C70高强混凝土在新桥矿副井冻结井壁的应用

摘要:针对永煤集团新桥矿副井表土层厚、井筒直径大、井壁受力复杂的特点,在永城矿区冻结段井壁结构设计中,首次采用了C70高强混凝土。通过对混凝土配合比的多次试验和研究,确定出合理的配制参数。经过试验段的进一步验证,使得C70高强混凝土在新桥矿副井井筒冻结井壁工程中得到了成功应用。

关键词:深厚表土层;冻结段井壁;高强混凝土

中图分类号: TD265134　　　文献标识码: B　　　文章编号: 1003 - 0506 (2007) 02 - 0013 - 02

1　问题提出

　　目前,强度等级在C80～C100的现浇混凝土在高层建筑与桥梁工程中已得到了成功应用。在中国大剧院建设中成功泵送浇筑了C110 混凝土,强度等级C120的商品混凝土在美、日等国已开始使用。由于高强混凝土力学性能好,能大幅度减少井壁的支护厚度,可减轻施工人员的劳动强度,降低能源消耗,且还具有流动性大和良好的工作性能、便于操作等优点。因此,近年来C60 ～C80 高强混凝土已在深厚表土层冻结段井壁结构中得了推广使用。永煤集团新桥矿副井井筒穿过392 m厚的冲积层,采用冻结双圈管法凿井,冻结深度为553 m。由于新桥矿副井井筒穿过的表土层厚,井筒直径大,井壁受力复杂,为抵抗高应力作用和降低工程造价,在新桥矿副井井壁结构设计中,采用了C70高强混凝土。由于在永城矿区冻结井筒首次设计如此高强的混凝土,故对新桥矿副井井筒冻结段井壁C70高强混凝土进行了试验研究,并在试验研究的基础上,将试验成果应用于工程实体。

2　配制要求

　　针对新桥矿副井井筒冻结段井壁的特殊施工环境,高强混凝土的配制应满足以下条件: ①早强防冻,混凝土的1, 3, 7 d强度应分别达到设计强度的35%、75%和90%; ②原材料来源本地化,成本较低; ③配置工艺简单; ④混凝土和易性好,塌落度在15～18 cm,经30 min塌落度不低于12 cm; ⑤水化热低,防裂、抗渗、耐久性好。

3　配方研究

3．1　C70混凝土配制强度( fcu, O )

fcu,O ≥1．12fcu, k = 1．12 ×70 = 78．4MPa

3．2　标准养护条件下的配方试验

　　在标准条件下,用4种高效减水剂和2种矿物掺合料的20 余种配方进行了试块试验,经对比筛选,初步确定了2个可行的C70混凝土配合比,得到了2种可行配合比混凝土试块标准养护1, 3, 7 d的强度数据。

　　(1)配合比Ⅰ:设计强度C70,水胶比[水与胶凝材料(水泥+BR)之比] 0．3,砂率0．35,每立方米混凝土中含PⅡ52．5水泥480 kg、胶凝材料538 kg、水161 kg、砂613 kg、5～25 mm碎石1 138 kg、BR复合剂57．6 kg。1 d 强度29．3 MPa, 3 d 强度59．9MPa, 7 d强度64．1MPa,塌落度180 mm。

　　(2)配合比Ⅱ:设计强度C70,水胶比[水与胶凝材料(水泥+粉煤灰+硅粉)之比] 0．29,每立方米混凝土中含PⅡ52．5水泥480 kg、硅粉30 kg、粉煤灰90 kg、水174 kg、砂584 kg、PCA 7．2 kg、5～25mm碎石1 085 kg。1 d 强度18．1 MPa, 3 d 强度51．4MPa, 7 d强度64．7MPa,塌落度为170 mm。

3．3　C70混凝土配合比所用的原材料

　　(1)水泥:选用PⅡ52．5硅酸盐水泥。

　　(2)黄砂:选用河砂,细度模数为2．7,含泥量不大于1．5%。

　　(3)碎石:选用碎石粒径为5～25 mm,含泥量不大于1%。

　　(4)矿物掺合料:一级粉煤灰,硅粉, BR高性能混凝土复合剂(含有高效减水剂) 。

　　(5)高效减水剂:选用JM2PCA ( I)混凝土塑化剂。

3．4　模拟冻结井筒温度养护条件下配合比验证

　　按照以上2种可行混凝土配合比,在试验室内浇筑8组150 mm ×150 mm ×150 mm标准试块,经6 h拆模后,立即放入温度模拟养护箱。按照温升曲线所规定的温度增幅和增速,通过由温控仪、接触继电器、加热元件和测温探头组成的控温系统对箱内温度进行调节,使试块在接近冻结井筒实际温度场的条件下进行养护。在养护至1, 3, 7 d时各取出一组试块进行加载试验,测得配比Ⅰ的1, 3, 7 d龄期的混凝土强度值分别为51．0, 68．7, 73．0 MPa;测得配比Ⅱ的1, 3, 7 d龄期的混凝土强度值分别为47．1, 64．2, 64．7MPa。由以上数据可知验证结果较好。

3．5　外层井壁试验段对配合比的验证

　　根据模拟试验结果,决定采用配合比Ⅰ进行外层井壁现场试验。2005年4月10日,参加现场试验的有关技术人员采用炒干法,对砂的含水率进行了测定,砂子的含水率为5%。根据砂子的含水率对配合比Ⅰ进行了调整,得出了现场的施工配合比,然后对新桥矿副井井筒冻结段外壁119段高进行了浇筑。在浇筑过程中,分别在井壁内、吊盘上和地面标养室各预留了4组150 mm ×150 mm ×150 mm混凝土试块,在外层井壁内留置的混凝土试块1, 3, 7,28 d 的强度分别达到了24．5, 52．5, 63．0, 70．0MPa,验证结果满足设计和质量标准的要求。

4　工程应用情况

　　(1)在副井井口建立了较为先进的混凝土集中搅拌站,采用2台JS21000型强制式搅拌机,各配一套PL21600型混凝土配料机和ZN21型称重配料仪,底卸式料桶下灰。

　　(2)所用的原材料均具有出厂合格证和检验单,并对进入施工现场的材料按批量进行了抽样复检,合格后方能使用。严格控制砂、碎石的含泥量和粒径级配。

　　(3)保证原材料投放的准确性。对于C70高强混凝土而言,各种原材料的用量必须准确称量,混凝土的原材料均按质量比计量。计量的允许偏差为:水泥和掺合料±1% ,粗、细骨料±2% ,水和外加剂±1%。

　　(4)混凝土的拌制须注意原材料、外加剂投料顺序,严格控制配料量,正确执行搅拌制度,特别是混凝土的搅拌时间应控制在90～120 s。

　　(5)准确控制用水量,砂、碎石中的含水率应及时测定,并按测定值调整用水量和砂石用量。

　　(6)对副井井筒垂深356．8～443．8 m段的87m内外层井壁共取混凝土试块8组,其28 d龄期的立方体抗压强度最大值为89．2MPa,最小值为72．2MPa,平均达81．7MPa,达设计强度的116．9%。

5　结语

　　(1)采用配合比Ⅰ的C70混凝土的1, 3, 7 d抗压强度值分别超过设计强度的35%、75%和90%的强度增长要求,达到了早强、防冻的效果。

　　(2)经多次开盘鉴定,实测塌落度均能控制在170～190 mm,经30 min后塌落度为120～150 mm,满足了和易性好的要求。

　　(3)在井壁厚度不超过1．1 m的条件下,用配合比Ⅰ浇筑的混凝土井壁,不会因温差产生环向温度裂缝。