化熱監(jiān)測

為驗證C100混凝土水化熱性能，并預(yù)測凍結(jié)段壁間注漿時機，西風井采取了埋設(shè)溫度測點來驗證的方法[35-37]。井筒開挖期間井幫溫度實測值曲線如圖2，從圖2中可知，凍結(jié)段井壁溫度約為-10～-16℃，空氣溫度約5℃，實現(xiàn)了凍結(jié)設(shè)計方案確定的井幫溫度調(diào)控目標。

圖2 C100高性能混凝土段井壁澆筑環(huán)境溫度Fig.2 Ambient temperature for wall casting of C100 high performance concrete section

2019年1月22日埋設(shè)-692 m深度測溫電纜，土層為砂質(zhì)黏土和鋁質(zhì)黏土層，對應(yīng)混凝土標號為C100，外層井壁厚1 000 mm；2019年1月24日埋設(shè)-695 m深度測溫電纜，土層為砂質(zhì)黏土（含礫石）層，對應(yīng)混凝土標號為C100，外層井壁厚1 000 mm。井壁內(nèi)溫度變化特性實測結(jié)果如圖3。

圖3 C100混凝土外層井壁溫度實測Fig.3 Temperature of the outer shaft wall of the C100 concrete

由圖3可知，-692 m水平砂質(zhì)黏土層外層井壁混凝土入模溫度約為18℃，澆筑后約36 h井壁中心部位混凝土溫度達到峰值48℃；-695 m水平砂質(zhì)黏土（含礫石）層外層井壁混凝土入模溫度約為20℃，澆筑后約35 h井壁中心部位混凝土溫度達到峰值50℃。根據(jù)后續(xù)持續(xù)監(jiān)測，C100混凝土澆筑34.2 d后外層井壁全部進入負溫。

井壁澆筑3、7、28 d井壁平均溫度分別為38.05、18.6、1℃，結(jié)合圖1可看出，C100混凝土在澆筑后抗壓強度增長可以7 d為界，前7 d為強度迅速增長階段，抗壓強度迅速增長至100 MPa以上，7 d后為緩慢增長階段，28 d強度增長至117.8 MPa且后期持續(xù)緩慢增長。井壁溫度與抗壓強度相適應(yīng)，同時在井壁澆筑脫模后，對井壁實施噴淋措施，保證了混凝土前期良好的養(yǎng)護環(huán)境和發(fā)展條件。

4.3 C100混凝土取樣強度實測

根據(jù)施工井壁澆筑混凝土取樣檢測，井壁混凝土強度檢測結(jié)果見表8。

由表8可以看出，2個取樣層位的C100混凝土強度均超過設(shè)計要求，總體超過GB 50213—2010《煤礦井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范》對井巷工程混凝土強度的最低要求為設(shè)計強度的1.15倍的更高標準。

表8 井壁混凝土強度檢測結(jié)果（28 d）Table 8 Test results of borehole concrete strength（28 d）

5 結(jié)論

1）在設(shè)計配合比條件下，標準養(yǎng)護條件下的C100混凝土7 d抗壓強度超過100 MPa，養(yǎng)護90 d后抗壓強度超過123 MPa。

2）C100混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)均較低，表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性，混凝土快速凍融450次后，動彈性模量為85.6%，質(zhì)量損失為1.9%，表明C100混凝土具有很好的抗凍融破壞的能力。

3）C100高性能混凝土在澆筑35～36 h后水化熱溫度達到峰值，峰值溫度約為50℃，C100混凝土澆筑7 d后井壁平均溫度約為22℃，為混凝土早期強度的發(fā)展提供了有利條件。