王 恒，郭君華

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

自從1955年我國(guó)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(qiáng)度增長(zhǎng)，同時(shí)增大了凍脹對(duì)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(shí)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(duì)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(guó)首次穿過700 m沖積層的萬福礦主、副、風(fēng)3個(gè)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)耦合結(jié)果直接影響到混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)[17-22]。國(guó)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(qiáng)度混凝土的研究，以滿足深凍結(jié)井筒的井壁早強(qiáng)、抗壓等需求[26-31]。

混凝土溫度變化對(duì)井壁早期強(qiáng)度增長(zhǎng)和受力關(guān)系密切，對(duì)混凝土井壁質(zhì)量影響很大，因此需要試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)、井幫溫度、混凝土原材料及混凝土配合比對(duì)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(chǎng)，并消除原材料、配合比、施工工藝中對(duì)混凝土固結(jié)過程溫度變化不利的影響因素，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)法鑿井安全快速施工和高強(qiáng)高性能混凝土井壁施工的最佳效果[32-34]。

1 應(yīng)用工程簡(jiǎn)介

趙固二礦西風(fēng)井井筒凈直徑6.0 m，井筒設(shè)計(jì)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(qiáng)度C50～C100，井壁設(shè)計(jì)厚度800～1 950 mm。趙固二礦西風(fēng)立井井筒凍結(jié)段外壁設(shè)計(jì)5次變徑，分別位于-190、-298、-420、-532、-720 m，井壁設(shè)計(jì)厚度及混凝土標(biāo)號(hào)見表1。

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

趙固二礦西風(fēng)井是我國(guó)第4個(gè)穿過700 m沖積層的井筒。該井筒是我國(guó)井筒設(shè)計(jì)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(jì)深度，選取相應(yīng)控制層位，監(jiān)測(cè)、分析凍結(jié)壁形成特性和井幫溫度變化趨勢(shì)，判斷掘砌至控制層位時(shí)凍結(jié)壁與混凝土井壁的溫度場(chǎng)耦合狀態(tài)，分析判斷對(duì)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(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用基于趙固一礦西風(fēng)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(diǎn)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(xué)性能和較高的28 d強(qiáng)度，包括摻加適量的外加劑，在運(yùn)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(shí)間，以便較快的脫模。

經(jīng)過多年的實(shí)踐驗(yàn)證，太細(xì)的水泥對(duì)混凝土后期強(qiáng)度不利；水泥太粗，混凝土的需水量小，早期強(qiáng)度會(huì)低。一些標(biāo)準(zhǔn)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(shí)踐，制備高強(qiáng)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(shí)，對(duì)制備C60及以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，水泥的28 d膠砂強(qiáng)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(tuán)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(qiáng)度指標(biāo)見表2。

表2 P.II52.5水泥強(qiáng)度指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的要求，是配制高性能混凝土的基礎(chǔ)。高強(qiáng)高性能混凝土由于水膠比小，隨水泥強(qiáng)度的提高，骨料的差異對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度為148 MPa，壓碎值指標(biāo)10%，玄武巖碎石的顆粒級(jí)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(jí)配Table 3 Granule gradation of basalt aggregates

配制C80及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土首選細(xì)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?yàn)楹恿飨∩?，沒有優(yōu)質(zhì)河砂，可選用機(jī)制砂。當(dāng)采用機(jī)制砂時(shí)，石粉亞甲藍(lán)（MB）值應(yīng)小1.4，石粉含量不應(yīng)大于5%，壓碎指標(biāo)值應(yīng)小于25%。趙固二礦西風(fēng)井選取河南地區(qū)機(jī)制砂，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.8，符合GB/T 14684—2011標(biāo)準(zhǔn)顆粒級(jí)配2區(qū)的要求，機(jī)制砂的顆粒級(jí)配見表4，機(jī)制砂在使用前必須沖洗干凈，含泥量≤1.0%。

表4 機(jī)制砂的顆粒級(jí)配Table 4 Particle gradation of mechanical sand

2.3 外加劑

選用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制的低溫早強(qiáng)保坍型聚羧酸鹽高性能減水劑。按GB 8076—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能檢測(cè)，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(biāo)見表5。

表5 聚羧酸鹽高性能減水劑性能指標(biāo)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(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)；硬化混凝土參照清華大學(xué)路新瀛教授的NEL法，對(duì)混凝土進(jìn)行了抗氯離子滲透性能試驗(yàn)，并按照GB/T 50082《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土進(jìn)行了電通量、干燥收縮、抗?jié)B和快速凍融試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用混凝土-砂漿流變儀，通過儀器測(cè)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(jí)配機(jī)制砂對(duì)新拌高強(qiáng)混凝土流變性能的影響。

3 C100 混凝土配合比設(shè)計(jì)及主要性能參數(shù)

3.1 配合比設(shè)計(jì)思路

針對(duì)特厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)壁的特殊養(yǎng)護(hù)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(shí)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(qiáng)度的提高，混凝土的用水量降低，到水膠比0.3以下時(shí)，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(jī)制砂高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)采用高性能混凝土設(shè)計(jì)的理念，按工作性設(shè)計(jì)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(yàn)，C100機(jī)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(qiáng)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(jì)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(jī)制砂混凝土配合比的基本參數(shù)。

3.3 C100機(jī)制砂混凝土性能參數(shù)

1）抗壓強(qiáng)度。按表6中3#配合比，實(shí)地抽取現(xiàn)場(chǎng)原材料進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1。標(biāo)養(yǎng)條件下，混凝土的早期強(qiáng)度較高，混凝土的后期強(qiáng)度發(fā)展良好，早期強(qiáng)度的發(fā)展不影響后期強(qiáng)度增長(zhǎng)。混凝土在60 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)，混凝土強(qiáng)度還是逐步緩慢增長(zhǎng)，混凝土后期的強(qiáng)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(jī)制砂混凝土標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)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(píng)價(jià)混凝土密實(shí)性和抵抗?jié)B透能力的重要指標(biāo)之一。采用NEL法對(duì)混凝土進(jìn)行了抗氯離子滲透性能試驗(yàn)。檢測(cè)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(kuò)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(yàn)的其他標(biāo)號(hào)混凝土對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

3）抗凍性。按照GB/T 50082《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)?；炷量焖賰鋈?50次后，動(dòng)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(qiáng)機(jī)制砂混凝土本身水膠比較低，硬化結(jié)構(gòu)體密實(shí)，總體而言，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，抗凍融的能力越強(qiáng)。

4）體積穩(wěn)定性。按照GB/T 50082《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)。干燥收縮試驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)。

5）水化熱。實(shí)驗(yàn)室條件下未得到水化熱的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為參考。

4 C100 混凝土工程應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)井壁原料管理

作為首個(gè)應(yīng)用C100混凝土作為井壁澆筑材料的礦井，趙固二礦西風(fēng)井共設(shè)計(jì)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(jìn)場(chǎng)開始嚴(yán)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(xì)骨料從河南省及周邊省份選取最優(yōu)強(qiáng)度及級(jí)配原料進(jìn)場(chǎng)。受限于骨料原產(chǎn)地產(chǎn)能及運(yùn)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(duì)低標(biāo)號(hào)混凝土拌制。

為減少骨料純度對(duì)混凝土性能的不利影響，施工現(xiàn)場(chǎng)將用于C100高性能混凝土的石子、砂子全部水洗、風(fēng)（曬）干，以降低原材料中石粉及其他雜質(zhì)的影響，同時(shí)避免水洗造成含水量偏高。嚴(yán)格按照表6確定的3#配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行原料投放，冬季采用溫水?dāng)嚢?，攪拌過程無特殊處理，采用灰罐輸送+溜灰管方式進(jìn)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(cè)

為驗(yàn)證C100混凝土水化熱性能，并預(yù)測(cè)凍結(jié)段壁間注漿時(shí)機(jī)，西風(fēng)井采取了埋設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)來驗(yàn)證的方法[35-37]。井筒開挖期間井幫溫度實(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)了凍結(jié)設(shè)計(jì)方案確定的井幫溫度調(diào)控目標(biāo)。

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(cè)溫電纜，土層為砂質(zhì)黏土和鋁質(zhì)黏土層，對(duì)應(yīng)混凝土標(biāo)號(hào)為C100，外層井壁厚1 000 mm；2019年1月24日埋設(shè)-695 m深度測(cè)溫電纜，土層為砂質(zhì)黏土（含礫石）層，對(duì)應(yīng)混凝土標(biāo)號(hào)為C100，外層井壁厚1 000 mm。井壁內(nèi)溫度變化特性實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 C100混凝土外層井壁溫度實(shí)測(cè)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(dá)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(dá)到峰值50℃。根據(jù)后續(xù)持續(xù)監(jiān)測(cè)，C100混凝土澆筑34.2 d后外層井壁全部進(jìn)入負(fù)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(qiáng)度增長(zhǎng)可以7 d為界，前7 d為強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)階段，抗壓強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)至100 MPa以上，7 d后為緩慢增長(zhǎng)階段，28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)至117.8 MPa且后期持續(xù)緩慢增長(zhǎng)。井壁溫度與抗壓強(qiáng)度相適應(yīng)，同時(shí)在井壁澆筑脫模后，對(duì)井壁實(shí)施噴淋措施，保證了混凝土前期良好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境和發(fā)展條件。

4.3 C100混凝土取樣強(qiáng)度實(shí)測(cè)

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

由表8可以看出，2個(gè)取樣層位的C100混凝土強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)要求，總體超過GB 50213—2010《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)井巷工程混凝土強(qiáng)度的最低要求為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.15倍的更高標(biāo)準(zhǔn)。

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

5 結(jié)論

1）在設(shè)計(jì)配合比條件下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的C100混凝土7 d抗壓強(qiáng)度超過100 MPa，養(yǎng)護(hù)90 d后抗壓強(qiáng)度超過123 MPa。

2）C100混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)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(dòng)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(dá)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(qiáng)度的發(fā)展提供了有利條件。