高强钢纤维混凝土在特厚冲击层竖井中的应用.pdf

四川建筑科学研究 Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎＢ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ 第 ４ ０卷 第 ２期 ２ ０ １ ４年 ４月 收稿日期： ２ ０ １ ３  ０ １  ０ ４ 作者简介： 齐善忠（ １ ９ ７ ９－） ， 男， 山东单县人， 硕士， 讲师， 注册岩土 工程师， 主要从事岩土工程专业的教学、 科研以及岩土工程特殊施工 及治理方面的工作。 基金项目： 河南省教育厅科学技术研究重点项目（ １ ３ Ｂ ４ ４ ０ １ ２ ４ ） Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｑ ｓ ｚ ０ ２ １ ９ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 高强钢纤维混凝土在特厚冲击层竖井中的应用 齐善忠 （ 黄河水利职业技术学院， 河南 开封 ４ ７ ５ ０ ０ ４ ） 摘 要： 首先提出了采用强度高、 塑性好的高强钢纤维混凝土井壁的必要性， 并通过试验解决了高强钢纤维混凝土 的配制、 搅拌工艺等关键技术， 最后通过实际工程证明即使在冻结井壁复杂的施工条件下， 混凝土强度增长仍然能 够得到保证。 关键词： 特厚冲积层； 井壁厚度； 高强钢纤维混凝土 中图分类号： Ｔ Ｕ ４ ７ ２ 文献标志码： Ｂ 文章编号： １ ０ ０ ８－ １ ９ ３ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２－ １ ４ ６－ ０ ３ ０ 引 言 自 １ ９ ５ ５年我国采用冻结法凿井以来， 井壁混凝 土强度等级就不断提高， ２ ０世纪末达到了 Ｃ ５ ５ 。近 年来， 有多个钻井和冻结井筒先后采用了 Ｃ ６ ０～ Ｃ ７ ０ 高强钢筋混凝土井壁。 目前， 我国的山东巨野煤田上覆有 ４ ０ ０～ ８ ０ ０ｍ 左右的第四系和第三系地层， 单县煤矿则冲击层更 厚。根据勘探资料， 巨野煤田的粘性土层累积厚度 占到 ８ ０ ％以上， 部分粘土、 砂质粘土易吸水膨胀， 具 有较强的可塑性［ １ ］。为了保证凿井安全和降低造 价， 急需找到一种适合我国国情的井壁结构和新型 井壁材料。 目前， 我国冻结井壁一般为双层混凝土结构； 钻 井井壁为钢筋混凝土结构或钢板 钢筋混凝土复合 结构。但随着冲积层厚度的增加， 地压也随之增大， 在井壁材料不变的情况下， 井壁厚度也将增大， 从而 带来钻掘断面有效利用率过低和钻井井壁漂浮下沉 困难等问题， 且导致工程造价过高。大量的研究、 试 验和工程实践表明， 要保证特厚冲积层井壁具有合 理的厚度， 必须提高井壁材料的强度。解决办法可 以从两方面考虑： 一是增加井壁含钢量； 二是采用高 强混凝土井壁。其后者可继续沿用我国目前普遍采 用的、 较为成熟的井壁施工工艺， 但存在着混凝土的 高强化与高脆性化的矛盾， 要解决高强混凝土的脆 性问题， 必须走材料复合化的道路［ ２ ］。因此在高强 混凝土中加入钢纤维， 使用高强钢纤维混凝土井壁 比较适合我国国情。 １ 特厚冲积层井壁应用高强钢纤维 混凝土的必要性 现以钻井井壁和内层冻结井壁为例， 说明特厚 冲击层中井壁应用高强混凝土的必要性。井壁厚度 计算公式［ ３ ］为： ｈ＝ｒ （ ｆ ｃ ｚ ｆ ｃ ｚ－２ 槡 ｋ ｐ－１ ） （ １ ） 式中 ｈ为井壁厚度， ｍ ；ｒ 为井筒净半径， ｍ ；ｋ 为 设计荷载系数， 取 １ ． ４ ； ｐ 为井筒计算深度处的径向 压力， Ｍ Ｐ ａ ； ｆ ｃ ｚ为钢筋与混凝土综合强度计算值，ｆｃ ｚ ＝ ｆ ｃ＋ μ ｆｙ， Ｍ Ｐ ａ ； μ为井壁设计中选定的含钢率， ％； ｆ ｃ为混凝土轴心抗压强度设计值， Ｍ Ｐ ａ ； ｆｙ为钢筋强 度设计值， Ｍ Ｐ ａ 。 令 ｈ ／ ｒ ＝ ｓ ， 由式（ １ ） 换算可得到井壁承载力表 达式为： ｐ＝ｆ ｃ ｚ（ ｓ ２ ＋２ ｓ ） ２ ｋ （ ｓ ＋１ ） ２ （ ２ ） 由式（ ２ ） 可知， 井壁承载力 ｐ与井壁综合强度 计算值 ｆ ｃ ｚ成正比。 当井壁厚度 ｈ 趋于无穷大时， ｓ 趋于无穷大， 此 时井壁承载力也应达到最大， 因此有： ｐ ｍ ａ ｘ＝ ｆ ｃ ｚ ２ ｋ （ ３ ） 可见， 井壁极限承载力只与井壁综合强度计算 值 ｆ ｃ ｚ和设计荷载系数 ｋ 有关。 当其他条件相同时， 混凝土强度等级不同， 井壁 设计厚度将相差很大。随着混凝土强度等级的提 高， 井壁设计厚度将大大减少（ 表 １ 、 ２ ） ； 并且表土越 深， 这种变化越显著。 ６４１ 表 １ 冻结井筒内壁设计厚度ｍ Ｈ ／ ｍ 混凝土强度等级 Ｃ ３ ０Ｃ ４ ０Ｃ ５ ０Ｃ ６ ０Ｃ ７ ０Ｃ ８ ０Ｃ ９ ０ Ｃ １ ０ ０ ４ ０ ０２ ． ４ ５１ ． ４ ０１ ． ０ ５０ ． ８ ００ ． ７ ００ ． ６ ００ ． ５ ５ ０ ． ５ ０ ５ ０ ０—２ ． ２ ０１ ． ５ ５１ ． １ ５０ ． ９ ５０ ． ８ ００ ． ７ ０ ０ ． ６ ５ ６ ０ ０——２ ． ２ ０１ ． ５ ５１ ． ２ ５１ ． ０ ００ ． ９ ０ ０ ． ８ ０ ７ ０ ０———２ ． １ ５１ ． ６ ０１ ． ３ ０１ ． １ ５ １ ． ０ ５ ８ ０ ０————２ ． １ ５１ ． ６ ５１ ． ４ ５ １ ． ２ ５ 注： 表中数值是按井筒净半径 ｒ ＝ ３  ０ｍ计算得到的； 环向、 竖向钢筋 为 Ｈ Ｒ Ｂ ３ ３ ５ ， 配筋率均为 ０  ４ ％， 径向配筋率为 ０ ；Ｈ为冲积层厚 度。 表 ２ 钻井井筒设计厚度ｍ Ｈ ／ ｍ 混凝土强度等级 Ｃ ４ ０Ｃ ５ ０Ｃ ６ ０Ｃ ７ ０Ｃ ８ ０Ｃ ９ ０Ｃ １ ０ ０ ４ ０ ０１ ． ７ ０１ ． ２ ５０ ． ９ ５０ ． ８ ００ ． ６ ５０ ． ６ ００ ． ５ ５ ５ ０ ０—１ ． ８ ５１ ． ３ ５１ ． １ ００ ． ９ ００ ． ８ ００ ． ７ ５ ６ ０ ０——１ ． ９ ５１ ． ４ ５１ ． ２ ０１ ． ０ ５０ ． ９ ５ ７ ０ ０———２ ． ０ ０１ ． ５ ５１ ． ３ ５１ ． ２ ０ ８ ０ ０————２ ． ０ ５１ ． ７ ５１ ． ５ ０ 注： 同表 １ 。 在井筒工程总费用中， 井壁砌筑占 ４ ０ ％以上， 因此这一因素对于井筒施工总费用具有决定性的作 用。莫斯科矿业学院的研究成果表明， 井深为 １ ０ ０ ０ ｍ ， 采用现浇混凝土井壁时， 井壁厚度每减少 １ ０ ｍ ｍ ， 矿井建设费用便可降低 ０  ２ ５ ％［ ４ ］。由此可以 说明： 随着井壁厚度的合理减薄， 井筒掘砌工作量和 井壁砌筑材料用量将随之减少， 同时提高了施工速 度， 缩短了工期， 从而不仅可节约掘进和支护费用， 并且可加快施工进度。 此外， 高强混凝土本身有很多优点， 如能满足特 定环境条件下所需的高弹性模量、 低渗透性和具有 抵抗环境侵蚀、 介质破坏能力的要求； 具有比普通混 凝土长得多的寿命； 一般具有早强性能。这意味着 资源、 能源和资金的大量节约［ ５ ］。但其最大的缺点 则是破坏时呈现脆性， 没有任何先兆， 如果按照常规 混凝土的安全系数取用， 经常会给工程带来不可估 量的损失， 所以在使用时一般以强度为代价来提高 其安全性。而高强钢纤维混凝土最大的优点则是解 决了高强混凝土的脆性问题［ ６ ］， 使破坏时表现为塑 性， 延长了其破坏过程［ ２ ］。因此在能满足工程要求 的前提下， 应首选安全性更好的高强钢纤维混凝土 井壁。 ２ 高强钢纤维混凝土的配制 在应用高强度等级的钢纤维混凝土之前， 必须 进行试配， 研制出合理的配方。我国目前还没有相 应的规范可参考， 因此， 考虑在现有钢纤维混凝土的 配合比可依据参考文献［ ７ ］ 中 ６  １～ ６  ４条款进行 设计， 试配的钢纤维混凝土强度性能检测依据参考 文献［ ８ ］ 进行检测。 ２ ． １ 原材料的选择 １ ）钢纤维 据检索资料， 钢纤维材质选用普通碳钢浇筑用 钢纤维（ 长度 ２ ５～ ５ ０ｍ ｍ ） 。综合和易性和力学性 能（ 抗压、 增韧性能） ， 其中铣销压痕形、 切断弓形、 剪切端钩形较好； 体积掺量一般在 ０  ５ ％ ～ ２ ％， 对 于重要工程， 体积掺量在１ ％ ～２ ％之间。选用的钢 纤维必须满足参考文献［ ７ ］ 要求（ 抗拉强度≥３ ８ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 弯折性能 ＞ ９ ０ ％， 表面有害杂质 ＜ １ ％） 。本试 验钢纤维， 其特征参数见表 ３ 。 表 ３ 钢纤维特征参数 产品型号类型 长度 ｌ ｆ ／ ｍ ｍ 等效直径 ｄ ｆ ／ ｍ ｍ 长径比 ｌ ｆ／ ｄｆ Ｚ Ｈ  ０ ６剪切哑铃型３ ２０ ． ６ ４５ ０ ２ ）水泥 水泥选用某品牌的 Ｐ Ⅱ５ ２  ５硅酸盐水泥， 其性 能参数见表 ４ 。 表 ４ Ｐ Ⅱ５ ２ ． ５硅酸盐水泥特征参数 定性 比表面积 ／ （ ｍ ２／ ｋ ｇ ） 凝结时间抗压强度抗折强度 初凝时间 终凝时间３ｄ２ ８ｄ３ｄ２ ８ｄ 合格≥３ ３ ０≥６ ０ｍ ｉ ｎ ≤６ ． ０ｈ ≥２ ８ ． ０≥５ ６ ． ０ ≥５ ． ５≥８ ． ０ ３ ）粗骨料 粗骨料应选用质地坚硬、 连续级配的石灰岩碎 石。骨料母体岩石的立方体抗压强度应比所配制的 混凝土强度高 ２ ０ ％以上。粗骨料颗粒形态要好， 针 片状颗粒含量不宜大于 ５ ％， 不得混入风化颗粒， 含 泥量不应大于 ０  ５ ％， 泥块含量不宜大于 ０  ２ ％。骨 料的最大粒径不宜大于 ２ ０ｍ ｍ和钢纤维长度的 ２ ／ ３ 。本试验采用的石灰岩， 级配为连续级配， 其各 种性能指标见表 ５ 。 表 ５ 粗骨料性能指标 性能粒径压碎值针片状含量含泥量 指标５～ ２ ０ ｍ ｍ２ ． ３ ４ ％０ ． ５ ％０ ． ３ ％ ４ ）细骨料 细骨料宜选用质地坚硬、 级配良好的河砂， 其细 度模数宜大于 ２  ５～３  ２之间。含泥量不应大于 １  ０ ％， 且不容许有泥块存在， 必要时应冲洗后使用。 本试验采用的细骨料为河砂， 其性能见表 ６ 。 表 ６ 细骨料性能指标 性能细度模数泥块含量／ ％含泥量／ ％ 指标３ ． ２０ ． ６１ ． ５ ５ ）掺和料 掺和料选用粉煤灰、 磨细矿渣、 硅灰， 选用其中 ７４１ ２ ０ １ ４Ｎ ｏ  ２齐善忠： 高强钢纤维混凝土在特厚冲击层竖井中的应用 的两种或几种组合试配。 ６ ）高效减水剂 选用的 Ｊ Ｍ Ｐ Ｃ Ａ混凝土超塑化剂。该高效减水 剂以羧酸类接枝聚合物为主体的复合添加剂， 具有 大减水、 高保坍、 高增强等功能， 减水率最高可达 ３ ５ ％。 ７ ）水 水采用饮用水， 如果自然温度低于 ２ ０ ℃则需加 温使用。 ２ ． ２ 搅拌工艺及养护 １ ） 搅拌工艺 钢纤维混凝土拌制使用小型卧式强制搅拌机。 按钢纤维与水的投放次序， 可分干拌和湿拌。干拌 法是指钢纤维在加水之前加入， 湿拌法指钢纤维在 加水之后加入。据检索资料， 分别对几种搅拌工艺 进行了试验， 以考察搅拌方法对钢纤维均匀性和分 散性的影响。同时兼顾工艺简便， 根据试验结果进 行优选， 最后确定搅拌工艺， 如图 １所示。 图 １ 钢纤维混凝土搅拌工艺流程 ２ ）养护 为了研究井壁浇筑初始阶段温度对混凝土强度 的影响， 拆模后分别采用 ７ ０ ℃热水养护和标准养 护。以 Ｃ Ｆ ８ ０钢纤维混凝土为例， 其 １ｍ ３配比料单 见表 ７ ［ ６ ］， 热水养护和标准养护 １ｄ 、 ３ｄ 、 ７ｄ强度见 表 ８ ［ ６ ］。 表 ７ Ｃ Ｆ ８ ０钢纤维混凝土配方 水胶比 水泥 ／ ｋ ｇ 矿粉 ／ ｋ ｇ 粉煤灰 ／ ｋ ｇ 硅粉 ／ ｋ ｇ 砂 ／ ｋ ｇ 碎石 ／ ｋ ｇ 钢纤维 ／ ｋ ｇ 减水剂 ／ ｋ ｇ 水 ／ ｋ ｇ 坍落度 ／ ｍ ｍ ７ｄ 标养强度 ／ Ｍ Ｐ ａ ０ ． ２ ８４ ０ ６８ ７５ ８２ ９６ ７ ２１ ０ ５ ０１ ０ ０１ ４ ． ６１ ５ ３ ． ２ ２１ ６ ０８ ６ ． ８ 表 ８ Ｃ Ｆ ８ ０钢纤维混凝土不同养护 条件强度Ｍ Ｐ ａ ７ ０ ℃热水养护标准养护 １ｄ３ｄ７ｄ１ｄ３ｄ７ｄ ６ ９ ． ４ ５８ ８ ． ５８ ６ ． ５１ ７ ． ９ ３６ ２ ． ４８ ６ ． ８ 由表 ８可以看出， 钢纤维混凝土在高温下强度 的增长主要是前 ３天， 特别是第 １天强度增长最快， 随后强度基本没有增长， 标准养护的强度增长基本 上是在前 ７天。 ３ 高强钢纤维混凝土井壁应用的几 个问题讨论 ３ ． １ 钢纤维结团问题 近十几年来， 水泥强度等级不断提高， 其施工工 艺已经成熟， 但掺入钢纤维后， 如果钢纤维选择或施 工工序不当， 容易引起钢纤维的结团现象。因此在 正式施工之前， 一定要对钢纤维混凝土的搅拌工艺 进行研究。图 １的搅拌工艺是经过优化后的搅拌工 艺， 仅限于小规模浇筑使用， 对于工程现场的大规模 浇筑， 可以作为搅拌工艺研究的参考。 ３ ． ２ 质量控制问题 高强钢纤维混凝土的质量特别容易受到外界环 境的影响， 尤其是对水胶比较为敏感。实践表明， 严 格按规程、 规范控制配制材料的质量， 同时采用科学 合理的配制工艺， 控制新拌混凝土的质量并非难事。 ３ ． ３ 井壁混凝土强度增长问题 一直以来， 人们比较担心的问题是： 在冻结井壁 复杂的施工条件下， 混凝土强度增长能否满足要求。 实践表明， 高强钢纤维混凝土井壁与普通混凝 土井壁相比， 强度增长更易得到保证。这主要是因 为： １ ） 所添加的高效减水剂一般均具有早强性能。 与空白基准混凝土相比， 添加了高效减水剂的混凝 土， 其 １ｄ强度能提高 ８ ０ ％ ～ １ ４ ０ ％， ２ ８ｄ强度能提 高 ２ ０ ％以上。 ２ ） 混凝土只要处在正温条件下， 便能达到设计 强度。在井帮铺设有保温隔热泡沫塑料板的情况 下， 一般在混凝土浇筑后 １ ０～ ２ ０ｄ内， 井壁混凝土 是处于正温条件下的。特别是在浇筑后 ２ ０～ ４ ０ｈ 内， 井壁温度可达到 ４ ０～ ７ ０ ℃， 从而为井壁混凝土 强度增长提供了良好的条件。一般高强混凝土井壁 早期强度增长较快， 在井帮铺设有保温隔热泡沫塑 料板的情况下， １ｄ 能达到设计强度的３ ５ ％， ３ ｄ 能达 到 ７ ５ ％， ７ｄ 能达到 ９ ０ ％以上。 以赵楼煤矿主井井筒外壁为例， 在 ４ ０ ０  ８ ２ｍ实 测表 明： 混 凝 土 浇 筑 后 ０  ３ ２ｄ温 度 达 到 最 高 ８ ４  ３ ℃， 前 ３天温度都在 ６ ０ ℃以上， 并且， 在浇筑后 的 ４ ５天内， 温度都在 ０ ℃以上， 如图 ２所示。该井 筒现场实测表明： 对于标准条件下养护 ７ｄ时强度 达到 ７ ０Ｍ Ｐ ａ 的混凝土试块， 在浇筑好的井壁里养 护， ３ｄ 强度便能达到８ ４Ｍ Ｐ ａ ， ７ｄ 便能达到９ ０Ｍ Ｐ ａ 。 同时表 ８也表明了在高温环境下， 混凝土的早期强 度增长较快。（ 下转第 １ ５ ３页） ８４１ 四川建筑科学研究第 ４ ０卷 ２ ） 竖向地震输入下， 上海地表波输入时的轴力 反应要比 Ｅ ｌ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ 波输入时的轴力反应小一半左 右。在竖向地震输入下， 上海地表波输入时的结构 反应比 Ｅ ｌ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ 波输入时的反应大部分节点的地 震反应要小。 参 考 文 献： ［ １ ］ 楼梦麟， 黄明开． 上海浦东机场（ 二期） 候机楼水平地震行波效 应时程分析［ Ｊ ］ ． 建筑结构， ２ ０ ０ ９ ， ３ ９ （ ２ ） ． ［ ２ ］ 黄明开， 楼梦麟． 浦东机场候机楼竖向地震行波效应时程分析 ［ Ｊ ］ ． 地震工程与工程振动， ２ ０ ０ ９ ， ２ ９ （ ３ ） ． ［ ３ ］ 林家浩， 钟万勰， 张亚辉． 大跨度结构抗震计算的随机振动方 法［ Ｊ ］ ． 建筑结构学报， ２ ０ ０ ０ ， ２ １ （ １ ） ． ［ ４ ］ 李建俊． 随机地震响应分析的虚拟激励法［ Ｄ ］ ． 大连： 大连理 工大学工程力学研究所， １ ９ ９ ４ ． ［ ５ ］ 薛素铎， 王雪生， 曹 资． 空间网格结构多维多点随机地震响 应分析的高效算法［ Ｊ ］ ． 世界地震工程， ２ ０ ０ ４ ， ２ ０ （ ３ ） ． ［ ６ ］ 楼梦麟， 林 清． 古河道对工程场地地震动参数的影响［ Ｊ ］ ． 震 灾防御技术， ２ ０ ０ ８ ， ３ （ ４ ） ． ［ ７ ］ 石树中， 沈建文， 楼梦麟． 基岩场地强地面运动加速度反应谱 统计特征［ Ｊ ］ ． 同济大学学报， ２ ０ ０ ２ ， ３ ０ （ １ １ ） 櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏 ． （ 上接第 １ ４ ８页） 图 ２ 赵楼煤矿主井井筒外壁 ４ ０ ０  ８ ２ｍ 段混凝土浇筑后温度 时间曲线 ４ 结 论 １ ） 特厚冲积层中由于凿井难度较大， 为了满足 工程各项要求和解决高强混凝土的脆性问题， 应优 先考虑采用高强钢纤维混凝土井壁。 ２ ） 采用高强钢纤维混凝土井壁时， 应注意解决 好钢纤维结团问题， 进行必要的搅拌工艺研究。 ３ ） 尽管冻结井壁施工条件复杂， 但通过采取一 定的措施， 完全可保证井壁混凝土质量。 ４ ） 对于冻结井筒， 高强钢纤维混凝土井壁强度 增长是能满足工程要求的。现场试验表明， 在浇筑 好的井壁内养护的混凝土试块， 其早期强度增长速 度比标养条件下要高很多， 且 ２ ８ｄ强度更高， 因此 不必担心井壁混凝土受冻问题。 参 考 文 献： ［ １ ］ 洪伯潜． 巨野煤田开发条件及井筒施工关键技术［ Ｊ ］ ． 中国煤 炭， ２ ０ ０ ２（ ４ ） ： ５  ７ ． ［ ２ ］ 刘 刚， 方坤河， 高钟伟． 高强混凝土的增韧减脆措施研究 ［ Ｊ ］ ． 混凝土， ２ ０ ０ ４ （ ５ ） ： ４ ６  ４ ８ ． ［ ３ ］ 张荣立， 何国纬． 采矿工程设计手册（ 中册） ［ Ｍ ］ ． 北京： 煤炭工 业出版社， ２ ０ ０ １ ． ［ ４ ］ 布雷切夫 Н С ， 阿勃拉姆松 Х И ． 立井井壁［ Ｍ］ ． 沈正芳， 王德 民， 译． 北京： 煤炭工业出版社， １ ９ ８ １ ． ［ ５ ］ 陈肇元， 朱金栓． 高强混凝土及其应用［ Ｍ］ ． 北京： 清华大学出 版社， １ ９ ９ ２ ． ［ ６ ］ 齐善忠． 钢板 高强钢纤维混凝土复合井壁力学特性研究 ［ Ｄ ］ ．徐州： 中国矿业大学， ２ ０ ０ ６ ． ［ ７ ］ Ｊ Ｇ－ Ｔ ３ ０ ６ ４ —１ ９ ９ ９钢纤维混凝土［ Ｓ ］ ． ［ ８ ］ Ｃ Ｅ Ｃ Ｓ １ ３ ∶ ８ ９钢纤维混凝土试验方法［ Ｓ ］ ． ３５１ ２ ０ １ ４Ｎ ｏ  ２黄明开， 等： 竖向多点输入下浦东机场（ 二期） 候机楼的地震反应