高強(qiáng)度高性能混泥土在趙固一礦深井井硐中的應(yīng)用

張高杰

（河南國龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450053）

0 引言

高強(qiáng)度高性能混凝土因具有強(qiáng)度高、抗壓能力強(qiáng)、孔隙率低、抗?jié)B抗碳化性能好等特點(diǎn)，在高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)以及某些特種結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用比較廣泛[1-4]。目前，我國的高性能混凝土施工多在C70、C80水平，高標(biāo)號(hào)混凝土僅僅用于橋梁樁基基礎(chǔ)澆筑，煤礦立井大體積C100高性能混凝土澆筑施工及施工工藝質(zhì)量控制保證措施在國內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

焦煤集團(tuán)趙固一礦西風(fēng)井井筒需過深厚表土層，如果井筒表土層深部采用最高強(qiáng)度等級(jí)C80混凝土，則混凝土設(shè)計(jì)厚度會(huì)大大增加，開挖厚度、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)孔數(shù)量也會(huì)大大增加，相應(yīng)的工程成本會(huì)非常高[5]，為解決特殊鑿井條件的高強(qiáng)度高性能井壁結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計(jì)方法和施工工藝難題，以趙固一礦西風(fēng)井施工為例，研究提出C70～C100高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)型式，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中通過采取嚴(yán)抓原材料質(zhì)量、配料精度、施工工藝及施工質(zhì)量管控等措施，取得良好效果。

1 工程概況

1.1 井筒概況

趙固一礦西風(fēng)井井筒設(shè)計(jì)深度640.6 m，沖積層厚度502.5 m，凍結(jié)深度589 m，井筒凈直徑6 m，雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)。該井筒深厚粘土占整個(gè)地層80%以上，粘土層的埋藏深度、單層厚度大，深部蠕變特性顯著，地壓及凍結(jié)壓力不均勻性突出。

1.2 井筒地質(zhì)概況

西風(fēng)井井檢孔揭露的地層由下至上分別是：太原組（c3t）、山西組（p1sh）、下石盒子組（p1x）和第三、四系（Q+R）等。

太原組厚度為29.67 m。由灰?guī)r、砂巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖組成，其中L9、L8灰?guī)r標(biāo)志明顯，地層沉積層序正常。

山西組厚度為103.37 m。山西組地層由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，為本區(qū)主要含煤地層，含煤1層（二1煤），二1煤層厚6.60 m。本組共含細(xì)、中、粗粒砂巖8層，總厚度約34.37 m。

下石盒子組厚度為15.98 m，巖性主要為灰黃色砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，為基巖風(fēng)化帶。

第三、四系：主檢孔、風(fēng)檢孔揭露的第三、四系沖積層總厚度分別為518.2、526.5 m、主要巖性由粘土類和砂礫石層組成。

2 高強(qiáng)度混泥土材料質(zhì)量要求

混凝土主要是由水泥、骨料、粉煤灰、磨細(xì)礦渣和化學(xué)外加劑組成，其配合比是在一定的原材料質(zhì)量條件下試驗(yàn)得出，如果原材料不合格，將會(huì)對(duì)混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響。因此，在選用高強(qiáng)高性能混凝土用原材料時(shí)，除符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范外，根據(jù)前期試驗(yàn)材料及結(jié)果，對(duì)能影響混凝土質(zhì)量的原材料性能指標(biāo)還需要達(dá)到以下幾點(diǎn)：

1）水泥：C70～C100混凝土水泥質(zhì)量應(yīng)符合GB175-2008《通用硅酸鹽水泥》P.II42.5的要求[13-15]，嚴(yán)格檢查進(jìn)場(chǎng)水泥的質(zhì)量文件，對(duì)不合格的水泥必須清退處理；根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，要求選用孟電P.II42.5水泥：密度≥3.12 g/cm3，比表面積≥340 m2/kg，3 d強(qiáng)度≥20 MPa，28 d強(qiáng)度≥48 MPa。

2）粉煤灰（礦物外加劑）：對(duì)進(jìn)場(chǎng)的粉煤灰進(jìn)行需水量比檢測(cè)，確保需水量比符合配合比要求；粉煤灰的各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ級(jí)灰的要求。

3）磨細(xì)礦渣（礦物外加劑）：對(duì)進(jìn)場(chǎng)的礦粉進(jìn)行需水量比、活性的檢測(cè)，確保需水量比和活性符合配合比要求；根據(jù)配合比試驗(yàn)要求，礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T18046《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中S95的質(zhì)量要求。

4）砂：按J G J52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，嚴(yán)格控制砂的級(jí)配和含泥量，機(jī)制進(jìn)場(chǎng)后，應(yīng)用自備的清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，以保證含泥量滿足要求。

級(jí)配符合配合比要求，滿足2區(qū)連續(xù)級(jí)配的要求。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)C90～C100混凝土，用自備設(shè)備清洗后，砂的含泥量不大于0.5%；泥塊含量為0，亞甲藍(lán)（MB）值小于1.4。對(duì)于級(jí)配不合格的砂，應(yīng)清退處理；含泥量和泥塊含量不符合要求的砂，應(yīng)重新清洗。

5）碎石：按J G J52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，嚴(yán)格控制砂的級(jí)配和含泥量；碎石進(jìn)場(chǎng)后，應(yīng)用自備的清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，以保證含泥量滿足要求。

C100混凝土應(yīng)選用玄武巖等火成巖材質(zhì)的碎石，應(yīng)采用連續(xù)級(jí)配(宜采用5～10 mm和10～20 mm 2種規(guī)格的碎石二級(jí)級(jí)配)，最大公稱粒徑≤20 mm；根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，粗骨料的含泥量≤0.2%，泥塊含量為0，壓碎值≤7%。

對(duì)于級(jí)配不合格、含有風(fēng)化顆粒的碎石，不得進(jìn)場(chǎng)，應(yīng)清退處理；自備設(shè)備清洗后，含泥量和泥塊含量超標(biāo)的碎石，應(yīng)進(jìn)行再次清洗。

6）外加劑：按GB8076-2008《混凝土外加劑》和Q/02 HL01-2013《井壁專用外加劑》，嚴(yán)格控制外加劑的減水率，滿足配合比要求。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)度等級(jí)≥C70混凝土，外加劑的減水率≥20%。

3 混凝土施工工藝流程

混泥土施工工藝流程主要分為：攪拌-運(yùn)輸-振搗-養(yǎng)護(hù)，各流程施工具體要求如下：

3.1 攪拌

1）混凝土質(zhì)量管理的重點(diǎn)是原材料的質(zhì)量等級(jí)和穩(wěn)定性，一方面要達(dá)到原材料質(zhì)量等級(jí)要求，做好原材料進(jìn)場(chǎng)檢查和驗(yàn)收；另一方面需檢查原材料主要指標(biāo)的穩(wěn)定性，并不是各項(xiàng)指標(biāo)等級(jí)越高越好，只有指標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定，才能確保攪拌的混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。

2）對(duì)于高性能混凝土，水對(duì)強(qiáng)度和施工性能的影響至關(guān)重要，施工工藝控制主要圍繞混凝土攪拌期間水灰比控制。施工中，通過加強(qiáng)原材料質(zhì)量管理、骨料清洗，并在攪拌過程降低水灰比來提高混凝土強(qiáng)度是比較可靠的方法。

施工過程中，考慮到料場(chǎng)砂石因不同位置（上下，內(nèi)外）含水率不同的實(shí)際情況，在實(shí)際的攪拌過程中，施工配比單所要求的用水量只作為上限控制量，并作為初次加水的施工參考。例如換算后的施工配比用水量為120 kg，混凝土攪拌施工中，往往只先加水100 kg，根據(jù)混凝土的攪拌狀態(tài)以及坍落度、和易性，以每次2 kg增加水量，并通過井上、下人員協(xié)作，最終以灰體能夠從底卸式吊桶內(nèi)下放且不堵管為宜來確定加水量。根據(jù)正常攪拌施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，混凝土攪拌施工每盤灰所用水量，比配合比減少5～10 kg的用水量。

3）混凝土攪拌時(shí)間控制?？刂茢嚢钑r(shí)間，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土的攪拌時(shí)間不低于4 min，以保證攪拌均勻；不得超過10 min，防止過攪拌引起混凝土離析。

3.2 運(yùn)輸

成品混凝土通過地面H型調(diào)車盤人工調(diào)車（如圖1所示），4個(gè)T X-3底卸式吊桶下循環(huán)摘掛鉤，混凝土輸送采用2套灰箱，6趟溜灰管輸送下料（如圖2所示）。正常施工過程中井上調(diào)車及吊桶摘掛鉤時(shí)間平均2 min，根據(jù)井筒深度300～700 m左右吊桶下放到上井吊盤時(shí)間約為2～4 min，放灰時(shí)間平均8 min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，混凝土從攪拌到初凝時(shí)間為35～55 min，能夠滿足施工要求。

圖1 H型調(diào)車盤

圖2 改裝后的溜灰管

3.3 振搗

高性能混凝土流態(tài)較大，和易性較好，施工時(shí)要重點(diǎn)控制振搗時(shí)間，防止過震導(dǎo)致骨料和灰漿離析[9-10]。根據(jù)打灰期間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，振搗時(shí)間控制在15～20 s，之后立即挪動(dòng)震動(dòng)棒，通過增加振搗棒挪動(dòng)次數(shù)，減少單次振搗時(shí)間達(dá)到消除混凝土離析的效果。

3.4 養(yǎng)護(hù)

每次井壁脫模后，安排專人使用噴霧器對(duì)混凝土表面噴水養(yǎng)護(hù)，每小時(shí)養(yǎng)護(hù)1次，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h。噴霧器安放在下層盤上，噴頭通過軟水管垂到模板上以方便進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

4 施工質(zhì)量管控措施

1）混凝土必須按設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行施工。施工單位和監(jiān)理單位需重點(diǎn)檢查混凝土配合比的實(shí)際落實(shí)情況，確?；炷翑嚢枋┕び涗泦蔚恼鎸?shí)性。

2）每次施工前，應(yīng)提前檢測(cè)砂和碎石的含水量，雨后施工時(shí)的材料含水量要加倍檢測(cè)，將理論配合比換算成現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際配合比，作為混凝土配料的依據(jù)。換算方法見表1。

表1 C45理論配合比和施工配合比換算實(shí)例

3）生產(chǎn)前，應(yīng)校核生產(chǎn)用衡器的零點(diǎn)和計(jì)量偏差，其計(jì)量偏差應(yīng)滿足表2的要求，特別水和外加劑的計(jì)量必須保證精確。

表2 原材料計(jì)量允許偏差

4）控制好混凝土的坍落度及和易性，坍落度不得超過控制值的最大值，確保工程質(zhì)量。

5）高強(qiáng)高性能混凝土的水膠比低，對(duì)水的敏感性高，必須嚴(yán)格控制用水量，應(yīng)避免砂石邊使用邊沖洗；攪拌前，特別是下雨天必須檢測(cè)砂石的含水量，根據(jù)混凝土水膠比調(diào)整加水量，確?；炷翆?shí)際用水量不超限。

6）混凝土振搗時(shí)，不得漏振，不得過振。

7）對(duì)于低溫季節(jié)混凝土施工，當(dāng)混凝土的入模溫度低于10℃，應(yīng)采用熱水?dāng)嚢?，確?；炷恋娜肽囟炔坏陀?5℃；用熱水?dāng)嚢钑r(shí)，水泥不得與熱水直接接觸，避免出現(xiàn)水泥的快速水化凝結(jié)。

8）對(duì)于高溫季節(jié)混凝土施工，混凝土的入模溫度不得高于30℃，當(dāng)入模溫度超過30℃時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?/p>

5 應(yīng)用效果分析

1）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次試配和試壓結(jié)果來看，混凝土強(qiáng)度平均1 d可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的35%～42%，3 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%～86%，7 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%～96%，14 d強(qiáng)度基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，后期強(qiáng)度持續(xù)增長。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用強(qiáng)度等級(jí)C70～C100的高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工，不僅井壁強(qiáng)度高、性能優(yōu)，井壁質(zhì)量好，而且比采用常規(guī)強(qiáng)度混凝土的井壁厚度減薄了200 mm，減少井筒開挖和井壁混凝土2 700 m3，節(jié)省投資330萬元。

3）井筒竣工驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)井筒表面質(zhì)量光滑、觀感較好，井壁澆筑混凝土見證取樣檢測(cè)，混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)值的115%，工程質(zhì)量優(yōu)良，通過竣工驗(yàn)收并得到甲方及監(jiān)理質(zhì)監(jiān)站單位的高度評(píng)價(jià)。

6 結(jié)論

1）按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論凍結(jié)井立井穿過巨厚表土層，井壁厚度設(shè)計(jì)非常大，趙固一礦西風(fēng)井井筒初步設(shè)計(jì)C70～C100段混凝土厚度達(dá)到1.9～2.2 m，施工帶來巨大困難，而通過提高井壁混凝土標(biāo)號(hào)來減小壁厚的做法也是滿足快速施工、經(jīng)濟(jì)適用的目的。

2）趙固一礦西風(fēng)井試驗(yàn)應(yīng)用C100混凝土，減薄超過800 m，為我國深厚沖積層凍結(jié)鑿井井壁施工應(yīng)用C100高性能混凝土提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。