高强混凝土在立井井壁中的应用及展望

高强混凝土在立井井壁中的应用及展望
牛学超　杨仁树　经来旺
(中国矿业大学北京校区力建学院・北京100083)
摘　要　高强混凝土是一种品质优良的建筑材料,具有强度高、变形小、良好的抗渗性和抗冻性。

将高强混凝土用于深厚表土层立井井筒工程中,能满足我国不断加深的钻井和冻结井筒建设的需要。

高强混凝土复合井壁具有减小井壁厚度,防止井壁渗水,降低建井成本的优点。

介绍了我国煤矿立井使用高强混凝土所取得的经验,提出了今后深厚表土层中高强混凝土复合井壁的结构形式,以便更好地推广和应用高强混凝土井壁,解决深厚表土层立井支护的难题。

关键词　深厚表土层　高强混凝土　井壁破坏　复合井壁
中图分类号　TU755 文献标识码　B 文章编号　1004-4051(2004)11-0051-05
APPL ICATION AN D EXPECTATION OF HIGH
STRENGTH CONCRETE IN SHAFT L INING
Niu Xuechao　Y ang Renshu　Jing Laiwang
(Institute of Mechanics and Construction Engineering,
China University of Mining and Technology・Beijing100083)
Abstract:High strenght concrete is a kind of good quality architecture material,which has high strength, litter distortion and a penetrating2resistant character as well as a frost2resistant character.The use of high strength concrete in shaft lining of depth soil might meet with the constructive need of frozen and boring shafts. The high strength concrete composite shaft lining has excellent qualities of decreasing thickness,infiltration and cost in building shafts.In this paper,the experience obtained in making use of high strength concrete of Chinese mine shaft lining is introduced.The future composite shaft lining of high strength concrete structure forms have been suggested in order to be widely use of them and to solve the difficulty problem on supporting in depth soil shaft linings.
K eyw ords:Depth soil,High strength concrete,Shaft linings rupture,Composite shaft lining
1　高强混凝土的研究应用现状
所谓高强混凝土,是指用常规的水泥、沙石作原材料,使用常规的制作工艺,主要依靠外加高效减水剂,或同时外加一定数量的活性矿物材料,使拌合料具有良好的工作度,并在硬化后具有高强性能的水泥混凝土。

本文所讨论的就是该种意义的高强混凝土。

就目前设计施工水平而言,认为强度等级达到或超过C50的混凝土为高强混凝土。

用高效减水剂配制普通工艺的高强混凝土始于1964年的日本。

大约1976年起,北美才开始使用高效减水剂,并成功配制出高强混凝土用于当时兴建的蒙特利尔奥林匹克体育馆的5000个预制构件中,以后则广泛应用于高层建筑中。

我国自20世纪80年代末、90年代初开始,清华大学率先把高强混凝土列为国家自然科学基金重点项目进行研究,以后全国各省市相继将其列项进行研究,取得一系列科研成果,并完成多个C80至C100的工程试点项目。

十多年来,高强混凝土在我国得到广泛应用,上海金茂大厦、深圳地王大厦、北京静安中心等一批高层建筑利用了C60至C80的高强混凝土,广州的虎门大桥、上海杨浦大桥和三门峡黄河公路桥等一批桥梁工程使用了C50至C70的高强混凝土。

另外,高强混凝土也被用于军工、水利、采矿、煤炭、石油等重点工程中。

2　高强混凝土的特性
211　机理
高强混凝土原材料中含有高效减水剂和外掺矿物活性材料。

高效减水剂是高强混凝土的重要组
分,有人将其称为除水泥、砂、石和水之外的第五组分。

它能使水泥颗粒高度分散,并能使水的表面张力降低,从而大大提高水泥浆体的流动性,促进水泥的水化。

高效减水剂还能加快混凝土的凝结,使其硬化后不但具有高强而且具有早强的特性。

高强混凝土外掺矿物活性材料主要有硅粉、粉煤灰等。

硅粉是非结晶状的球状微粒,其平均颗粒直径小于011μm,比水泥细两个数量级。

由于硅粉的颗粒细度高,能减少混凝土内部的空隙率和空隙尺寸,改善混凝土界面上的水泥浆体结构,所以活性很强,使得高强混凝土具有很高的早期强度, 3天的强度能达到28天强度的80%。

粉煤灰由大部分直径以μm计的实心和中空玻璃微球珠及少量的莫来石、石英的结晶物质所组成。

由于粉煤灰的球形玻璃体表面光滑,因而能减少混凝土拌合物的用水量,减少泌水和离析现象。

粉煤炭还可以减少混凝土中的空隙,明显提高混凝土的强度,提高混凝土的抗渗性和抗化学腐蚀的能力。

用粉煤灰代替部分水泥能起到减少混凝土的收缩量和降低水泥水化热的作用。

总之,高强混凝土在具备高工作度的同时,可以具备低水灰比、高密实度,从而改善混凝土硬化后的强度和耐久性。

212　高强混凝土的特点
高强混凝土水灰比低、水泥用量少、流动性好、塌落度低,具有高强度、耐久性好、抗渗性、抗冻性等,现就与矿井井壁关系密切的特点予以简介。

21211　强度高
根据不同强度的混凝土在单轴受压下的典型应力应变曲线〔1〕分析可积压,高强混凝土弹性段工作范围几乎是普通混凝土的一倍;高强混凝土与峰值应力相应的应变值可达2500×10-6,而普通混凝土一般仅为(1500～2000)×10-6;高强混凝土的弹性模量随强度的增长而增长。

高强混凝土的早期强度发展较快,特别是加入高效减水剂后促进水化,早期强度更高。

然而也应注意,高强混凝土延展性较差,强度越高,脆性越大;用高效减水剂配制的高强混凝土,后期强度虽有增长,但其与低强混凝土相比,后期强度增长要低一些。

高强混凝土抗压强度高,能使受压构件的承载能力大幅度增加,而在相同的荷载下则可使构件的截面减小。

对于结构物来说,减小截面尺寸意味者降低结构自重,当结构自重占全部荷载的主要部分时,应用高强混凝土就有着特殊的意义。

21212　抗渗性好
由于混凝土固有的多孔性,在存在内外水压差的情况下,必然存在液体或气体从高压处向低压处迁移渗透的现象,这就是混凝土的渗透性。

混凝土中的孔结构分为水泥石孔结构和混凝土孔结构。

水泥石中有毛细孔和非毛细孔,毛细孔的孔径在一个很大范围内变化,微孔径小于011μm,大毛细孔在011～10μm,毛细孔的体积最大可占水泥石总体积的40%;非毛细孔可能是由于水泥石的收缩、温湿度变化、成型条件等因素引起。

混凝土的孔结构取决于原材料的质量、施工质量和环境介质,空隙尺寸为1μm～50cm。

影响混凝土抗渗性的因素包括混凝土的水灰比、水泥细度、水泥品种、集料品种、施工质量、养护条件和环境介质等。

由于高强混凝土水质比低达0135,有些甚至低达0120,又有严格的材料和施工质量要求,因而高强混凝土具有很高的抗渗性。

表1是上海建材所的对比试验结果,从表中数据可见,加有高效减水剂的硅粉混凝土,尽管水泥用量减少了200kg,水灰比也比不加减水剂的大一些,但渗水高度却小一倍,而较低水灰比的那组硅粉混凝土几乎可以认为不透水。

表1　硅粉混凝土的抗渗性能
编号水泥用量
(kg)
硅粉量
(与水泥量相比%)W/CB
高效减水剂
f cu
(MPa)
水压
(bar)
渗水高度
(mm)
15500135无62152540 23507150143有66112521 34507150132有8112257 注:表中W为用水量,CB为水泥加硅粉总量。

21213　抗冻性
至今混凝土的冻害机理还没有定论,通常认为〔2〕,混凝土中总存在一定数量的毛细孔,当处于饱和水状态的毛细孔受冻结冰时,体积膨胀,产生膨胀压;混凝土中也有胶凝孔,胶凝孔中形成冰核的温度在-78℃以下,也就是说,当混凝土的毛
细孔存在饱和水而结冰时,胶凝孔中的水处于过冷状态而未结冰,这样,因胶凝孔中的蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力低的毛细孔中冰的界面处渗透,于是,在毛细孔中产生一种渗透压力。

因为毛细孔同时承受膨胀压和渗透压两种压力,当这两种压力在孔壁上产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会开裂。

影响混凝土抗冻性的因素有水灰比、含气量、混凝土的饱水状态、混凝土的受冻龄期、水泥的品种、骨料质量、外加剂和掺和料等。

高强混凝土水灰比低,用料质量控制严格,特别是高强混凝土的早期强度高,对提高混凝土的抗冻意义重大。

清华大学曾对不同配比的混凝土作了冻融试验,其中外加NF减水剂的高强混凝土在冰融200次后的强度损失为416%,而未加减水剂的混凝土因水灰比大,密实性较差,内部有较多的自由水,冻融150次后的强度损失为518%。

3　高强混凝土用于井壁中的优点
311　减小井壁的厚度
提高井壁混凝土的强度可以减小井壁的厚度,不仅能减少混凝土的用量,而且减少岩土的开挖量。

井壁的设计厚度与地压、竖向附加力、井筒施工方法、井壁结构、井壁材料等因素有关。

一旦井筒位置和施工方法确定下来,井壁结构和井壁材料就是决定井壁厚度的主要因素。

目前冻结法施工的井筒大都使用双层钢筋混凝土井壁,钻井法施工的井筒大都采用钢筋混凝土或钢板混凝土复合井壁。

显然,混凝土还是我国当前井壁的主要材料,混凝土的强度等级不同,井壁厚度会有较大差别。

现以某煤矿副井井壁厚度设计为例加以分析比较,该井筒净直径8m,冻结深度375m,双层钢筋混凝土井壁结构,二级钢筋,按最小配筋率计算。

取最大地应力处,不同强度等级的混凝土井壁厚度计算值如表2。

从表中可见,当混凝土的强度等级小于C40时,井壁总厚度将达215m以上,显然这在技术上和经济上都是不合理的。

如果改用强度等级C70以上的钢筋混凝土井壁,井壁总厚度仅在1125m 以下,这将是较为合理的。

表2　某矿井壁混凝土强度等级与井壁厚度计算对照表
混凝土强度等级C30C40C50C60C70C80井壁总厚度(mm)375025001850160012501050
随着浅部煤炭资源的不断开发,我国新建井筒所穿越的第四纪表土层越来越厚,特别是黄淮海地区,即将开采的煤田所穿越的表土层厚度逐步向500～700过渡。

当表土深厚时,普通的钢筋混凝土井壁要承受巨大的地压、井筒使用期间的竖向附加力,冻结法施工时还要承受建井时期的冻结压力。

如井筒深度超过600m,使用C40～C50的混凝土,内外井壁设计总厚度将达3000mm以上。

为了解这一难题,有效的方法是使用高强混凝土井壁。

当表土层厚度大于600m,采用C70混凝土,利用钢板混凝土复合井壁结构,井壁厚度可以控制在1500mm以下。

312　增强混凝土井壁的抗渗性
深厚表土层往往含水丰富、地压大、水头高。

很长一段时间,在深厚表土层中所建的井筒存在渗水和漏水问题。

80年代初期以前建成的井筒,大部分冻结井壁渗漏水。

据统计,1981年在建的17对矿井,42个井筒有28个出水,其中20个淹井。

自淮北矿区临涣矿井第一个试用有塑料夹层的双层复合井壁以来,内壁渗漏水的问题基本得以解决,然而又带来新的问题,夹层成为两层井壁之间水的通道,构筑井壁后,破坏了原地层中隔水层的隔水作用,使地层中的水上下串通,为井壁安全留下了隐患,只能采取及时注浆的方法加以补救。

高强混凝土本身具有密实性,早期强度高,只要施工工艺合理,砌筑井壁基本没有裂缝,因而可以大大降低井壁的渗漏水。

313　增强混凝土井壁的抗腐性能
自从1987年春夏之交淮北矿区临涣煤矿井壁破裂以来,两淮、大屯、兖州、徐州、济宁、宁夏等矿区相继有近60个井筒发生破坏。

至于井壁破坏的主要原因,比较一致的看法是,由于地下水位的变化和温度应力引起的坚向附加力所致。

然而,如果井壁混凝土材料本身具有活性,第四纪底部含水层(简称四含)中所含化学元素与混凝土材料发生化学反应,就会引起混凝土井壁的腐蚀破坏,降低混凝土的强度,这一因素在井壁破坏中所起的作用不能予以忽视。

井壁所受竖向附加力是井壁破裂的外因,井壁混凝土强度的降低是井壁破坏的内因。

从已破坏的井壁观察,破坏时大部分都伴有渗水,渗水处红色铁锈侵染,有的滴水处有“石钟乳”(钙化)物。

这些现象说明,地下水对混凝土
井壁确有腐蚀作用。

混凝土井壁腐蚀的必要条件是环境,即含有Cl-、SO2-4等离子的水能进入混凝土,充分条件是混凝土中活性成份的存在。

低水灰比和掺有矿物细掺料的高强混凝土有良好的抗掺性,能阻止水进入混凝土内部,因而可以抵抗各种化学元素对混凝土的腐蚀。

4　高强混凝土在立井井壁中的研究与应用
我国井壁混凝土强度等级经历了几个阶段,上个世纪50至60年代初,井壁混凝土强度等级小于C20;60年代,强度等级提高到C40;70年代至80年代初,井壁混凝土设计强度等级维持在C40;进入90年代,新建井筒穿过的表土层越来越深,地压越来越大,同时高强混凝土的配制技术不断提高,地面建筑已可配制并采用C100以上的高强混凝土,煤矿井壁支护也开始逐渐采用高强混凝土, 90年代初采用的混凝土强度等级为C50,以后提高到C60、C65。

目前正在施工的部分井筒井壁混凝土的强度等级高达C70。

从事高强混凝土井壁应用研究的单位主要有安徽理工大学、中国矿业大学和煤科院建井所。

安徽理工大学曾利用模型试验对高强混凝土井壁的极限承载能力与混凝土的抗压强度之间的关系、高强混凝土井壁材料的设计取值等进行了研究〔3～4〕,并结合淮北矿区祁南中央风井钻井井壁进行了高强混凝土配制和工业性试验。

中国矿业大学建筑工程学院曾与南京煤矿设计院、中煤第三建设集团公司等单位合作,开展了高强混凝土的配制研究〔5〕,在实验室配制出强度等级为C70、工程条件下达C50的高强混凝土,其性能可以满足深井和大直径井壁对材料强度和耐久性的要求,并已应用于冻结井筒井壁的施工中。

煤炭科学院建井所为山东龙固煤矿主井1、主井2提供了C80高强混凝土的配方,现正被应用于井筒施工,该井筒混凝土强度等级是目前我国煤矿井筒中最高的。

上世纪80年代以来,我国的钻井井壁大都采用高强混凝土,有代表性的如淮南潘三煤矿西风井、谢桥煤矿西风井、祁南煤矿中央风井等。

第一个使用钢板高强混凝土复合井壁的井筒是潘三西风井,该井筒表土层厚度440182m,钻井深度50812m,钻井直径9m,成井直径6m,上部和基岩段均采用变径的钢筋混凝土预制井壁,中下部由于井筒深、地压大,为控制井壁厚度而采用单层钢筋混凝土复合井壁和双层钢板素混凝土复合井壁,井壁混凝土设计强度为50MPa,现场实测28天抗压强度为50～55MPa;谢桥煤矿西风井是继潘三煤矿西风井之后国内最大直径的钻井井筒,该井表土层厚40515m,成井深度46912m,钻井直径913m,成井直径7m,井壁结构形式为钢筋混凝土井壁、双层钢板混凝土复合井壁和单层钢板混凝土复合井壁,27节500号混凝土井壁,53节550号混凝土井壁,3节600号混凝土井壁,一节600号高强混凝土井壁底,其中600号高强混凝土为当时国内在井壁中首次使用;祁南中央风井设计深度390172m,表土层厚32918m,井筒设计直径515m,壁厚0172m,由于井筒深、地压大,要么采用钢板混凝土复合井壁,要么采用高强混凝土井壁,通过淮南矿业学院等单位的研究比较分析,决定选用高强混凝土井壁,28节井壁的设计强度等级为C60～C65(现场配制时最后8节添加了5%的硅粉),当时属于我国煤矿钻井井壁施工中配制出的强度等级最高的混凝土,取得了可观的经济效益。

另外,许疃副井钻井井壁的混凝土最大强度等级也高达C65。

目前,冻结井筒井壁高强混凝土的应用也越来越多,冻结井筒现浇井壁的高强混凝土均采用常规施工工艺,混凝土强度等级为C50～C65,多用525号硅酸盐水泥和致密石灰岩石子等材料配制,有单掺高效减水剂和双掺高效减水剂及硅粉两种增强方法,后者居多。

掺硅粉的高强混凝土首次在南屯白马河风井使用,随后又在济宁二号风井、陈四楼和祁南等煤矿的冻结井筒中采用。

白马河风井表土层厚度14315m,冻结深度250m,井筒净直径510m,双层钢筋混凝土井壁结构,最高混凝土设计强度等级为C50;济宁二号风井表土层厚度17714m,冻结深度195m,井筒净直径610m,双层钢筋混凝土井壁结构,在井深288～388m井段内采用添加硅粉的高强混凝土,混凝土的强度等级为C50～C60;陈四楼煤矿主、副井冻结表土段井壁均采用了高强混凝土材料,该矿主、副井冲击层厚度分别为369m和37415m、冻结深度分别为40010m和40510m、井筒净直径分别为510m和615m,井壁混凝土最高设计强度等级均为C55;祁南煤矿主井、副井和西风井所穿过的冲击层厚度分别为32912m、32919m和32616m,冻结深度分别为38010m、37210m和36610m,井筒净直径分别为515m、715m和510m,井壁混凝土最大设计强度等级为C60。

由于施工条件限制,冻结井筒井壁高强混凝土的使用滞后于钻井井壁。

不过,近期在建的深厚表
土层中冻结法施工的井筒井壁也在采用高强混凝土,如济西煤矿井壁混凝土强度等级为C65,龙固煤矿副井井壁采用混凝土强度等级为C70。

无论是钻井法施工还是冻结法施工,高强混凝土都是今后深厚表土层中选用井壁材料的发展趋势。

5　立井井壁高强混凝土应用展望511　钻井井筒井壁
自从潘三西风井采用钢板高强混凝土复合井壁以来,已有多个深度超过500m 的井筒采用,实践证明,这一井壁结构形式是可行的。

正在施工的龙固主1、主2井筒,采用了最大壁厚为850mm ,钢板厚度为40mm ,混凝土的强度等级为C70的钢板高强混凝土复合井壁。

由于钻井井壁是在地面预制,质量能得以保证,强度和破坏都有预见性,所以钢板高强混凝土井壁仍将是今后钻井井壁的主要形式。

随着井深的增加,在采用钢板高强混凝土复合井壁的同时,亦宜采用变直径和薄壁井壁技术。

512　冻结并筒井壁
针对深厚表土层的地压越来越高,冻结深度越来越大,冻结井筒中冻结压力也随冻结深度的增加而增加,因而冻结立井逐渐采用高强混凝土复合井壁。

同时,应根据冻结井筒的特点、材料、施工工艺、经济指标等采用合理的复合井壁形式。

(1)钢板高强混凝土复合井壁众所周知,混凝土的强度越高,脆性越显著。

在一定的条件下,井壁内侧混凝土的拉应变可能达到或超过混凝土的极限拉应变,这是井壁破坏的基本原因〔6〕。

复合井壁内侧或内外侧使用钢板后,改变了井壁内侧混凝土的受力条件,使其由二向受力状态转化为三向受力状态,明显提高了混凝土的
强度。

据实验资料〔7〕
,采用双层钢板复合井壁结构时,混凝土的强度提高系数达210左右。

井壁内外钢板的约束作用,发挥了高强混凝土井壁抗压强度高的优点,同时也发挥了钢板韧性高的优点,因而,钢板混凝土复合井壁将是深厚表土层理想井壁形式之一。

(2)丘宾筒高强混凝土复合井壁
国外采用丘宾筒支护深厚表土层立井井筒已有一个世纪的历史,实践证明是有效的,然而,我国还没有一个井筒采用这种井壁结构形式。

铸铁丘宾筒抗压强度大(达1700MPa ),延伸率高,易于定型化生产,设计施工已规范化,施工工艺相对简单,井壁质量有保证。

将丘宾筒和高强混凝土组成复合井壁,可以承受相当高的地压,完全可以解决
深厚表土层井壁支护问题。

据计算分析〔8〕,国内冻结深井采用球墨高强混凝土复合井壁,安全可靠,技术经济合理。

(3)预制高强混凝土弧形板井壁
冻结井筒采用现浇钢筋混凝土井壁有两个技术难题。

其一是现浇混凝土初凝时内外温差大,假定混凝土的热膨胀系数为10×10-6℃,则温度下降
15℃造成的冷缩量为150×10-6〔9〕
,那么,对于厚度在1m 左右、强度等级为C80的混凝土井壁,内外温差可高达60～70℃,显然容易在井壁上产生温度裂缝;其二是受井下施工条件的限制,井壁混凝土的振捣特别是钢筋间混凝土的振捣不易密实。

因而,冻结井筒中现浇钢筋混凝土井壁的质量不容易保证。

在地面预制高强钢筋混凝土井壁,强度和质量均能得到保证,而造价又比铸铁丘宾筒高强混凝土复合井壁低。

目前存在的问题是弧形板的提吊和安装。

可以参考国外丘宾筒的提吊和安装方法;也可以参考上海地铁高强混凝土弧形板的支护方式,自然平巷能成功地采用高强混凝土弧形板支护,井筒采用这一方式支护不会有问题。

立井井筒中弧形板的安装机械和施工工艺是值得研究的课题。

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(收稿日期:2004-05-12)
〔作者简介〕　牛学超(1964—
)　男　博士　主要从事应用力学和矿用高强混凝土的研究　曾发表论文多篇。