《深厚冲积层特殊凿井井壁高性能混凝土的研究与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深厚冲积层特殊凿井井壁高性能混凝土的研究与应用（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、立井普通法施工 6 7 深厚冲积层特殊凿井井壁高性能混凝土的研究与应用 李功洲1陈文豹1王玲2 ( 1 煤炭科学研究总院北京建井研究所北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 中国建筑材料科学研究院北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘 要：本论文分析了深厚冲积层冻结法、钻井法特殊凿井井壁结构应用混凝土技术现状及其施工工 艺特点，研究了影响高性能混凝土收缩开裂的因素及其对策，提出采用矿物外掺料与化学外加剂双掺技术 为主要特征的冻结井壁低水化热早强高强、低水化热高强防裂高性能混凝土和钻井井壁低水化热高强防 裂密实高性能混凝土配制技术，并在程村主副井冻结段、赵固一矿主副风井冻结段、龙固主井钻井井壁等 十
2、几个深冻结井壁、钻井井壁中推广应用，取得优异的技术效果，有效地解决了冻结段现浇混凝土井壁与 钻井预制混凝土井壁的开裂问题。 关键词：深厚冲积层；特殊凿井；冻结法，钻井法；井壁；高性能混凝土 1 前言 2 0 世纪，我国采用冻结法和钻井法穿过的冲积层达3 8 3r f l 和4 4 1r n ，冻结深度和钻井 深度达到4 3 5m 和5 0 81 2 1 ，冻结井壁的混凝土标号和厚度达到C 5 5 和1 8m ，钻井井壁的混 凝土标号达到C 6 5 和0 7 5m 。2 1 世纪初，我国煤炭基本建设迎来了一个新高潮，矿井建设 的规模、数量、深度全面增大，立井穿过的冲积层厚度相继突破4 0 0m
3、、5 0 01 T I 和6 0 0m ，特殊 凿井面临着新的挑战和机遇，冻结深度和钻井深度相继突破5 0 0m 、6 0 0m 、7 0 0m 或更深， 对井壁的结构、强度、厚度提出更高的要求，井壁设计、施工面临诸多技术难题：之一要研究 设计具有高承载能力的井壁结构；之二要试验研究新型混凝土材料与科学配比；之三要研究 适应冻结法、钻井法筑壁环境的施工工艺；之四要研究解决冻结井壁与钻井预制井壁的混凝 土质量保证体系与检验检测手段。煤炭科学研究总院北京建井研究所与中国建筑材料科学 研究院水泥与新型建材研究所合作，根据国内外混凝土技术发展动态，采用矿物外掺料与化 学外加剂双掺技术，试验研究出施工性
4、、密实性、防水性、防裂性、耐久性、经济性好的C 5 0 C 8 0 高性能混凝土，并在国内十几个深冻结井壁、钻井井壁中推广应用，取得优异的技术效 果，有效地解决了冻结段现浇混凝土井壁与钻井预制混凝士井壁的开裂问题，深受建设单位 和施工单位的欢迎。 2 特殊凿井的井壁与施工工艺 2 1 冻结法凿井的井壁结构与施工工艺 冻结段井壁在冻结段掘砌过程承受冻结压力，冻结壁解冻后承受地压和水压以及含水 层疏干沉降引起的竖向附加力等。我国冻结段井壁结构围绕着受力和防水要求逐渐演绎形 成钢筋混凝土单层井壁、钢筋混凝土双层井壁、钢筋混凝土夹层井壁以及滑动型或竖向可压 缩型等四种结构类型。冻结段井壁的基本结构型式
5、是双层井壁：外层井壁在冻结段施工过程 中起临时支护的作用承受冻结压力，套壁后构成永久井壁的一部分承受土压或岩石压力；内 6 8 矿山建设工程新进展2 0 0 6 全国矿山建设学术会议文集( 上册) 层井壁是永久井壁的主体结构，起封水和承受水压的作用。 外层井壁是自上而下短段掘砌，不仅要求混凝土具有较高的强度以抵抗地压，还必须有 较低的水化热和低温早强性能：一要防止因高强度混凝土应用带来的高水化热引起井壁后 冻土大量融化，导致冻结壁径向位移过大产生冻结管断裂；二要使不同龄期的混凝土强度增 长率大于冻结压力增长率，以防止外层井壁压坏。 内层井壁是自下而上大段高连续浇注混凝土，属大体积混凝土施工，混
6、凝土水化温升 高，容易出现混凝土收缩裂缝、温差裂缝和井壁漏水问题。要求混凝土具有低水化热和防裂 性能：一要减少混凝土温升，防止混凝土水化升温过高而出现裂缝；二要使混凝土具有一定 膨胀量，补偿混凝土硬化引起的体积收缩，以防止混凝土出现收缩裂缝。 2 2 钻井法凿井的井壁结构与施工工艺 钻井井壁大多采用钢筋混凝土，深井钻井井壁采用浅部钢筋混凝土与深部双层钢板+ 素混凝土复合井壁结构或浅部钢筋混凝土与深部单层内钢板+ 钢筋混凝土复合井壁结构。 钻井井壁由若干节筒形井壁和一节锅底形井壁组成，全部在地面预制。待钻井达到设计直径 和深度后，逐节在井口连接好( 底部为锅底形井壁) ，悬浮在充满泥浆的钻井井眼
7、中，并适时 向井壁筒内加入适量的水使其缓慢逐段下沉，下沉到预定的深度后，在壁后注入水泥浆或抛 石后注浆充填，使井壁与围岩固结起来。 钻井井壁不仅要承受永久水平地压( 均匀和不均匀) 、竖向附加力，还要承受井壁悬浮下 沉过程中的泥浆压力，井壁悬浮下沉过程中不能有丝毫渗漏，对混凝土防裂提出较高的要 求。每节井壁是在三面约束、钢筋密布条件下浇筑和炎热夏季或严寒冬季等恶劣外部环境下 进行预制，浇注、养护初期井壁内、外温差大，容易产生混凝土收缩裂缝。 3 高性能混凝土的开发研究 3 1 高性能混凝土的技术现状 高性能混凝土( H i g h - - P e r f o r m a n c eC o n
8、c r e t e ，简写为H P C ) 概念的提出已有2 0 多年，不 同国家、不同学者依照各自的认识、应用范围、目的和要求对高性能混凝土提出了不同的见 解，美国国家标准和技术研究所( N I S T ) 与美国混凝土协会( A C I ) 于1 9 9 0 年5 月召开的讨论 会上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，采用优质材料配制，便于浇捣， 不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能好的耐久性混凝土。法国 的Y M a l i e r ，美国的P K M e h t a 以及加拿大的P C A i t c i n 等为代表，强调高性能混凝土首 先是高强
9、和早强混凝土，同时具有高的工作性( 坍落度一般控制在1 8c m 以上) ，高的体积稳 定性( 高弹性模量、低干缩率、低的徐变和低的温度应变) 和高的抗渗性。特别适用于桥梁、港 工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。日本的小泽一雅和冈村浦认为：高性 能混凝土应具有高的工作性( 高的流动性、粘聚性与可浇筑性) ，低温升、低干缩率、高抗渗性 和足够的强度。日本学者( 从1 9 8 8 年起至今) 已建立起一套相对完整的高性能混凝土设计和 应用体系，目前高性能混凝土在日本主要用于桥梁公路和隧道等土木工程。综上所述：高性 能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上
10、采用现代 混凝土技术制作的低水胶比混凝土，它以耐久性作为主要的设计指标。针对不同用途和要 求。高性能混凝土还应具有下列特性，工作性好，适应性广，强度高，体积稳定性及经济效益 好。高性能混凝土是对传统混凝土技术上的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保 护以及环境保护等方面都具有重要意义，是一种环保型的新型材料，有学者称其为“绿色混 立井普通法施工6 9 凝土”。 高性能混凝土由于其显著的技术经济效益，其研究开发受到了各国政府的重视，我国高 性能混凝土的研究和应用发展也较快，通过“九五”、“十五”国家科技攻关，在高性能混凝土 所用原材料的技术条件及施工工法方面取得了一系列研究成果，研究了矿
11、物掺合料和化学 外加剂的作用效果，高性能混凝土水化温升和早期裂缝控制技术，减少混凝土的收缩开裂问 题，为我国高性能混凝土的推广应用提供了技术支持。 3 2配制高性能混凝土的技术途径 根据国内外高性能混凝土的研究动态，配制高性能混凝土的主要途径：之一是合理选用 水泥和砂石，以满足不同工程的需要；之二是采用矿物外掺料与化学外加剂双掺技术，前者 用以充填混凝土中毛细孔隙，参与胶凝材料水化，改善混凝土界面结构，后者用以降低高性 能混凝土的水胶比，控制混凝土工作性能；之三是进行水泥、砂、石、水、矿物外加剂、化学外 加剂之间的优化组合，进一步改善混凝土的施工性、密实性、抗渗性、抗裂性、力学特性、耐久 性和
12、经济性。 3 3 影响混凝土收缩开裂的因素及对策 混凝土收缩开裂不仅是深厚冲积层冻结段现浇混凝土井壁和钻井预制井壁急待解决的 技术难题，也是国内外工程技术界共同关注和研究解决的技术难题。研究结果表明：影响混 凝土收缩开裂的因素很多，凡是影响收缩、徐变、抗拉强度和弹性模量的因素都有影响混凝 土的开裂趋势。如水灰比( 或水胶比) 、水泥用量、水泥的细度和水泥的矿物组成、水泥的碱含 量、矿物掺合料种类和掺量、集料、养护、化学外加剂都对混凝土的开裂趋势有影响。 水灰比( 或水胶比) ：混凝土的抗拉徐变和收缩随着水灰比的降低而降低，水胶比愈低， 强度愈高，弹性模量愈大，徐变引起的应力松弛愈小，从而水泥浆
13、和混凝土愈容易开裂。 水泥用量：水泥用量愈大，水泥浆的应变能力愈大，但水泥用量较大时的较大温度收缩 和干燥收缩的作用远远超过应变能力的增加，因此，水泥用量大，混凝土容易开裂。 水泥的碱含量：水泥的高碱含量使水泥的水化产物趋向凝胶化而不是结晶化，从而干燥 收缩增加，加速开裂的发展，研究表明，水泥碱含量从0 6 降到0 的过程中，水泥浆的开 裂趋势明显降低，但是在混凝土的试验中这种影响作用表现不明显。 水泥细度：粗颗粒水泥对混凝土的抗裂性有利，水泥的颗粒愈细早期水化快，水化放热 量高，从而水泥浆混凝土愈容易开裂，说明配制高性能混凝土不宜追求高标号早强水泥。 养护：养护良好的混凝土的徐变对收缩的应力
14、松弛能力很小，这种因素的作用要超过良 好养护带来的混凝土抗拉强度的提高，良好的养护是必须的，但是长龄期的湿养护对混凝土 的抗裂性不利。 矿物掺合料：硅灰加入混凝土，尽管增加了混凝土的早期强度j 但同时也增加了混凝土 的开裂趋势，这主要是因为混凝土掺入硅灰以后混凝土的早期弹性模量升高，徐变能力降 低。粉煤灰和与水泥细度相当的矿渣实验室结果良好；研究表明，掺4 和8 的硅灰将使混 凝土的早期水化热增加1 5 ，并显著增大开裂趋势，造成硅灰混凝土高约束应力的主要原 因不是水化热，而是从1 4 小时龄期后开始表现的收缩，使用粉煤灰水泥可减小混凝土的开 裂趋势。 混凝土的收缩是开裂的起因，是影响开裂的最
15、重要的因素，研究影响高强混凝土收缩的 因素具有重要意义。混凝土的收缩是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化 7 0 矿山建设工程新进展2 0 0 6 全国矿山建设学术会议文集( 上册) 等因素引起的体积缩小，按作用机理可分为浇注初期( 终凝前) 的塑性收缩、硬化混凝土的干 燥收缩、自收缩、温度变化引起的收缩变形及碳化收缩变形等五种。高强混凝土大都通过降 低水胶比、掺加矿物掺合料来提高混凝土中水泥石的密实度，改善混凝土界面薄弱区，从而 达到高强的目的。与普通混凝土相比，其早期自收缩、温度收缩、干燥收缩大，弹性模量高，徐 变的能力小，当混凝土的收缩受到约束时，引发很大的自应力，所以高强
16、混凝土有着比普通 混凝土更大的开裂趋势。 通过对水胶比及磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料对高强混凝土收缩开裂趋势的影 响进行的系统试验研究，得出如下结论： ( 1 ) 当水胶比在0 3 0 , - - 0 4 0 之间时，低水胶比的高强混凝土收缩率略大于高水胶比的 高强混凝土的收缩率，而且混凝土的开裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大，即降低水胶比增 大了高强混凝土的收缩开裂趋势。 ( 2 ) 硅灰使高强混凝土的早期收缩大，弹性模量高，混凝土的收缩受约束时在混凝土内 部引发较大的弹性拉应力，而硅灰高强混凝土的徐变低，应力松弛能力小，几种因素的综合 作用使硅灰高强混凝土环的开裂时间比基准混凝土早，最大裂纹宽度也明显大于基准高强 混凝土。即硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋势明显增加。 ( 3 ) 当磨细矿渣以3 0 的掺量取代水泥时，高强混凝土的早期总收缩没有明显增大，但 混凝土3 天龄期的强度迅速升高，弹性模量增大，应力松弛能力降低，几种因素的综合作用 使掺加磨细矿渣的高强混凝土开裂时间提前，各龄期最大裂纹
