《工程科学学报》：模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 棋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 Effects of a simulated freezing construction environment on the mass concrete performance WU Rui-dong.LIU Juan-hong,JI Hong-guang.CHE Shu-wu,ZHOU Yu-cheng.ZHANG Guang-tian 引用本文： 吴瑞东，刘娟红，纪洪广，车树武，周昱程，张广田.模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响叮工程科学学报，优先 发表.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.07.01.002 WU Rui-dong,LIU Juan-hong,JI Hong-guang,CHE Shu-wu,ZHOU Yu-cheng,ZHANG Guang-tian.Effects of a simulated freezing construction environment on the mass concrete performance[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi: 10.13374-issn2095-9389.2021.07.01.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.07.01.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报.2017,398)：1278 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.08.019 侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 Performance of reinforced concrete pier columns subjected to lateral impact 工程科学学报.2019.41(3：408 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.03.015 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报.2017,399：外1313 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.09.003 层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响 Effect of bedding dip on energy evolution and rockburst tendency of loaded phyllite 工程科学学报.2019,41(10)：1258htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.09.18.003 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报.2019,41(7)：864 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.004 基于3参数Weibull分布钢筋混凝土盐腐蚀环境中可靠性寿命分析 Reliability life analysis of reinforced concrete in a salt corrosion environment based on a three-parameter Weibull distribution 工程科学学报.2021,434：512 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.04.001

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 Effects of a simulated freezing construction environment on the mass concrete performance WU Rui-dong, LIU Juan-hong, JI Hong-guang, CHE Shu-wu, ZHOU Yu-cheng, ZHANG Guang-tian 引用本文: 吴瑞东, 刘娟红, 纪洪广, 车树武, 周昱程, 张广田. 模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响[J]. 工程科学学报, 优先 发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002 WU Rui-dong, LIU Juan-hong, JI Hong-guang, CHE Shu-wu, ZHOU Yu-cheng, ZHANG Guang-tian. Effects of a simulated freezing construction environment on the mass concrete performance[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报. 2017, 39(8): 1278 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.019 侧向冲击荷载下钢筋混凝土墩柱的性能 Performance of reinforced concrete pier columns subjected to lateral impact 工程科学学报. 2019, 41(3): 408 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.015 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic 工程科学学报. 2017, 39(9): 1313 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.003 层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响 Effect of bedding dip on energy evolution and rockburst tendency of loaded phyllite 工程科学学报. 2019, 41(10): 1258 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.18.003 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报. 2019, 41(7): 864 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.004 基于3参数Weibull分布钢筋混凝土盐腐蚀环境中可靠性寿命分析 Reliability life analysis of reinforced concrete in a salt corrosion environment based on a three-parameter Weibull distribution 工程科学学报. 2021, 43(4): 512 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.04.001

工程科学学报.第44卷，第X期：1-8.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-8,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002;http://cje.ustb.edu.cn 模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 吴瑞东，2)，刘娟红2)区，纪洪广12，车树武2)，周昱程2)，张广田2) 1)北京科技大学土木与资源工程学院.北京1000832)北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京1000833)河北省建筑 科学研究院有限公司，石家庄050021 区通信作者，E-mail:juanhong1966@hotmail.com 摘要模拟大体积混凝土在冻结法施工环境的状态，将混凝土浇筑7h后施加-560℃和-5/70℃温差，测试施加模拟环境 后混凝土的超声波参数、抗压强度、劈裂抗拉强度、氯离子扩散系数和冲击倾向性，分析混凝土的扫描电镜微观形貌.结果 表明，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.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，温差与性能降低率正相关，且这种影响对于低强度混凝土更加显著.模拟冻结环境造成混凝土试块 的内部微观结构不均匀，低温端混凝土结构比较疏松，高温端结构比较致密，导致部分混凝土性能的降低 关键词冻结法：大体积混凝土：冲击倾向性：深井井壁：超声波检测 分类号TU528 Effects of a simulated freezing construction environment on the mass concrete performance WU Rui-dong2),LIU Juan-hong2 JI Hong-guang2,CHE Shu-wu2),ZHOU Yu-cheng2),ZHANG Guang-tian2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Hebei Academy of Building Research,Shijiazhuang 050021,China Corresponding author,E-mail:juanhong1966@hotmail.com ABSTRACT Exhausted shallow resources have turned mining into deep mining,with the mining depth of most mines under construction being more than 1000 m.With the continuous increase of the mining depth of mineral resources,the thickness and strength grade of the shaft lining concrete increases,resulting in higher hydration heat.The freezing method is usually used in deep well construction,resulting in a high temperature on one side and a low temperature on the other side of the shaft wall concrete.The influence law of this environment on concrete needs to be studied.It is of great theoretical significance for deep well construction and service safety to find out the change law of the shaft wall concrete performance under a freezing construction environment.The temperature difference between-5/60 C and-5/70 C was applied to simulate the state of the mass concrete in the freezing method construction environment.The ultrasonic parameters,compressive strength,splitting tensile strength,chloride diffusion coefficient,and bursting liability of concrete under the simulated environment were studied,and the scanning electron microscope of the concrete was analyzed. Results show that the freezing construction environment will cause certain damage to the interior of the concrete,and the damage parallel to the heating direction is greater than that in the vertical direction.The damage of the C50 concrete is greater than that of the C70 收稿日期：2021-07-01 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600803):国家自然科学基金资助项目(51834001)：中央高校基本科研业务费资助项目 (FRF-BD-20-01B)

模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 吴瑞东1,2)，刘娟红1,2) 苣，纪洪广1,2)，车树武1,2)，周昱程1,2)，张广田1,2,3) 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 苣通信作者， E-mail: juanhong1966@hotmail.com 摘    要    模拟大体积混凝土在冻结法施工环境的状态，将混凝土浇筑 7 h 后施加−5/60 ℃ 和−5/70 ℃ 温差，测试施加模拟环境 后混凝土的超声波参数、抗压强度、劈裂抗拉强度、氯离子扩散系数和冲击倾向性，分析混凝土的扫描电镜微观形貌. 结果 表明，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. 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，温差与性能降低率正相关，且这种影响对于低强度混凝土更加显著. 模拟冻结环境造成混凝土试块 的内部微观结构不均匀，低温端混凝土结构比较疏松，高温端结构比较致密，导致部分混凝土性能的降低. 关键词    冻结法；大体积混凝土；冲击倾向性；深井井壁；超声波检测 分类号    TU528 Effects  of  a  simulated  freezing  construction  environment  on  the  mass  concrete performance WU Rui-dong1,2) ，LIU Juan-hong1,2) 苣 ，JI Hong-guang1,2) ，CHE Shu-wu1,2) ，ZHOU Yu-cheng1,2) ，ZHANG Guang-tian1,2,3) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Hebei Academy of Building Research, Shijiazhuang 050021, China 苣 Corresponding author, E-mail: juanhong1966@hotmail.com ABSTRACT    Exhausted  shallow  resources  have  turned  mining  into  deep  mining,  with  the  mining  depth  of  most  mines  under construction being more than 1000 m. With the continuous increase of the mining depth of mineral resources, the thickness and strength grade  of  the  shaft  lining  concrete  increases,  resulting  in  higher  hydration  heat.  The  freezing  method  is  usually  used  in  deep  well construction, resulting in a high temperature on one side and a low temperature on the other side of the shaft wall concrete. The influence law of this environment on concrete needs to be studied. It is of great theoretical significance for deep well construction and service safety to find out the change law of the shaft wall concrete performance under a freezing construction environment. The temperature difference between −5/60 ℃ and −5/70 ℃ was applied to simulate the state of the mass concrete in the freezing method construction environment.  The  ultrasonic  parameters,  compressive  strength,  splitting  tensile  strength,  chloride  diffusion  coefficient,  and  bursting liability of concrete under the simulated environment were studied, and the scanning electron microscope of the concrete was analyzed. Results show that the freezing construction environment will cause certain damage to the interior of the concrete, and the damage parallel to the heating direction is greater than that in the vertical direction. The damage of the C50 concrete is greater than that of the C70 收稿日期: 2021−07−01 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0600803）；国家自然科学基金资助项目（51834001）；中央高校基本科研业务费资助项目 （FRF-BD-20-01B） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−8，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−8, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002; http://cje.ustb.edu.cn

工程科学学报，第44卷，第X期 concrete,and the temperature gradient will aggravate the internal damage of the concrete.The simulated freezing environment will have adverse effects on the compressive strength,splitting tensile strength,chloride ion permeability,and bursting liability of the concrete. The temperature difference has a positive correlation with the performance reduction rate,which becomes more significant for low- strength concrete.The internal microstructure of the concrete block is uneven due to the simulated freezing environment,the concrete structure at the low-temperature end is loose,and the structure at the high-temperature end is dense,resulting in the decrease of the concrete's performance. KEY WORDS freezing method;mass concrete;bursting liability:deep shaft lining;ultrasonic measure 随着浅层资源开采殆尽，采矿逐步向深层方 本就处于高地应力、高腐蚀离子等复杂环境，会加 向发展，建井深度达千米以上-②.人工冻结法是 速混凝土性能的劣化8-2刈冻结法施工环境会在 一种特殊的施工方法，将天然岩土变成冻土，增加 混凝土外壁施加低温，与混凝土内部高水化热造 强度和稳定性，隔绝地下水，从而在冻结壁的保护 成的高温形成很大的温度梯度差，这种温度梯度 下进行地下工程掘砌施工.冻结法因其可靠、施 对早龄期混凝土造成损伤2，从而影响井壁混凝 工灵活、适应性强等特点，在建井、地铁隧道工程 土的服役安全.目前，深井井壁混凝土的研究主要 等广泛应用]尤其在深竖井工程中，冻结法是 集中在深地环境对混凝土性能影响，但关于冻结 常用的特殊施工方法之一6刀人工冻结法对于地 法环境对井壁混凝土性能影响的试验研究少见报 层和岩体有一定的影响，国内外学者研究主要集 道，因此探明冻结法施工环境下井壁混凝土性能 中在对冻结法温度场及其对岩体的性能影响⑧-0 的变化规律对深井施工和服役安全具有重要理论 开采深度的不断增加，导致井壁混凝土的设 意义.本文设计了一种试验仪器及方法模拟冻结 计厚度随之增大、强度等级也较高-2).深井井壁 法施工环境下井壁大体积混凝土的工作状态，对 混凝土的厚度在1m以上，有的设计厚度甚至达2m 混凝土两侧施加-5/60℃和-5/70℃的温差，研究 以上，深井井壁混凝土的强度常在C60以上].深 模拟施工环境对混凝土超声波参数、力学性能、 井井壁混凝土已经满足大体积混凝土的条件，尤 氯离子渗透性、冲击倾向性和微观形貌的影响. 其高强度混凝土的胶凝材料用量大，造成大体积 1原材料及试验方法 混凝土的水化热较大，混凝土内部温度可高达 60~70℃4-)，甚至更高的温度.这种高水化热所 1.1试验原材料 造成的温度应力会引起混凝土的开裂，影响混凝 本文采用北京金隅P.042.5水泥，主要技术指 土的力学强度和耐久性61刀深井井壁混凝土原 标见表1. 表1P.042.5水泥性能指标 Table 1 Main properties of cement Water mass requirement Initial setting Final setting Specific surface Flexural strength/MPa Compressive strength/MPa for normal Soundness consistency/% time/min time/min area/(m'.kg) 3d 28d 3d 28d 29.2 162 226 392 Qualified 4.9 9.9 27.5 50.0 Ⅱ级粉煤灰：需水量比（质量分数）97.6%，细 含泥量（质量分数）3.2%. 度(45um筛余)6.5%，比表面积440m2-kg,烧失 粗骨料：粒径为5~20mm连续级配碎石，空 质量分数4.9% 隙率为40.7%，表观密度2650kgm3,压碎指标 S95级矿粉：需水量比96.2%，比表面积475m2kg, 8.8%. 细度(45μm筛余)1.0% 外加剂：西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂， 硅灰：硅灰为河北某冶金厂生产的超细硅灰， 减水率约为30%.含固量（质量分数）15% 比表面积为20000m2kg,其中小于1m的颗粒 1.2混凝土配合比 约占总体颗粒的80%，平均粒径约为0.2μm.成分 根据大多数矿井井筒所用混凝土的实际情 中Si02约占到总体质量的90% 况，本文的模拟试验选用C50和C70两个强度等 细骨料：表观密度2450kgm3,细度模数2.8， 级，配合比见表2

concrete, and the temperature gradient will aggravate the internal damage of the concrete. The simulated freezing environment will have adverse effects on the compressive strength, splitting tensile strength, chloride ion permeability, and bursting liability of the concrete. The  temperature  difference  has  a  positive  correlation  with  the  performance  reduction  rate,  which  becomes  more  significant  for  low￾strength concrete. The internal microstructure of the concrete block is uneven due to the simulated freezing environment, the concrete structure  at  the  low-temperature  end  is  loose,  and  the  structure  at  the  high-temperature  end  is  dense,  resulting  in  the  decrease  of  the concrete’s performance. KEY WORDS    freezing method；mass concrete；bursting liability；deep shaft lining；ultrasonic measure 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 Water mass requirement for normal consistency/% Initial setting time/min Final setting time/min Specific surface area/(m2 ·kg−1) Soundness Flexural strength/MPa Compressive strength/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d 29.2 162 226 392 Qualified 4.9 9.9 27.5 50.0 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 m 2 ·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. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

吴瑞东等：模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 3 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 Strength grade Cement Fly ash Slag powder Silica fume Sand Stone Water PC C50 320 80 85 0 673 1077 155 5.82 C70 337 100 108 25 555 1126 140 9.69 Note:is polycarboxylate superplasticizer for concrete. 1.3试验方法 端-5℃热端70℃，浇筑C50强度等级混凝土试 施工现场的混凝土在浇筑后处于自身水化反 验组试块，浇筑7h后加温，同时浇筑标准养护条 应放热的升温状态，而靠近冻结壁的一面受到冻 件下的对比参照组.为方便冷端和热端的测试，试 结壁的低温影响.模拟试验中，采用在试块一侧提 块尺寸为200mm×200mm×200mm,方便切割测试 供外加热源的方式代替混凝土的自身水化反应放 性能.强度试验根据GB/50081一2019和标准试件 热，另一侧施加低温模拟冻结环境.试验设计了冻 对应试验计算，取尺寸换算系数1.05 结施工环境下大体积混凝土大温差模拟试验机， 2结果与讨论 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 2.1混凝土的超声波测试 置、热媒循环系统、温度控制系统组成，并带有精 2.1.1不同温度方向的混凝土超声波检测 确的调节温度的控制系统，可根据试验要求提供 超声波测试法是检测混凝土强度的一种常用 不同温度梯度.通过对试块加热和制冷可以模拟 无损检测.超声波脉冲在混凝土传播的过程中会 大体积混凝土在冻结法施工环境中内部结构的变 因为混凝土内部的结构不同而发生改变，超声波 化，该设备已授权实用新型专利 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 图1试验仪器.(a)主控机箱：(b)循环管线和加温模具 梯度的递变方向平行的，定义在此相对面上测得 Fig.I Experiment instrument:(a)main control cabinet;(b)circulation 超声检测为平行组.排除成型面，另外一组相对面 pipeline and heating mold 作为超声损伤检测面，超声波传播方向与温度梯 试验设计初始，结合近年来国内外冻结法施 度的方向垂直，定义此面测得超声检测为垂直组， 工的研究情况和项目现场的实测数据，混凝土浇 如图2所示 筑后7~24h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24h后施加温度，根据 High temperature surface 混凝土的凝结时间测试，不能有效模拟井下混凝 Parallel 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、 Vertical← 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，停止加温时间为混凝 土浇筑后72h.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 Low temperature surface 条件至28d,检测试验混凝土试块的各项性能.分 图2超声检测方向示意图 别设定模拟试验环境为冷端-5℃热端60℃和冷 Fig.2 Schematic diagram of the ultrasonic testing direction

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 Strength grade Cement Fly ash Slag powder Silica fume Sand Stone Water PC* C50 320 80 85 0 673 1077 155 5.82 C70 337 100 108 25 555 1126 140 9.69 Note：* is polycarboxylate superplasticizer for concrete. 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. (a) (b) 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. High temperature surface Parallel Vertical Low temperature surface 图 2    超声检测方向示意图 Fig.2    Schematic diagram of the ultrasonic testing direction 吴瑞东等： 模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 · 3 ·

工程科学学报，第44卷，第X期 按照试验方法检测C50、C70混凝土在不同温 表4混凝土在不同温差模拟条件下的超声检测分析结果 度差下的超声波波速和波幅，结果见表3 Table 4 Analysis results of ultrasonic testing of concrete under different simulation conditions 表3混凝土在不同条件下的超声检测结果 Relative variation ratio/% Strength Temperature Table 3 Ultrasonic testing results of concrete under different conditions grade difference/.℃ Vertical Parallel Vertical Parallel Strength Simulation Velocity/ velocity velocity amplitude amplitude grade condition/℃ Direction Amplitude/db (kms") C50 -5/60 2.9 7.4 1.7 3.7 -5/60 Vertical 101.8 5.68 C50 -570 4.7 10.3 2.0 42 -5/60 Parallel 99.8 5.42 C70 -5/60 1.8 4.1 1.6 3.1 Standard curing 103.6 5.85 C70 -570 2.1 5.8 1.9 4.8 C50 -570 Vertical 102.1 5.66 -5/70 Parallel 100.0 5.33 试验结果表明，对于相同强度等级的混凝土， Standard curing 一 104.2 5.94 在不同的模拟冻结环境下，混凝土超声波波速和 -5/60 Vertical 103.1 6.03 波幅的变化率随温度梯度的增加而增大.混凝土 -5/60 Parallel 101.6 5.89 内部影响超声波传播速度的损伤主要发生在平行 Standard curing 104.8 6.14 C70 于温度梯度的方向，而在垂直于温度梯度方向损 -5/70 Vertical 103.3 6.08 伤较小.对于影响超声波波幅的损伤，在垂直和平 -570 Parallel 100.2 5.85 行于温度梯度的两个方向均有发生，平行于温度 Standard curing 105.3 621 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， 2.1.2模拟冻结环境对混凝土超声波参数的影响 与施加温差成正相关.相同模拟冻结环境对不同 为减少试验误差，施加温差和标准养护的混 强度等级的混凝土影响不同，对于低强度C50混 凝土同一批成型，超声波检测区域进行16次不同 凝土的影响较大，对于高强度等级影响较小 点位的测试，去掉3个最大值，去掉3最小值，取 2.2混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度 10组中间值的平均值为最终检测数据.以标准养 为研究不同温差的模拟冻结环境对混凝土抗 护组为基准，通过试验组和标养组的差值同标养 压的强度影响，进行了C50和C70混凝土在冷端 组的比值，可以计算出C50和C70混凝土在不同 温度-5℃热端温度60℃和冷端温度-5℃热端温 温差环境下垂直组、平行组的声速和波幅的相对 度70℃的模拟试验，测试其抗压强度，并与标准 变化率，见表4 养护试块进行对比，结果见图3. 90a) ☑-5/60℃ 79.8 4.0b)7☑-560℃ 38 80 -5/70℃ 75.3 570℃ 4 Stanard 66.5 3.5 Stanard 70 58.7 29 3.0 60 52.9 2.5 2.5 40 2.0 020 0 0 0.5 0.0 C50 C70 C50 C70 Concrete grade Concrete grade 图3混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度.()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 境，会造成混凝土硬化过程中的损伤，从而降低混 环境对于混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均有 凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度.冻结环境对 一定的影响，抗压强度和劈裂抗拉强度随着温度 C50混凝土强度的降低率大于C70混凝土，对抗 梯度的增加而变小.浇筑7h施加模拟冻结法环 拉强度的影响略高于抗压强度.以-5/70℃的

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 Strength grade Simulation condition/℃ Direction Amplitude/db Velocity/ (km·s−1) C50 −5/60 Vertical 101.8 5.68 −5/60 Parallel 99.8 5.42 Standard curing — 103.6 5.85 −5/70 Vertical 102.1 5.66 −5/70 Parallel 100.0 5.33 Standard curing — 104.2 5.94 C70 −5/60 Vertical 103.1 6.03 −5/60 Parallel 101.6 5.89 Standard curing — 104.8 6.14 −5/70 Vertical 103.3 6.08 −5/70 Parallel 100.2 5.85 Standard curing — 105.3 6.21 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 Strength grade Temperature difference/℃ Relative variation ratio/% Vertical velocity Parallel velocity Vertical amplitude Parallel amplitude C50 -5/60 2.9 7.4 1.7 3.7 C50 -5/70 4.7 10.3 2.0 4.2 C70 -5/60 1.8 4.1 1.6 3.1 C70 -5/70 2.1 5.8 1.9 4.8 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. Compressive strength/MPa Splitting tensile strength/MPa C50 C70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 58.7 52.9 66.5 79.8 75.3 83.2 2.9 2.5 3.4 3.5 3.2 −5/60 ℃ 3.8 −5/70 ℃ Stanard Concrete grade C50 C70 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 −5/60 ℃ −5/70 ℃ Stanard Concrete grade (a) (b) 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 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期