早龄期荷载与负温作用的井壁混凝土性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 2 期 (总 第 3 O 4 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 2 0 0 3 早龄期荷载与负温作 用的井壁混凝 土性 能研 究 王祖 琦 ， 刘娟红 ，纪洪广 ( 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要： 对于冻结法施工的井壁混凝土， 由于在早龄期受到了冻结土压力等荷载 以及负温的作用， 所引起的混凝土早期损伤会 导致井壁混凝土耐久性下降。 针对这些问题， 研究了早龄期荷载和负温耦合作用对冻结竖井井壁 C 6 0混凝土抗压强度 、 氯离子 扩散系数 、 声发射特征 的影响。 结果表明： 在早龄期荷载和负温耦合作用下， 随着早龄期荷载的增加 ， 抗压强度明显下降， 氯离子 扩散系数有所提高 ， 混凝土的渗透性由“ 中” 变为“ 高” ， 内部产生了更多的微裂缝 ， 导致声发射“ 活跃阶段” 提前出现 ； 防冻剂的加 入能提高在早龄期荷载和负温耦合作用下的混凝土抗压强度以及抗氯离子侵蚀性能； 在混凝土中掺入仿钢纤维后可明显增加混 凝土在早龄期荷载和负温耦合作用下的受荷载能力以及抗氯离子的渗透性能 ， 对应的声发射信号相对稳定 。 关键词 ： 早龄期荷载 ； 负温； 井壁混凝土 ； 氯离子扩散性； 声发射特征 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 1 0 0 4 R e s e a r c h o n t h e p e r f or m a n c e o f s h a f t l i n i n g c o n c r e t e u n d e r t h e e ffe c t o f e a r l ya g e l o a d a n d n e g a t i v e t e m p e r a t u r e WANG Zu ，LI U J u a n h o n g， J IHo n g gu a n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g， Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Be ij i n g， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a ) Abs t r ac t： Fo r t h e s h a f t wa l l c o n c r e t e u n d e r f r e e z i n g c o n s t r u c ti o n e a r l ya g e f r o z e n p r e s s u r e l o a d a n d n e g a t i v e t e mp e r a t u r e c a n c a us e e a r l y d a ma g e i n s i d e c o n c r e m a nd fin a l l y l e a d t o the r e d u c ti o n o f c o n c r e m d u r a b i l i t y Ai mi n g a t the s e p r o bl e ms， i t s t u d i e d t h e c o u p l i n g e f f e c t o f e a r l ya g e l o a d a n d n e g a t i v e t e mpe r a t u r e o n the s t r e n g th ， c h l o rid e di f f u s i o n a n d a c o u s tic e mi s s i o n c h a r a c t e ris t i c of f r e e z i n g s ha f t wa l l C6 0 c o n c r e m Th e r e s u l t s s h o w t ha t un d e r the c o up l i ng e f f e c t o f e a d y a g e l o a d a n d n e ga t i v e t e m p e r a t u r e， wi t h t h e i n c r e a s e o f e a r l ya g e l oa d， c o mp r es s i o n s t r e n g t h d e s c e n d s o bv i o u s l y a n d c h l orid e d i f f u s i o n c o e f fic i e n t i n c r e a s e s a p p are n t l y， c o n c r e t e p e r me a b i l i t y c h a n g e s f r o m“ mi d d l e t o “h i g h”， the i n t e r na l mi c r o c r a c k s an d de fic i e n c y l e a ds t o a d v an c i n g the a c tiv e p ha s e of a c o u s tic e mi s s i on； An t i f r e e z e c a n i mp r o v e c o mp r e s s i o n s e n g t h an d the r e s i s t a n c e to c h l o rid e i o n u n d e r the c o u pl i n g e f f e c t o f e a r l ya g e l o a d a n d n e g a t i v e t e mp e r a t u r e； a d d i ng i mi ta t i o n o f s t e e l fib e r s i n c o n c r e t e c a n i mp r ov e the l o a d - b e a r i n g c a p a c i t y an d a n ti - c hl o rid e i o n p e r me a b i l i t y o f t h e c o nc r e t e u n d e r t h e c o u p l i n g e f f e c t o f e a r l y a g e l o a d a n d n e g a t i v e t e mp e r a tur e a nd t h e c o r r e s p o n d i n g a c o us t i c e mi s s i o n s i g n a l i s r e l - a t i v e l y s t a b l e Ke y wor ds： e a r l ya g e l o a d ； n e g a ti v e t e mper a t u r e ； s h a f t l i n i n g c o n c r e t e ； t h e d i f f u s i o n o f c h l o ri d e ； a c o u s t i c e mi s s i o n c h a r a c t e ri s t i c s 近年来 ， 随着深层煤炭及各 种矿体 的开发 ， 井筒深度 不断加大 ， 且我国资源开发的重点 已经逐渐 由内地转向西 部地区 ， 由于 白垩系 、 侏 罗系等地层无 明显 的隔水层 ， 为确 保井筒安全顺利施工 ， 不少井筒采用 一次冻全深 的方 法 ， 将冻结深度延长到井简底部 1 0 i n左右 ， 对表土层 和基 岩 一 起冻结 。 在井筒施工期间 ， 随着井筒穿越 冲积层厚度 的加大 ， 作用于井壁上的各种竖 向横 向压力 、 冻结 法施工时 的冻 结压力等荷 载的耦合作用 往往会使得混凝 土在 远未达到 设计 强度时即产 生破坏 ， 或是 由于过早 的承受 荷载 ， 以及 受温度应力作用而产生裂缝 。 。 。 而且 ， 许 多矿 井位于地 下水 丰富、 且又富含氯离子 ( c l 一 ) 和硫酸根离子( s 0 一 ) 等 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 0 8 基金 项 目 ： 国家 闩然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 4 0 1 5 ) 1 0 侵蚀性介质 的区域 ， 例如我 国的内蒙古 、 宁夏等西部 区域。 复杂的力学作用诱发的井壁裂缝 ， 改变了周 围侵蚀介质特 别是氯离子在混凝土 内部传输的边界 条件 ， 各种有害离子 沿着裂 缝很 容 易 侵 入 到混 凝 土 内部 ， 从 而 扩 大 侵 蚀 面 积 ， 加剧井筒混凝 土结构 的损伤劣化 ， 导致井 壁服役 寿命大大缩短 。 以往 对井壁 混凝土结 构 的研 究 中， 考 虑竖 向附加力 和温度应力作用下 昆 凝 土劣化 问题 较多 。 而对 于混 凝土 井壁在早龄 期荷 载 作用 下 的早 期损 伤 ， 以及冻 结 压 力 、 冻结温度等对井壁 混凝 土性能的劣化等 问题 的研 究 尚不 多见。 本试验研究了早龄期荷载及负温耦合作用下 ， 防冻 剂和仿钢纤维的加入对冻结竖井 井壁 C 6 0混凝土抗压 强 度 、 氯离子扩散系数 、 声发射特征的影 响 ， 并对其机理进行 了探讨。 少了在荷载及负温耦合作用下混凝土抗压强度的降低 ； 荷 载和负温的耦 合作用 ， 使混凝 土处于对 自身 强度 发展很 不利的条件 ， 当早龄期荷 载达到 当时强度的 4 0 时 ， 即使 加入防冻剂 ， 混凝土强 度 的发 展也会 受到 很大程 度 的影 响， 抗压强度从 7 3 8 MP a降到 6 2 2 MP a 。 添加仿钢纤维的 混凝土 ， 在早龄期荷载和负 温耦 合作用下 ， 随着荷载 的增 加 ， 抗压强度下降并不 明显 ； 与未添 加仿 钢纤维 的混凝 土 相比， 在加压 3 0 、 4 0 的 条件 下 ， 抗 压强 度分 别 提高 了 1 5 3 、 2 2 5 。 由此 ， 在混凝 土 中掺 入仿钢纤 维后可 明显 增加混凝 土在早 龄 期荷 载 和负 温耦 合作 用下 的受荷 载 能 力 8 0 7 0 60 善5 0 警 o 30 20 1 O 0 衙 载 水 半 图 3 早龄期荷载和负温耦合作用对不同混凝土 2 8 d抗压强度影响 2 2 早龄期荷栽和 负温耦合作用对不同混凝土氯 离子扩散 系数的影响 图 4为早龄期荷载和负温耦合作用对 不同 C 6 0混凝 土氯离子扩散 系数的影响。 口未添加仿钢纤维 日添 加 仍 俐 升 班 5 3 - 朱添加仿钢纤维( T s u 防冻剂) 56 3 5 3 4 O 2 _ 3 1 6 3 1 5 2 标 准 养 护 加 压 3 O 加 压 4 0 荷 载水 平 图 4早龄期 荷载 和 负温耦 合作 用对 不同混 凝土 氯离 子 扩散系数的影响 可以看出， 早龄期荷载和负温耦合作用下 ， 未添加仿钢 纤维混凝土的氯离子扩散系数有所的提高 ， 当早龄期荷载达 到当时强度的 4 0 U ?， 氯离子扩散 系数 由3 1 6 X 1 0 c m2 i s 增加到 5 3 1 1 0 c m。 s ， 增加了 6 8 ， 混凝土的渗透性 由 “ 中” 变为“ 高” 。 防冻剂的加入 ， 使在荷载和负温耦合作用 下的混凝土氯离子扩散系数有所降低， 但由于 C 6 0混凝土 水胶比很低， 在负温影响下， 没有多余水分冻结成冰晶， 因 此受冻后肿胀 不是 很明显 ， 氯离 子扩散 系数 降低 幅度不 大。 而添加仿钢纤维混凝 土 ， 在早 龄期 荷载及负温耦合作 用下 ， 当早龄期荷载达到 当时强度 的 4 0 时 ， 氯离子扩 散 系数 由5 3 1 1 0 c m i s 降低到 3 3 5 X 1 0 C ff l_ s ， 混凝土 的渗透性属于“ 中” 。 1 2 2 3 早龄期荷载和 负温耦合作用对井壁混凝土声 发射 性能的影 响 声发射是? 昆 凝土材料在受载过程 中的伴生现象 ， 而l 1 - 在 不同的受力条件下 ， 会表 现出不同的声发射特征 。 通过 对声发射信号的分析 ， 可以初步推断混凝土 内部裂纹 的分 布和扩展情况 。 普通混凝 土 的声发射信 号特征 可以分 为 3个 阶段 ： ( 1 ) 初始阶段 。 试件在加载后便 立 即有声 发射信 号产 生 ( 2 ) 平稳阶段。 随着 荷载的增加 ， 微 裂纹的产 生和扩展也 相应地增加 ， 该 阶段声发 射的典 型特征 是信 号脉 冲计数 相对较少 ， 但持 续存在 。 ( 3 ) 活跃 阶段 。 微裂 纹 的集 中越 演越烈 ， 逐渐形成若干条破碎带 。 此时 ， 信号脉冲计数再次 增加 ， 信号 的幅度也 大大增加 。 随着 荷载 的进 一步增加 ， 微破碎带 逐渐 发展 成 宏观 裂 纹 ， 并 非稳 定 扩展 ， 最 终 导 致试块的突然开裂 。 此时， 对应的声发射信号声稳步增多 、 增强 。 图 5 表示早龄期荷载 和耦合作 用下 C 6 0混凝 土声发 射振铃计数 一 应力应变 曲线 。 图 5 ( a ) 是普通 C 6 0高强混凝土声 发射 特征图 ， 由于 高强混凝土试块 内部原有的微孔隙缺陷少 ， 在单轴受压过 程中 ， 其声发射 主要发 生在受压 的“ 活跃 阶段 ” 。 图 5 ( b ) 是荷载和负温耦合作用下混凝土 的声发射特征图 ， 图形接 近于标准状态下 的混凝土 ， 即可分为初始 阶段 、 稳定阶段 和不稳定 阶段 ， 但声发射信号的强度大大增强。 混凝土在早龄期和负温的耦合作用下 ， 其内部结构 的 损伤较为严重 ， 即内部产生 了更多 的微 裂缝 。 微裂缝产 生 的原因是混凝土在早龄期负温养护期 间， 水泥水化反应产 生 的水化热与周 围负温环境产生不均匀温度场 ， 从而在结 构内部产生温度应力 ； 且在早龄期 荷载的作用下 ， 混凝 土 内部产生微小裂缝 降低 了抗拉 强度。 这种情况下 ， 混凝 土 内部裂缝的数量较 多 、 宽度 较大 、 深度 较深 。 在荷载作 用 下逐步被压实 ， 使其 内部微结构发 生变化 ， 会产生声 发射 信号 。 同时， 在内部孔隙压实之后 ， 荷载的增加就会直接 导 致混凝土不连续 的微 裂隙逐渐开裂 、 扩展 ， 并产 生连续破 坏 ， 因此 ， 对应的声发射 信号较强。 另外 ， 荷 载和负温耦合 作用时， 混凝土呈 现明显 的塑性变形 ， 说 明混凝 土 内部存 在软弱区域或大量未愈合 的孔 隙和裂缝 。 图 5 ( C ) 是荷载 和负温耦合作用时加人 防冻剂混凝土 的声发射特 征图， 与 图 5 ( b ) 相 比对应 的声发射信号 相对较 弱 ， 这是 由于 防冻 剂的加入降低了混凝土毛细孔 中水受 负温产生 的冻结 压 力 ， 减少 了混凝土 内部的微裂缝及缺陷。 图5 ( d ) 是荷载和 负温耦合作用时加入仿钢纤维混凝 土的声发射特征图 ， 仿 钢纤维的加入提高了混凝土的抗裂性能 ， 减少 了混凝土内 部的微裂缝和缺陷， 对应的声发射信号相对稳定。 3 结 论 ( 1 ) 早龄期荷载和负温耦合作用下 ， 混凝土 2 8 d抗压 强度降低明显 ， 氯离子扩 散系数 有所增 加。 当早 龄期葡载 达到当时强度的4 0 且与负温耦合作用时 ， 混凝土 2 8 d 抗 6 5 4 3 2 1 O 一 1u 一 一 、 簸垛衽 氍撅 曩 50 一 804ot 60O0lOt 。 llIl 0oo料 耋 灌 J 。犟 叶 一 I J 。萋 一 啊一 一 一一 一一 一 -一 。 7 0 6 O 5 O 星 4 o 。 2 0 1 0 O 6 O 5O 4O 要 s 。 2。 l 。 O 应 变 s ( a 1 普 通C6 0 5 O O 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 应变 8 ( b 1 荷 载 负 温 耦合 500 1 000 1 5OO 2 0 00 2 500 应变 8 ( c 1 荷 载 负温 耦 合 加防 冻 剂 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 0l 4 0 01 6 0 01 8 0 0 2 O 0 0 2 2 0 0 应变 L L s f d ) 荷 载 负温 耦 合 力仿 钢 纤 维 图 5 早龄期荷载和负温耦合作用下 C 6 0混凝土 声发射振铃计数 一 应力应变曲线 褂 ： 缸 塔 j 5L 士 鞲 褂 妊 蜷 压强度降低 2 0 以上 ， 氯离子扩散系数 由3 1 6 x 1 0 “c m 2 s 增加到 5 3 1 x 1 0 一c m2 s ， 混凝土的渗透l生由“ 中” 变为“ 高” 。 ( 2 ) 早龄期荷载和负温耦合作用下 ， 掺加 防冻剂混凝 土 2 8 d抗压强度也 会受到一 定程度 的影响 ， 但 较不掺加 防冻剂的混凝土抗压强度有所提高 ， 抗氯 离子侵蚀性能也 得到改善。 ( 3 ) 仿钢纤维的加入 ， 可明显增加混凝土 在早龄期荷 载和负温耦合作用下的受荷载能力和抗氯离子侵蚀性能。 与未添加仿钢纤维的混凝土相 比， 在加压 4 0 的条件下 ， 抗 压强度提高了 2 2 5 ， 氯离子扩散系数 由 5 3 1 x 1 0 c m 2 s 降低到 3 3 5 x 1 0 c m s ， 混凝土的渗透性属于“ 中” 。 ( 4 ) 混凝 土在早龄期和负温耦合作用下 ， 其 内部结 构 的损伤情况 比早 龄期 或负温单独作用 于混凝土时要更 严 重 ， 内部产生了更多的微裂缝导致声发射 “ 活跃阶段” 提前 出现； 混凝土内部存在软弱区域以及大量未愈合的孔隙和 裂缝 ， 使混凝土呈现 明显 的塑性变形 。 仿钢纤维 的加入提 高了混凝土的抗裂性能 ， 减少 了混凝 土内部 的微裂缝和缺 陷 ， 对应 的声发射信号相对稳定。 参考文献： 1 张驰 ， 杨维好 ， 杨志江 ， 等 深厚含水基岩 区立井外壁冻结压力 的实测与分析f J 煤炭学报， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 1 ) ： 3 3 3 8 2 姚直书 ， 程桦， 荣传新 西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设 计与优t gE J 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 5 ) ： 7 6 0 7 6 4 3 周晓敏， 贺震平， 纪洪广 高水压下基岩冻结壁设计方法 J 煤 炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 2 1 2 1 2 1 2 6 4 王涛 ， 岳丰田， 姜耀东 ， 等 井筒冻结壁强制解冻技术的研究与 实践 J 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 6 ) ： 9 1 8 9 2 2 5 梁恒昌， 周国庆， 赵光思， 等 井壁破裂过程的应变实测特征分 析E J 3 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 9 8 2 0 2 6 刘环宇， 陈卫忠 ， 王争鸣 兖州矿区立井井筒破坏机制的理论 分析 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( S 1 ) ： 2 6 2 0 2 6 2 6 r 7 3崔广心 论深厚表土层中确定地下结构物外载的基础理论 一 深土力学 J 煤炭学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 31 6 8 詹炳根， 孙伟， 沙建芳， 等 碱硅酸反应作用下混凝土中氯离子 扩散规律和结合能力 J 东南大学学报 ： 目然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 6 ) ： 9 5 6 9 6 1 9 余红发， 孙伟 ， 张云升， 等 在冻融或腐蚀环境下混凝土使用寿 命预测方法I 损伤演化方程与损伤失效模式 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( S 1 ) ： 1 2 81 3 5 1 o 黄战， 邢锋， 董必钦， 等 荷载作用下的混凝土硫酸盐腐蚀研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 6 6 6 9 1 1 邢锋 ， 冷发光 ， 冯乃谦 ， 等 长期持续荷载对素凝土氯离子渗透 性的影响 J 混凝土， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 3 8 1 2 方永浩， 李志清， 张亦涛 持续压荷载作用下混凝的渗透 l生 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 0 6 1 1 1 ： 1 3 3 伟 荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服 役寿命 J 东南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 2 ) ： 7 1 4 ： 1 4 王衍森 ， 薛利兵 ， 程建平 ， 等 特厚冲积层竖井井壁冻结压力的 实测与分析 J 岩土工程学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 2 ) ： 2 0 7 2 1 2 ： 1 5 郝育忠 机械设计基础 M 重庆： 重庆大学出版社， 2 0 0 7 ： 1 6 丁敏 复杂荷载条件地下结构的破坏预测 D 山东 ： 山东科技 大学 ： 2 0 0 5 作者简介： 王祖琦 ( 1 9 9 2一 ) ， 女， 研究方向 ： 混凝土材料组成、 结 构与性能。 联系地址 ： 北京市海淀区学院路 3 0号 北京科技大学土木与环境 工程学院 8 1 4室( 1 0 0 0 8 3 ) 联系电话 ： 1 3 9 1 0 8 9 3 6 8 0 l 3 0 0 O O 0 0 O O 0 O O O 0 O 0 0 0 O O O 0 0 O O 4 2 0 0 O 0 O l 1 l 8 6 4 2 0 0 0 O O O 0 蛐 加 0 0 o O O O 0 0 O O 0 0 0 如 们 如 加 加 B d R