模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响

吴瑞东，刘娟红✉，纪洪广，车树武，周昱程，张广田

1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 3) 河北省建筑科学研究院有限公司，石家庄 050021

随着浅层资源开采殆尽，采矿逐步向深层方向发展，建井深度达千米以上[1-2]. 人工冻结法是一种特殊的施工方法，将天然岩土变成冻土，增加强度和稳定性，隔绝地下水，从而在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工. 冻结法因其可靠、施工灵活、适应性强等特点，在建井、地铁隧道工程等广泛应用[3-5]. 尤其在深竖井工程中，冻结法是常用的特殊施工方法之一[6-7]. 人工冻结法对于地层和岩体有一定的影响，国内外学者研究主要集中在对冻结法温度场及其对岩体的性能影响[8-10].

开采深度的不断增加，导致井壁混凝土的设计厚度随之增大、强度等级也较高[11-12]. 深井井壁混凝土的厚度在1 m以上，有的设计厚度甚至达2 m以上，深井井壁混凝土的强度常在C60以上[13]. 深井井壁混凝土已经满足大体积混凝土的条件，尤其高强度混凝土的胶凝材料用量大，造成大体积混凝土的水化热较大，混凝土内部温度可高达60～70 ℃[14-15]，甚至更高的温度. 这种高水化热所造成的温度应力会引起混凝土的开裂，影响混凝土的力学强度和耐久性[16-17]. 深井井壁混凝土原本就处于高地应力、高腐蚀离子等复杂环境，会加速混凝土性能的劣化[18-21]. 冻结法施工环境会在混凝土外壁施加低温，与混凝土内部高水化热造成的高温形成很大的温度梯度差，这种温度梯度对早龄期混凝土造成损伤[22]，从而影响井壁混凝土的服役安全. 目前，深井井壁混凝土的研究主要集中在深地环境对混凝土性能影响，但关于冻结法环境对井壁混凝土性能影响的试验研究少见报道，因此探明冻结法施工环境下井壁混凝土性能的变化规律对深井施工和服役安全具有重要理论意义. 本文设计了一种试验仪器及方法模拟冻结法施工环境下井壁大体积混凝土的工作状态，对混凝土两侧施加-5/60 ℃和-5/70 ℃的温差，研究模拟施工环境对混凝土超声波参数、力学性能、氯离子渗透性、冲击倾向性和微观形貌的影响.

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

本文采用北京金隅P.O 42.5水泥，主要技术指标见表1.

表1 P.O 42.5水泥性能指标Table 1 Main properties of cement

Ⅱ级粉煤灰：需水量比（质量分数）97.6%，细度（45 μm 筛余）6.5%，比表面积 440 m2·kg-1，烧失质量分数4.9%.

S95级矿粉：需水量比96.2%，比表面积475 m2·kg-1，细度（45 μm 筛余）1.0%.

硅灰：硅灰为河北某冶金厂生产的超细硅灰，比表面积为 20000 m2·kg-1，其中小于 1 μm 的颗粒约占总体颗粒的80%，平均粒径约为0.2 μm. 成分中SiO2约占到总体质量的90%.

细骨料：表观密度 2450 kg·m-3，细度模数 2.8，含泥量（质量分数）3.2%.

粗骨料：粒径为5～20 mm连续级配碎石，空隙率为 40.7%，表观密度 2650 kg·m-3，压碎指标8.8%.

外加剂：西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率约为30%，含固量（质量分数）15%.

1.2 混凝土配合比

根据大多数矿井井筒所用混凝土的实际情况，本文的模拟试验选用C50和C70两个强度等级，配合比见表2.

表2 不同强度等级的混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concrete with different strengths kg·m-3

1.3 试验方法

施工现场的混凝土在浇筑后处于自身水化反应放热的升温状态，而靠近冻结壁的一面受到冻结壁的低温影响. 模拟试验中，采用在试块一侧提供外加热源的方式代替混凝土的自身水化反应放热，另一侧施加低温模拟冻结环境. 试验设计了冻结施工环境下大体积混凝土大温差模拟试验机，由主控机箱、循环管线和加温模具（三联模）组成，如图1所示. 主控机箱由压缩制冷机、电阻加热装置、热媒循环系统、温度控制系统组成，并带有精确的调节温度的控制系统，可根据试验要求提供不同温度梯度. 通过对试块加热和制冷可以模拟大体积混凝土在冻结法施工环境中内部结构的变化，该设备已授权实用新型专利.

图1 试验仪器. （a）主控机箱；（b）循环管线和加温模具Fig.1 Experiment instrument: (a) main control cabinet; (b) circulation pipeline and heating mold

试验设计初始，结合近年来国内外冻结法施工的研究情况和项目现场的实测数据，混凝土浇筑后7～24 h处于高低温环境，预计混凝土试块会产生损伤. 初定混凝土浇筑24 h后施加温度，根据混凝土的凝结时间测试，不能有效模拟井下混凝土的情况. 这是由于井下湿度大，推迟混凝土凝结时间，所以模拟试验施温时间应选择更早时间，更能符合施工现场的环境. 结合混凝土初凝时间、现场温度的实测数据和前期预测性试验，设定混凝土加温时间为浇筑后7 h，停止加温时间为混凝土浇筑后72 h. 前期冻结施工环境对于大体积混凝土性能影响是不可能逆转的，在对试验混凝土试块结束加温后，再将混凝土试块放入标准养护条件至28 d，检测试验混凝土试块的各项性能. 分别设定模拟试验环境为冷端-5 ℃热端60 ℃和冷端-5 ℃热端70 ℃，浇筑C50强度等级混凝土试验组试块，浇筑7 h后加温，同时浇筑标准养护条件下的对比参照组. 为方便冷端和热端的测试，试块尺寸为200 mm×200 mm×200 mm，方便切割测试性能. 强度试验根据GB/50081—2019和标准试件对应试验计算，取尺寸换算系数1.05.

2 结果与讨论

2.1 混凝土的超声波测试

2.1.1 不同温度方向的混凝土超声波检测

超声波测试法是检测混凝土强度的一种常用无损检测. 超声波脉冲在混凝土传播的过程中会因为混凝土内部的结构不同而发生改变，超声波以混凝土为介质进行传播的过程中，如果遇到缺陷，超声波会绕过缺陷，同时发生超声波的散射，导致超声波波速和波幅的降低. 根据超声波在混凝土传递后的变化，可以从一定程度上判断混凝土的内部构造差异，检测混凝土内部的损伤程度.试验立方体试块一组相对面分别施加高温和低温，进行超声检测时，超声波的传播方向是与温度梯度的递变方向平行的，定义在此相对面上测得超声检测为平行组. 排除成型面，另外一组相对面作为超声损伤检测面，超声波传播方向与温度梯度的方向垂直，定义此面测得超声检测为垂直组，如图2所示.

图2 超声检测方向示意图Fig.2 Schematic diagram of the ultrasonic testing direction

按照试验方法检测C50、C70混凝土在不同温度差下的超声波波速和波幅，结果见表3.

表3 混凝土在不同条件下的超声检测结果Table 3 Ultrasonic testing results of concrete under different conditions

2.1.2 模拟冻结环境对混凝土超声波参数的影响

为减少试验误差，施加温差和标准养护的混凝土同一批成型，超声波检测区域进行16次不同点位的测试，去掉3个最大值，去掉3最小值，取10组中间值的平均值为最终检测数据. 以标准养护组为基准，通过试验组和标养组的差值同标养组的比值，可以计算出C50和C70混凝土在不同温差环境下垂直组、平行组的声速和波幅的相对变化率，见表4.

表4 混凝土在不同温差模拟条件下的超声检测分析结果Table 4 Analysis results of ultrasonic testing of concrete under different simulation conditions

试验结果表明，对于相同强度等级的混凝土，在不同的模拟冻结环境下，混凝土超声波波速和波幅的变化率随温度梯度的增加而增大. 混凝土内部影响超声波传播速度的损伤主要发生在平行于温度梯度的方向，而在垂直于温度梯度方向损伤较小. 对于影响超声波波幅的损伤，在垂直和平行于温度梯度的两个方向均有发生，平行于温度梯度方向损伤大于垂直方向的损伤；影响超声波传播速度和波幅的损伤随着温差的增大而增大，与施加温差成正相关. 相同模拟冻结环境对不同强度等级的混凝土影响不同，对于低强度C50混凝土的影响较大，对于高强度等级影响较小.

2.2 混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度

为研究不同温差的模拟冻结环境对混凝土抗压的强度影响，进行了C50和C70混凝土在冷端温度-5 ℃热端温度60 ℃和冷端温度-5 ℃热端温度70 ℃的模拟试验，测试其抗压强度，并与标准养护试块进行对比，结果见图3.

图3 混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度. （a）抗压强度；（b）劈裂抗拉强度Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of concrete: (a) compressive strength; (b) splitting tensile strength

由上图可以看出，相比标养条件冻结法施工环境对于混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均有一定的影响，抗压强度和劈裂抗拉强度随着温度梯度的增加而变小. 浇筑7 h施加模拟冻结法环境，会造成混凝土硬化过程中的损伤，从而降低混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度. 冻结环境对C50混凝土强度的降低率大于C70混凝土，对抗拉强度的影响略高于抗压强度. 以-5/70 ℃的C50混凝土为例，抗压强度和劈裂抗拉强度分别较标养组下降了20.5%和26.5%.

2.3 混凝土的氯离子扩散系数

为了研究不同温度位置的混凝土抗氯离子渗透性能，对试验混凝土试块进行切割. 本次试验所用试块为20 cm立方体试块，而抗氯离子试验所用试块10 cm立方体切割成的5 cm厚的薄片，针对所选位置，进行多次切割，得到抗氯离子渗透试验的混凝土块.

根据氯离子在电压的作用下的流动方向与温度梯度的角度，分为两种情况：当氯离子移动方向和温度梯度的方向平行时，定为平行组；当氯离子移动方向和温度梯度的方向垂直时，定为垂直组.根据试块在施加温度时所取测试抗氯离子渗透试块的温度，分为冷和热2种情况. 综合上述2种情况，一个模拟试验混凝土试块取4个抗氯离子渗透测试试块，分别命名为热垂直、热平行、冷垂直、冷平行，分别和标准养护条件下混凝土试块的氯离子扩散系数的进行比较，结果如图4所示，研究模拟冻结环境对混凝土试块抗氯离子渗透的影响.

图4 混凝土的氯离子扩散系数. （a）C50；（b）C70Fig.4 Chloride diffusion coefficient of concrete: (a) C50; (b) C70

C50和C70混凝土，平行组的的氯离子扩散系数大于垂直组的氯离子扩散系数. 相比标准养护条件下的对比组，热端的氯离子扩散系数小，冷端的氯离子扩散系数大.

冷端出现的氯离子扩散系数大的原因是由于内部温度应力的作用下，对混凝土内部产生损伤，增大了混凝土的氯离子扩散系数. 但热端出现氯离子扩散系数减小的现象，不是由于温度应力没有对混凝土内部产生损伤，而是由于（1）热端的混凝土处于较高的温度状态，在这种高温的温度状态下，混凝土的内部的水化反应都处于加速的状态，对于混凝土的发展起到促进作用，使混凝土的质地更加致密，从一定程度上提高混凝土的抗氯离子渗透能力，降低氯离子扩散系数；（2）是由于热端的温度始终处于较高的状态，在这个状态下混凝土中的水分会有一定量的蒸发流失，从一定程度上减小了混凝土的水胶比，混凝土的强度增高了，更加致密，也会提高混凝土试块的抗氯离子渗透能力，降低氯离子扩散系数.

垂直方向的氯离子扩散系数小于平行方向，原因是温度应力的作用，并且温度应力的作用主要方向就是外部温度的方向，从平行组和垂直组的对比可以看出，C50和C70、冷端和热端，都表现出平行组的氯离子扩散系数大于垂直组氯离子扩散系数.

2.4 混凝土的冲击倾向性

冻结法施工的井壁混凝土工作状态是处于高地应力的服役环境，混凝土也和岩石一样发生类似于冲击地压的瞬时性破坏[23-25]，因此，研究冻结法施工环境对混凝土冲击倾向性的研究是十分必要的. 混凝土的评价指标有脆性系数即抗压强度与劈裂抗拉强度之比，动态破坏时间TD即单轴抗压状态从极限强度到完全破坏的时间，冲击能量指数KE即单轴压缩条件峰前积蓄能和峰后释放能之比[26-27]，分别测试C50和C70混凝土在标养和不同温度梯度环境下的冲击倾向性指标，结果如表5所示.

表5 混凝土的冲击倾向性指标Table 5 Bursting liability indexes of concrete

由结果可以看出，C50和C70混凝土冲击倾向性的指标经过冻结法环境后均有一定的提高，混凝土的冲击倾向性变大，发生瞬时性破坏的概率变大. 温度梯度越大，混凝土冲击倾向性指标变化越大，尤其对于C50混凝土，冲击倾向性原本不大，经过-5/70 ℃温差后，脆性系数增加了8.2%，动态破坏时间减小20.8%，冲击能量指数增加30.3%，冲击倾向性指数增加幅度较大. 而对于C70混凝土，冲击倾向性原本就较高，经过-5/70 ℃环境后，冲击倾向性进一步增大，发生破坏的概率也随之变大. 混凝土在收到冷热环境作用后，脆性明显增加，混凝土内部积攒的变形能在达到混凝土应力峰值后急剧释放，造成混凝土冲击倾向性增大. 冻结法井壁施工，尤其应该注意混凝土冲击倾向性的测试和检测，应选用低冲击倾向性的混凝土材料，减小冲击破坏的发生.

2.5 混凝土的微观形貌

选择冷端-5 ℃热端60 ℃的模拟试验进行扫描电镜，研究冻结法环境对混凝土微观形貌的影响. 每块试块选取高温、中温、低温3个位置进行取样，与标准养护条件下的对比试块进行分析.

C50试验试块的3个位置和标准养护条件下对比试块的电镜扫描图片如图5所示. 从图5（a）可以看出，处在冷端的C50混凝土结构比较疏松，可以看到有未水化的成分比较多. 而图5（b）中试验试块热端比较致密，未在图片中看到明显的孔隙. 而从图 5（c）和 5（d）可以看出，处于试验试块中部温度位置的内部结构和标准养护条件下比较相似，内部结构的疏密程度介于高温端和低温端之间.

C70试验试块的3个位置和标准养护条件下试样的电镜扫描图片如下图6所示. 从图6（a）可以看出，存在多处球形颗粒，为未反应的粉煤灰颗粒，而在图 6（b），6（c）和 6（d）中，球形颗粒较少或基本看不见. 粉煤灰的水化反应较水泥中的成分的水化反应晚，低温抑制了混凝土中胶凝材料的水化反应进程. 对比图5的扫描电镜图片，混凝土的结构较密实，因为C70等级的混凝土胶凝材料用料比较多，水化产物较多，加上引入硅灰，可以填充混凝土内部的较小孔隙，所以混凝土结构致密，但是温度仍旧会对混凝土的内部生成物质和微观结构产生影响，使之产生随温度变化表现的宏观性能差异性.

图5 C50 混凝土的扫描电镜图片. （a）冷端；（b） 热端；（c）中温；（d）标准养护Fig.5 SEM images of C50 concrete: (a) cold side; (b) hot side; (c)medium temperature; (d) standard curing

图6 C70 混凝土的扫描电镜图片. （a）冷端；（b）热端；（c）中温；（d）标准养护Fig.6 SEM image of C70 concrete: (a) cold side; (b) hot side; (c)medium temperature; (d) standard curing

试验混凝土试块处于冷端-5 ℃、热端60 ℃的模拟冻结环境下，胶凝物质发生水化反应，不同温度下水化反应速率不同，温度越高，水化反应越快. 水化产物数量的不同，会使混凝土的内部构造不同，从而影响混凝土的性能. 混凝土热端处在60 ℃的高温下，水化反应速度快，水化反应进程相对于低温端和标准养护条件下较快，尤其是对于粉煤灰后期的水化反应，热端的高温促进具有一定的持续作用. 所以高温端表现出来的比较致密，孔隙少. 冷端则水化反应有所抑制，空隙较大.这种冷端到热端结构的不均匀造成了混凝土宏观性能的下降.

3 结论

（1）冻结施工环境对于混凝土内部会造成一定的损伤，且平行于加温方向的损伤要大于垂直方向，C50混凝土的损伤大于C70混凝土，温度梯度会加剧混凝土内部的损伤.

（2）模拟冻结环境会对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、氯离子渗透性能和冲击倾向性造成不利影响，使抗压强度和劈裂抗拉强度降低，冷端氯离子渗透系数增大，冲击倾向性指标增大，且这种不利影响随着施加温度的温差增大而增大，对于相同的模拟冻结环境，高强度等级混凝土受到影响小于低强度等级混凝土.

（3）通过电镜扫描，模拟冻结环境对于混凝土试块的内部微观结构有较大的影响，混凝土低温端结构比较疏松，高温端结构比较致密，这种不均匀对混凝土性能产生不利影响.