高强度高性能混泥土在赵固一矿深井井硐中的应用

张高杰

（河南国龙矿业建设有限公司，河南 郑州 450053）

0 引言

高强度高性能混凝土因具有强度高、抗压能力强、孔隙率低、抗渗抗碳化性能好等特点，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构施工中应用比较广泛[1-4]。目前，我国的高性能混凝土施工多在C70、C80水平，高标号混凝土仅仅用于桥梁桩基基础浇筑，煤矿立井大体积C100高性能混凝土浇筑施工及施工工艺质量控制保证措施在国内仍处于实验阶段。

焦煤集团赵固一矿西风井井筒需过深厚表土层，如果井筒表土层深部采用最高强度等级C80混凝土，则混凝土设计厚度会大大增加，开挖厚度、冻结壁厚度、冻结孔数量也会大大增加，相应的工程成本会非常高[5]，为解决特殊凿井条件的高强度高性能井壁结构材料、设计方法和施工工艺难题，以赵固一矿西风井施工为例，研究提出C70～C100高强高性能钢筋混凝土井壁结构型式，现场施工过程中通过采取严抓原材料质量、配料精度、施工工艺及施工质量管控等措施，取得良好效果。

1 工程概况

1.1 井筒概况

赵固一矿西风井井筒设计深度640.6 m，冲积层厚度502.5 m，冻结深度589 m，井筒净直径6 m，双层钢筋混凝土井壁结构。该井筒深厚粘土占整个地层80%以上，粘土层的埋藏深度、单层厚度大，深部蠕变特性显著，地压及冻结压力不均匀性突出。

1.2 井筒地质概况

西风井井检孔揭露的地层由下至上分别是：太原组（c3t）、山西组（p1sh）、下石盒子组（p1x）和第三、四系（Q+R）等。

太原组厚度为29.67 m。由灰岩、砂岩、砂质泥岩、中粒砂岩组成，其中L9、L8灰岩标志明显，地层沉积层序正常。

山西组厚度为103.37 m。山西组地层由砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，为本区主要含煤地层，含煤1层（二1煤），二1煤层厚6.60 m。本组共含细、中、粗粒砂岩8层，总厚度约34.37 m。

下石盒子组厚度为15.98 m，岩性主要为灰黄色砂质泥岩和中粒砂岩，为基岩风化带。

第三、四系：主检孔、风检孔揭露的第三、四系冲积层总厚度分别为518.2、526.5 m、主要岩性由粘土类和砂砾石层组成。

2 高强度混泥土材料质量要求

混凝土主要是由水泥、骨料、粉煤灰、磨细矿渣和化学外加剂组成，其配合比是在一定的原材料质量条件下试验得出，如果原材料不合格，将会对混凝土的质量和强度产生很大影响。因此，在选用高强高性能混凝土用原材料时，除符合相应的国家标准和规范外，根据前期试验材料及结果，对能影响混凝土质量的原材料性能指标还需要达到以下几点：

1）水泥：C70～C100混凝土水泥质量应符合GB175-2008《通用硅酸盐水泥》P.II42.5的要求[13-15]，严格检查进场水泥的质量文件，对不合格的水泥必须清退处理；根据前期试验结果，要求选用孟电P.II42.5水泥：密度≥3.12 g/cm3，比表面积≥340 m2/kg，3 d强度≥20 MPa，28 d强度≥48 MPa。

2）粉煤灰（矿物外加剂）：对进场的粉煤灰进行需水量比检测，确保需水量比符合配合比要求；粉煤灰的各项指标应符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ级灰的要求。

3）磨细矿渣（矿物外加剂）：对进场的矿粉进行需水量比、活性的检测，确保需水量比和活性符合配合比要求；根据配合比试验要求，矿粉的各项指标应符合GB/T18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中S95的质量要求。

4）砂：按J G J52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求，严格控制砂的级配和含泥量，机制进场后，应用自备的清洗设备进行清洗，以保证含泥量满足要求。

级配符合配合比要求，满足2区连续级配的要求。根据前期试验结果，对于强度等级C90～C100混凝土，用自备设备清洗后，砂的含泥量不大于0.5%；泥块含量为0，亚甲蓝（MB）值小于1.4。对于级配不合格的砂，应清退处理；含泥量和泥块含量不符合要求的砂，应重新清洗。

5）碎石：按J G J52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求，严格控制砂的级配和含泥量；碎石进场后，应用自备的清洗设备进行清洗，以保证含泥量满足要求。

C100混凝土应选用玄武岩等火成岩材质的碎石，应采用连续级配(宜采用5～10 mm和10～20 mm 2种规格的碎石二级级配)，最大公称粒径≤20 mm；根据前期试验结果，粗骨料的含泥量≤0.2%，泥块含量为0，压碎值≤7%。

对于级配不合格、含有风化颗粒的碎石，不得进场，应清退处理；自备设备清洗后，含泥量和泥块含量超标的碎石，应进行再次清洗。

6）外加剂：按GB8076-2008《混凝土外加剂》和Q/02 HL01-2013《井壁专用外加剂》，严格控制外加剂的减水率，满足配合比要求。根据前期试验结果，强度等级≥C70混凝土，外加剂的减水率≥20%。

3 混凝土施工工艺流程

混泥土施工工艺流程主要分为：搅拌-运输-振捣-养护，各流程施工具体要求如下：

3.1 搅拌

1）混凝土质量管理的重点是原材料的质量等级和稳定性，一方面要达到原材料质量等级要求，做好原材料进场检查和验收；另一方面需检查原材料主要指标的稳定性，并不是各项指标等级越高越好，只有指标参数稳定，才能确保搅拌的混凝土质量稳定。

2）对于高性能混凝土，水对强度和施工性能的影响至关重要，施工工艺控制主要围绕混凝土搅拌期间水灰比控制。施工中，通过加强原材料质量管理、骨料清洗，并在搅拌过程降低水灰比来提高混凝土强度是比较可靠的方法。

施工过程中，考虑到料场砂石因不同位置（上下，内外）含水率不同的实际情况，在实际的搅拌过程中，施工配比单所要求的用水量只作为上限控制量，并作为初次加水的施工参考。例如换算后的施工配比用水量为120 kg，混凝土搅拌施工中，往往只先加水100 kg，根据混凝土的搅拌状态以及坍落度、和易性，以每次2 kg增加水量，并通过井上、下人员协作，最终以灰体能够从底卸式吊桶内下放且不堵管为宜来确定加水量。根据正常搅拌施工现场实测，混凝土搅拌施工每盘灰所用水量，比配合比减少5～10 kg的用水量。

3）混凝土搅拌时间控制。控制搅拌时间，通过现场实测混凝土的搅拌时间不低于4 min，以保证搅拌均匀；不得超过10 min，防止过搅拌引起混凝土离析。

3.2 运输

成品混凝土通过地面H型调车盘人工调车（如图1所示），4个T X-3底卸式吊桶下循环摘挂钩，混凝土输送采用2套灰箱，6趟溜灰管输送下料（如图2所示）。正常施工过程中井上调车及吊桶摘挂钩时间平均2 min，根据井筒深度300～700 m左右吊桶下放到上井吊盘时间约为2～4 min，放灰时间平均8 min。根据现场实测，混凝土从搅拌到初凝时间为35～55 min，能够满足施工要求。

图1 H型调车盘

图2 改装后的溜灰管

3.3 振捣

高性能混凝土流态较大，和易性较好，施工时要重点控制振捣时间，防止过震导致骨料和灰浆离析[9-10]。根据打灰期间现场实测，振捣时间控制在15～20 s，之后立即挪动震动棒，通过增加振捣棒挪动次数，减少单次振捣时间达到消除混凝土离析的效果。

3.4 养护

每次井壁脱模后，安排专人使用喷雾器对混凝土表面喷水养护，每小时养护1次，养护时间为24 h。喷雾器安放在下层盘上，喷头通过软水管垂到模板上以方便进行洒水养护。

4 施工质量管控措施

1）混凝土必须按设计配合比进行施工。施工单位和监理单位需重点检查混凝土配合比的实际落实情况，确保混凝土搅拌施工记录单的真实性。

2）每次施工前，应提前检测砂和碎石的含水量，雨后施工时的材料含水量要加倍检测，将理论配合比换算成现场施工实际配合比，作为混凝土配料的依据。换算方法见表1。

表1 C45理论配合比和施工配合比换算实例

3）生产前，应校核生产用衡器的零点和计量偏差，其计量偏差应满足表2的要求，特别水和外加剂的计量必须保证精确。

表2 原材料计量允许偏差

4）控制好混凝土的坍落度及和易性，坍落度不得超过控制值的最大值，确保工程质量。

5）高强高性能混凝土的水胶比低，对水的敏感性高，必须严格控制用水量，应避免砂石边使用边冲洗；搅拌前，特别是下雨天必须检测砂石的含水量，根据混凝土水胶比调整加水量，确保混凝土实际用水量不超限。

6）混凝土振捣时，不得漏振，不得过振。

7）对于低温季节混凝土施工，当混凝土的入模温度低于10℃，应采用热水搅拌，确保混凝土的入模温度不低于15℃；用热水搅拌时，水泥不得与热水直接接触，避免出现水泥的快速水化凝结。

8）对于高温季节混凝土施工，混凝土的入模温度不得高于30℃，当入模温度超过30℃时，应采取适当的降温措施。

5 应用效果分析

1）经过现场多次试配和试压结果来看，混凝土强度平均1 d可达到设计强度的35%～42%，3 d强度达到设计值的75%～86%，7 d强度达到设计强度的100%～96%，14 d强度基本达到设计值，后期强度持续增长。

2）现场应用结果表明，采用强度等级C70～C100的高强高性能钢筋混凝土井壁结构设计施工，不仅井壁强度高、性能优，井壁质量好，而且比采用常规强度混凝土的井壁厚度减薄了200 mm，减少井筒开挖和井壁混凝土2 700 m3，节省投资330万元。

3）井筒竣工验收时发现井筒表面质量光滑、观感较好，井壁浇筑混凝土见证取样检测，混凝土抗压强度指标均达到设计值的115%，工程质量优良，通过竣工验收并得到甲方及监理质监站单位的高度评价。

6 结论

1）按照传统的设计理论冻结井立井穿过巨厚表土层，井壁厚度设计非常大，赵固一矿西风井井筒初步设计C70～C100段混凝土厚度达到1.9～2.2 m，施工带来巨大困难，而通过提高井壁混凝土标号来减小壁厚的做法也是满足快速施工、经济适用的目的。

2）赵固一矿西风井试验应用C100混凝土，减薄超过800 m，为我国深厚冲积层冻结凿井井壁施工应用C100高性能混凝土提供实践经验。