王 恒

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院建井分院，北京 100013)

人工凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒掘砌施工的特殊工法。自凍結(jié)法誕生并引入國(guó)內(nèi)以來(lái)，已大量應(yīng)用于煤礦和市政地下工程凍結(jié)施工，取得了良好的工程效益[1，2]。傳統(tǒng)的凍結(jié)井筒采取雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)，但隨著國(guó)內(nèi)煤礦深度和凍結(jié)深度的增加，內(nèi)、外層井壁厚度設(shè)計(jì)逐漸加大以保證井壁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能。因此減薄井壁設(shè)計(jì)厚度為增加井壁結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的主要手段之一，其關(guān)鍵在于高性能混凝土的研究及應(yīng)用。

目前凍結(jié)井筒井壁存在配筋率低、井壁厚度大、建井成本高的缺點(diǎn)[3，4]。針對(duì)特厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)壁的特殊養(yǎng)護(hù)環(huán)境和施工條件，要求內(nèi)層井壁具有高耐久性、抗裂和防水性能[5]。同時(shí)由于深井凍結(jié)法施工混凝土內(nèi)壁屬于大體積混凝土施工，要求混凝土水化熱低，以防止井壁出現(xiàn)溫度裂縫等。因此增大混凝土的物理力學(xué)性能是減薄凍結(jié)井壁的有效手段，也是目前材料研究方向之一[6-9]。

趙固一礦對(duì)C80～C100標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行了試性研究，趙固二礦西風(fēng)井正式應(yīng)用C80～C100標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行井壁澆筑[10]。除添加劑外，高性能混凝土的應(yīng)用主要受限于原材料，尤其是骨料的選取，目前粗骨料主要為石灰石、白云石和玄武石，由于河沙來(lái)源有限細(xì)骨料更傾向于機(jī)制砂[11-14]。機(jī)制砂因人工制備的特點(diǎn)，其巖性、級(jí)配、石粉含量等都會(huì)對(duì)混凝土或者砂漿的性能產(chǎn)生特定影響，不了解和明確機(jī)制砂巖性及其合理級(jí)配，容易造成新拌混凝土工作性不良、硬化混凝土強(qiáng)度低和由于耐久性差引起的使用年限短等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重制約著機(jī)制砂的推廣和應(yīng)用[15-20]。

本文以石灰石機(jī)制砂為研究對(duì)象進(jìn)行顆粒級(jí)配，現(xiàn)場(chǎng)粗、細(xì)骨料均經(jīng)過(guò)水洗晾干后進(jìn)行配比試驗(yàn)，石粉含量5%，研究機(jī)制砂級(jí)配對(duì)高強(qiáng)度混凝土性能的影響。

1 機(jī)制砂級(jí)配試驗(yàn)

1.1 C80混凝土試驗(yàn)配比

根據(jù)趙固二礦凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定的C80混凝土配比見(jiàn)表1。

以表1為基礎(chǔ)，本文以二區(qū)砂的顆粒級(jí)配為基準(zhǔn)，設(shè)置了5個(gè)系列以研究級(jí)配變化對(duì)機(jī)制砂物理參數(shù)及對(duì)C80 混凝土性能的影響。

1.2 機(jī)制砂不同組分影響分析

根據(jù)機(jī)制砂顆粒級(jí)配組成的設(shè)置情況，本文作如下定義：粒徑大于等于1.18mm 的組成部分為I組分，粒徑小于1.18mm 的組成部分為II組分。各種機(jī)制砂基本參數(shù)見(jiàn)表2，顆粒級(jí)配如圖1所示。

由G1到G5，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)逐漸增大，其中，G1為細(xì)砂，G2、G3、G4為中砂，G5為粗砂。G3屬于連續(xù)級(jí)配；G2、G4曲線分別具有“倒S型”“S型”級(jí)配特征，前者有利于形成骨架結(jié)構(gòu)，后者更容易形成懸浮結(jié)構(gòu)；G1、G5均視為不良級(jí)配。

表2 機(jī)制砂級(jí)配基本參數(shù)

圖1 不同系列級(jí)配機(jī)制砂顆粒級(jí)配曲線

表2機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、表觀密度與空隙率三者之間的關(guān)系表明：由G1到G5，細(xì)度模數(shù)逐漸增大，但表觀密度、堆積空隙率、緊密空隙率均表現(xiàn)出“先降—后增—再降”的變化趨勢(shì)，說(shuō)明細(xì)度模數(shù)與這三個(gè)指標(biāo)之間并沒(méi)有直接相關(guān)關(guān)系，細(xì)度模數(shù)無(wú)法反映顆粒級(jí)配的真實(shí)情況，僅是表征砂的粗細(xì)程度的宏觀指標(biāo)，不能作為判斷砂品質(zhì)好壞的衡量指標(biāo)。

另外，由于G1—G5級(jí)配組成具有不同的特征，致使各系列砂的表觀密度、自然堆積空隙率、緊密堆積空隙率不相同。其中，由G1到G2，I組分含量增多，II組分含量略有減少，其表觀密度、堆積空隙率均減?。挥蒅2到G4，I組分含量減少，II組分含量也減少，其表觀密度、堆積空隙率均增大；由G4到G5，I組分含量增多，II組分含量減少，其表觀密度、堆積空隙率均減小。同時(shí)，對(duì)于G1和G4，砂的顆粒主要由II組分構(gòu)成，I組分嚴(yán)重缺失，組成較單一，其表觀密度、堆積空隙率均較大。

以上分析表明，顆粒級(jí)配是表觀密度、堆積空隙率大小的決定因素，I組分主要影響砂的堆積空隙率，II組分主要影響砂的表觀密度。要獲得較小的堆積空隙率，必須增大I組分的含量，適當(dāng)增加II組分含量，使I組分顆粒之間的間隙被II組分填充；要獲得較大的表觀密度，必須增大II組分的含量，減少I(mǎi)組分的含量，使顆粒級(jí)配偏細(xì)；要同時(shí)獲得較大的表觀密度、較小的堆積空隙率，則必須同時(shí)增大I、II組分的含量，即砂的顆粒級(jí)配具有骨架密實(shí)特征，如G2。因此，在機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中，必須根據(jù)使用要求及原材料的破碎情況，及時(shí)調(diào)整篩孔尺寸，才能獲得品質(zhì)優(yōu)良的機(jī)制砂。

1.3 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土工作性能影響

根據(jù)表1和表2的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)及組分，分別配制了5種不同級(jí)配系列的 C80 高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，其工作性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 C80混凝土性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知：

1)G1、G5機(jī)制砂屬于不良級(jí)配，配制的混凝土工作性能較差。其中，G1的級(jí)配中I組分含量過(guò)少、II 組分含量過(guò)多，所配制的混凝土較黏，和易性差，但保水性好；而G5的級(jí)配中I組分含量過(guò)多、II組分含量過(guò)少，1.18mm 篩檔含量均大于45%，所配制的混凝土表現(xiàn)出離析、泌水、骨料堆積、和易性差等特點(diǎn)。

2)G2、G3、G4中I、II組分的含量比例保持在1∶2左右，所配制的混凝土工作性能優(yōu)于G1、G5。另外，在G2、G3、G4中，其I組分的顆粒組成比例有所不同，特別是G4缺少粒徑2.36 mm 以上的顆粒，其所對(duì)應(yīng)混凝土的坍落度、擴(kuò)展度均小于G2和G3。因此，I、II組分含量多少及I組分顆粒間的組成比例，即機(jī)制砂顆粒級(jí)配及其顆粒間連續(xù)程度，是決定混凝土工作性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

1.4 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)C80混凝土力學(xué)及流變性能的影響

根據(jù)表1配比制作C80混凝土及新拌砂漿(按表1配比去除石子)。得到相應(yīng)配比下C80混凝土的強(qiáng)度曲線如圖2所示。

圖2 混凝土強(qiáng)度變化曲線

由于機(jī)制砂顆粒級(jí)配不同，所配制的混凝土強(qiáng)度具有明顯差異。由圖2可以看出，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的減小，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均先增加后減小。G3組機(jī)制砂，也就是機(jī)制砂顆粒級(jí)配處于二區(qū)中值時(shí)，其顆粒組成偏于骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最好，28d強(qiáng)度分別達(dá)到93.8MPa和4.74MPa。G1組和G2組機(jī)制砂由于顆粒級(jí)配組分中細(xì)顆粒(0.3mm、0.15mm篩余組分)嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致其所配制的混凝土強(qiáng)度下降，其28d抗拉強(qiáng)度比G3低10.1MPa、7.5MPa；劈裂抗拉強(qiáng)度比G3低0.3MPa、0.16MPa。G4組和G5組機(jī)制砂由于顆粒級(jí)配組分中粗顆粒(2.36mm、4.75mm篩余組分)嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致其所配制的混凝土強(qiáng)度明顯偏低，其28d抗壓強(qiáng)度比G3降低5.8MPa、8.3MPa；劈裂抗拉強(qiáng)度比G3降低0.1MPa、0.26MPa。

因此，機(jī)制砂顆粒級(jí)配是影響混凝土強(qiáng)度的一個(gè)不容忽視的因素，且機(jī)制砂I組分的含量大小及顆粒間組成比例是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。

采用德國(guó)Viskomat XL混凝土-砂漿流變儀對(duì)不同級(jí)配條件下的砂漿展開(kāi)試驗(yàn)，制砂級(jí)配對(duì)水泥砂漿流變參數(shù)的影響測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同機(jī)制砂級(jí)配砂漿體系流變曲線

圖4 不同機(jī)制砂級(jí)配砂漿體系觸變性

從圖3可知，不同機(jī)制砂級(jí)配的砂漿體系的扭矩均與剪切速率正相關(guān)，但曲線的斜率均越來(lái)越小，砂漿顯示假塑性流體模型特征，即“剪切變稀”的特性；剪切速率相同時(shí)，不同級(jí)配砂漿扭矩值G4>G1>G5>G2>G3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，機(jī)制砂最佳級(jí)配為G2和G3組。這也說(shuō)明G3組的砂漿達(dá)到一定流動(dòng)性所需要的外界能量最小，G4組砂漿達(dá)到一定流動(dòng)性所需要的外界能量最大，即機(jī)制砂顆粒級(jí)配處于二區(qū)中值時(shí)降低砂漿粘度的程度最大。

由圖4可見(jiàn)，在相同的剪切速率下，G4組的砂漿體系的剪切應(yīng)力最大，并且其觸變環(huán)的面積最大，說(shuō)明機(jī)制砂砂漿體系受到外力破壞時(shí)所需的扭矩較大，即體系由粘稠態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)態(tài)的難度較大；G2和G3組的砂漿由粘稠狀變?yōu)榱鲃?dòng)態(tài)較容易，觸變環(huán)面積較小，表明G2和G3組機(jī)制砂級(jí)配較優(yōu)，對(duì)流動(dòng)性能提供有效作用，降低了砂漿的粘度。

2 C80混凝土現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述機(jī)制砂混凝土的配制和性能測(cè)試數(shù)據(jù)，綜合考慮混凝土性能及成本影響，確定了趙固二礦C80機(jī)制砂混凝土配合比的基本參數(shù)，見(jiàn)表4。其中機(jī)制砂原料采用石灰石，級(jí)配G3，石粉摻加量5%。標(biāo)養(yǎng)條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表5，現(xiàn)場(chǎng)鉆芯法取樣對(duì)C80混凝土井壁抗壓強(qiáng)度檢測(cè)換算結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 C80機(jī)制砂高性能混凝土配比 kg/m3

表5 混凝土標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度 MPa

表6 趙固二礦西風(fēng)井井壁混凝土抗壓強(qiáng)度值(28d)

從表5分析，C80混凝土成型后，在標(biāo)養(yǎng)條件下，混凝土的早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度發(fā)展良好，早期強(qiáng)度的發(fā)展不影響后期強(qiáng)度增長(zhǎng)?；炷猎?0d后強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)，各混凝土強(qiáng)度還是逐步緩慢增長(zhǎng)，混凝土后期的強(qiáng)度發(fā)展則主要來(lái)自于粉煤灰等礦物摻合料的二次水化作用。

從表6可以看出，三個(gè)層位C80混凝土強(qiáng)度均超過(guò)設(shè)計(jì)要求，總體超過(guò)《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50213—2010)對(duì)井巷工程混凝土強(qiáng)度的要求(最低要求為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.15倍)。

3 結(jié) 論

1)不同級(jí)配的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)與表觀密度、堆積空隙率、緊密空隙率三個(gè)指標(biāo)無(wú)直接相關(guān)關(guān)系，細(xì)度模數(shù)無(wú)法反映顆粒級(jí)配的真實(shí)情況，僅是表征砂的粗細(xì)程度的宏觀指標(biāo)，不能作為判斷砂品質(zhì)好壞的衡量指標(biāo)。

2)機(jī)制砂各篩孔量占比分別為4.89%、12.24%、29.37%、54.33%、79.3%和93%時(shí)，C80混凝土的工作性能良好，流變扭矩值最小，且28d養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度達(dá)93.8MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)4.74MPa。

3)石灰石機(jī)制砂采用細(xì)度模數(shù)2.62的級(jí)配、且石粉摻量5%條件下，對(duì)凍結(jié)井筒實(shí)際澆筑的C80混凝土井壁進(jìn)行取芯，按取芯法進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，其換算值超過(guò)設(shè)計(jì)值的1.15倍，滿足施工需求。