《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

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 5 C50混凝土为例，抗压强度和劈裂抗拉强度分别较 和温度梯度的方向平行时，定为平行组：当氯离子 标养组下降了20.5%和26.5%. 移动方向和温度梯度的方向垂直时，定为垂直组 2.3混凝土的氯离子扩散系数 根据试块在施加温度时所取测试抗氯离子渗透试 为了研究不同温度位置的混凝土抗氯离子渗 块的温度，分为冷和热2种情况.综合上述2种情 透性能，对试验混凝土试块进行切割.本次试验所 况，一个模拟试验混凝土试块取4个抗氯离子渗 用试块为20cm立方体试块，而抗氯离子试验所用 试块10cm立方体切割成的5cm厚的薄片，针对 透测试试块，分别命名为热垂直、热平行、冷垂 所选位置，进行多次切割，得到抗氯离子渗透试验 直、冷平行，分别和标准养护条件下混凝土试块的 的混凝土块 氯离子扩散系数的进行比较，结果如图4所示，研 根据氯离子在电压的作用下的流动方向与温 究模拟冻结环境对混凝土试块抗氯离子渗透的影 度梯度的角度，分为两种情况：当氯离子移动方向 响 n200 300 289.5 -0--5/60℃ 178.3 o=-5/60℃ 261.2 *--5/70℃ -☆--5/70℃ 159.1 2685 -Stanard curing 170.8 -Stanard curing 225.3 145.5 指200 186.1 119.8 146.6 10o 86.5 982 73.2 112.3 70.6 (a) 87.8 (b) 58 Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical Position Position 图4混凝土的氯离子扩散系数.(a)C50:(b)C70 Fig.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 要方向就是外部温度的方向，从平行组和垂直组 数大于垂直组的氯离子扩散系数.相比标准养护 的对比可以看出，C50和C70、冷端和热端，都表 条件下的对比组，热端的氯离子扩散系数小，冷端 现出平行组的氯离子扩散系数大于垂直组氯离子 的氯离子扩散系数大 扩散系数 冷端出现的氯离子扩散系数大的原因是由于 2.4混凝土的冲击倾向性 内部温度应力的作用下，对混凝土内部产生损伤， 冻结法施工的井壁混凝土工作状态是处于高 增大了混凝土的氯离子扩散系数.但热端出现氯 地应力的服役环境，混凝土也和岩石一样发生类 离子扩散系数减小的现象，不是由于温度应力没 似于冲击地压的瞬时性破坏2，因此，研究冻结 有对混凝土内部产生损伤，而是由于(1)热端的混 法施工环境对混凝土冲击倾向性的研究是十分必 凝土处于较高的温度状态，在这种高温的温度状 要的.混凝土的评价指标有脆性系数即抗压强度 态下，混凝土的内部的水化反应都处于加速的状 与劈裂抗拉强度之比，动态破坏时间T。即单轴抗 态，对于混凝土的发展起到促进作用，使混凝土的 压状态从极限强度到完全破坏的时间，冲击能量 质地更加致密，从一定程度上提高混凝土的抗氯 指数KE即单轴压缩条件峰前积蓄能和峰后释放 离子渗透能力，降低氯离子扩散系数；(2)是由于 能之比P6-27,分别测试C50和C70混凝土在标养 热端的温度始终处于较高的状态，在这个状态下 和不同温度梯度环境下的冲击倾向性指标，结果 混凝土中的水分会有一定量的蒸发流失，从一定 如表5所示 程度上减小了混凝土的水胶比，混凝土的强度增 由结果可以看出，C50和C70混凝土冲击倾向 高了，更加致密，也会提高混凝土试块的抗氯离子 性的指标经过冻结法环境后均有一定的提高，混 渗透能力，降低氯离子扩散系数 凝土的冲击倾向性变大，发生瞬时性破坏的概率 垂直方向的氯离子扩散系数小于平行方向， 变大.温度梯度越大，混凝土冲击倾向性指标变化 原因是温度应力的作用，并且温度应力的作用主 越大，尤其对于C50混凝土，冲击倾向性原本不

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. Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical 100 (a) (b) 200 300 289.5 261.2 112.3 98.2 268.5 225.3 146.6 87.8 186.1 −5/60 ℃ −5/70 ℃ Stanard curing Position Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical 100 200 178.3 159.1 86.5 73.2 170.8 145.5 70.6 55.8 119.8 −5/60 ℃ −5/70 ℃ Stanard curing Position Chloride diffusion coefficient/(10−10 m2·s−1 ) Chloride diffusion coefficient/(10−10 m2·s−1 ) 图 4    混凝土的氯离子扩散系数. （a）C50；（b）C70 Fig.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. 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 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 · 5 ·

工程科学学报，第44卷，第X期 表5混凝土的冲击倾向性指标 (a) b Table 5 Bursting liability indexes of concrete Group Brittleness Dynamic failure time,Impact energy Tp/ms index,KE C50 Standard 19.6 480 1.78 C50-5/60℃ 20.2 410 2.06 C50-5/70℃ 20m 21.2 380 2.32 620um C70 Standard 21.9 170 5.81 (c) C70-5/60℃ 22.8 140 6.32 C70-5/70℃ 23.5 120 6.55 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%， 20m 20μm 冲击倾向性指数增加幅度较大.而对于C70混凝 图5C50混凝土的扫描电镜图片.(a)冷端：(b)热端；(c)中温：(d) 土，冲击倾向性原本就较高，经过-5/70℃环境后， 标准养护 冲击倾向性进一步增大，发生破坏的概率也随之 Fig.5 SEM images of C50 concrete:(a)cold side;(b)hot side;(c) 变大.混凝土在收到冷热环境作用后，脆性明显增 medium temperature;(d)standard curing 加，混凝土内部积攒的变形能在达到混凝土应力 (a) 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 20m 20m 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 (c) (d) 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， 20m 20m 可以看到有未水化的成分比较多.而图5(b)中试 图6C70混凝土的扫描电镜图片.(a)冷端：(b)热端：(c)中温：(d)标 验试块热端比较致密，未在图片中看到明显的孔 准养护 Fig.6 SEM image of C70 concrete:(a)cold side;(b)hot side;(c) 隙.而从图5(c)和5(d)可以看出，处于试验试块 medium temperature:(d)standard curing 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 填充混凝土内部的较小孔隙，所以混凝土结构致 之间 密，但是温度仍旧会对混凝土的内部生成物质和 C70试验试块的3个位置和标准养护条件下 微观结构产生影响，使之产生随温度变化表现的 试样的电镜扫描图片如下图6所示.从图6(a)可 宏观性能差异性 以看出，存在多处球形颗粒，为未反应的粉煤灰颗 试验混凝土试块处于冷端-5℃、热端60℃ 粒，而在图6(b),6(c)和6(d)中，球形颗粒较少或 的模拟冻结环境下，胶凝物质发生水化反应，不同 基本看不见.粉煤灰的水化反应较水泥中的成分 温度下水化反应速率不同，温度越高，水化反应越 的水化反应晚，低温抑制了混凝土中胶凝材料的 快.水化产物数量的不同，会使混凝土的内部构造 水化反应进程.对比图5的扫描电镜图片，混凝土 不同，从而影响混凝土的性能.混凝土热端处在 的结构较密实，因为C70等级的混凝土胶凝材料 60℃的高温下，水化反应速度快，水化反应进程 用料比较多，水化产物较多，加上引入硅灰，可以 相对于低温端和标准养护条件下较快，尤其是对

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. 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 表 5    混凝土的冲击倾向性指标 Table 5    Bursting liability indexes of concrete Group Brittleness Dynamic failure time, TD/ ms Impact energy index, KE C50 Standard 19.6 480 1.78 C50 −5/60 ℃ 20.2 410 2.06 C50 −5/70 ℃ 21.2 380 2.32 C70 Standard 21.9 170 5.81 C70 −5/60 ℃ 22.8 140 6.32 C70 −5/70 ℃ 23.5 120 6.55 (a) (b) (c) (d) 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 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 (a) (b) (c) (d) 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 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 · 6 · 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 7 于粉煤灰后期的水化反应，热端的高温促进具有 结法试验研究.岩石力学与工程学报，2021,40(6)：1267) 一定的持续作用.所以高温端表现出来的比较致 [6]Ma H Y.Zhu C Q.Zhao P T,et al.Freezing method for rock 密，孔隙少.冷端则水化反应有所抑制，空隙较大 cross-cut coal uncovering:Aging characteristic of effective freezing distance on injecting liquid nitrogen into coal seam.Adv 这种冷端到热端结构的不均匀造成了混凝土宏观 Civ Eng,2021:8870768 性能的下降 [7] Zhang S,Yue Z R.Sun TC,et al.Evolution of ground freezing 3结论 temperature field under sudden seepage with stable flow rate and discriminate method of seepage.JChina Coal Soc,2020,45(12): ()冻结施工环境对于混凝土内部会造成一定 4017 的损伤，且平行于加温方向的损伤要大于垂直方 (张松，岳祖润，孙铁成，等.突发定渗流作用下冻土温度场演化 规律及判别方法.煤炭学报，2020,45(12)：4017) 向，C50混凝土的损伤大于C70混凝土，温度梯度 [8]Inada Y,Yokota K.Some studies of low temperature rock 会加剧混凝土内部的损伤 strength.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1984,21(3): (2)模拟冻结环境会对混凝土抗压强度、劈裂 145 抗拉强度、氯离子渗透性能和冲击倾向性造成不 [9]Shan R L,Liu W J,Chai G J,et al.Experimental study on the 利影响，使抗压强度和劈裂抗拉强度降低，冷端氯 expansion law of local horizontal frozen body under seepage.J 离子渗透系数增大，冲击倾向性指标增大，且这种 China Coal Soc,2019,44(Suppl 2):526 不利影响随着施加温度的温差增大而增大，对于 (单仁亮，刘伟俊，柴高竣，等.渗流作用下局部水平冻结体扩展 规律试验研究.煤炭学报，2019,44增刊2)：526) 相同的模拟冻结环境，高强度等级混凝土受到影 [10]Song Y J,Zhang L T,Ren J X,et al.Creep property and model of 响小于低强度等级混凝土 red sandstone under low temperature environment.J China Coal (3)通过电镜扫描，模拟冻结环境对于混凝土 Soc,2020,45(8):2795 试块的内部微观结构有较大的影响，混凝土低温 (宋勇军，张磊涛，任建喜，等.低温环境下红砂岩蠕变特性及其 端结构比较疏松，高温端结构比较致密，这种不均 模型.煤炭学报，2020,45(8)：2795) 匀对混凝土性能产生不利影响 [11]Yao Z S,Zhao L X,Cheng H,et al.Optimization design and measurement analysis on inter lining of high strength reinforced 参考文献 concrete frozen shaft lining with deep topsoil.JChina Coal Soc, 2019.44(7):2125 [1]Cai M F,Xue D L,Ren F H.Current status and development (姚直书，赵丽霞，程桦，等.深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝 strategy of metal mines.ChinJ Eng,2019,41(4):417 土内壁设计优化与实测分析.煤炭学报，2019,44(7)：2125) (蔡美峰，薛鼎龙，任奋华.金属矿深部开采现状与发展战略.工 [12]Jiao HZ.Sun G D,Chen X M,et al.Development of temperature 程科学学报，2019,41(4)：417) field of multi circle freezing wall in deep alluvium.J China Coal [2]Liu L Y,Ji H G,Wang T,et al.Mechanism of country rock Soc,2018,43(Suppl2:443 damage and failure in deep shaft excavation under high pore (焦华枯，孙冠东，陈新明，等.深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场 pressure and asymmetric geostress.Chin Eng,2020,42(6):715 发展研究.煤炭学报，2018,43（增刊2）443) (刘力源，纪洪广，王涛，等.高渗透压和不对称围压作用下深竖 [13]Guan H D,Zhou X M,Xu Y,et al.Calculation of the early thermal 井围岩损伤破裂机理.工程科学学报，2020,42(6)：715) stress in freezing vertical shaft lining.Met Mine,2018(5):44 [3]Dong J H,Wu X L,Shi L J,et al.Effect of shallow tunnel (管华栋，周晓敏，徐衍，等.冻结立井井壁早期温度应力计算研 construction by horizontal freezing on adjacent orthogonal 究.金属矿山，2018(5)：44) subgrades.ChinJ Rock Mech Eng,2020,39(11):2365 [14]Zhou Y Q,Liu WW.Application of granulated copper slag in (董建华，吴晓磊，师利君，等.水平冻结施工浅埋隧道对邻近正 massive concrete under saline soil environment.Constr Build 交路基的作用分析.岩石力学与工程学报，2020,39(11)：2365) Mater,2021,266:121165 [4]Zhang J W,Liu S J,Zhang S.Ultrasonic time-frequency [15]Azenha M,Kanavaris F,Schlicke D,et al.Recommendations of characteristics of water-rich fine sand during unidirectional RILEM TC 287-CCS:Thermo-chemo-mechanical modelling of freezing process.ChinJ Rock Mech Eng,2020,39(5):1061 massive concrete structures towards cracking risk assessment. (张基伟，刘书杰，张松.富水细砂单向冻结超声波时频特性研 Mater Struct,2021,54(4):1 究.岩石力学与工程学报，2020,39(5)：1061) [16]Feng C Q,Zhao C,Yu X M,et al.A mathematical model of the [5]Gao X J,Li M Y,Zhang J W,et al.Field research on artificial expansion evolution of magnesium oxide in mass concrete based freezing of subway cross passages in water-rich silty clay layers. on hydration characteristics.Materials,2021,14(12):3162 Chin J Rock Mech Eng,2021,40(6):1267 [17]Bakour A,Ftima M B.Experimental investigations on the (郜新军，李铭远，张景伟，等.富水粉质黏土中地铁联络通道冻 asymptotic fracture energy for large mass concrete specimens

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. 参    考    文    献 Cai  M  F,  Xue  D  L,  Ren  F  H.  Current  status  and  development strategy of metal mines. Chin J Eng, 2019, 41（4）: 417 （蔡美峰, 薛鼎龙, 任奋华. 金属矿深部开采现状与发展战略. 工 程科学学报, 2019, 41（4）：417） [1] Liu  L  Y,  Ji  H  G,  Wang  T,  et  al.  Mechanism  of  country  rock damage  and  failure  in  deep  shaft  excavation  under  high  pore pressure and asymmetric geostress. Chin J Eng, 2020, 42（6）: 715 （刘力源, 纪洪广, 王涛, 等. 高渗透压和不对称围压作用下深竖 井围岩损伤破裂机理. 工程科学学报, 2020, 42（6）：715） [2] Dong  J  H,  Wu  X  L,  Shi  L  J,  et  al.  Effect  of  shallow  tunnel construction  by  horizontal  freezing  on  adjacent  orthogonal subgrades. Chin J Rock Mech Eng, 2020, 39（11）: 2365 （董建华, 吴晓磊, 师利君, 等. 水平冻结施工浅埋隧道对邻近正 交路基的作用分析. 岩石力学与工程学报, 2020, 39（11）：2365） [3] Zhang  J  W,  Liu  S  J,  Zhang  S.  Ultrasonic  time-frequency characteristics  of  water-rich  fine  sand  during  unidirectional freezing process. Chin J Rock Mech Eng, 2020, 39（5）: 1061 （张基伟, 刘书杰, 张松. 富水细砂单向冻结超声波时频特性研 究. 岩石力学与工程学报, 2020, 39（5）：1061） [4] Gao  X  J,  Li  M  Y,  Zhang  J  W,  et  al.  Field  research  on  artificial freezing of subway cross passages in water-rich silty clay layers. Chin J Rock Mech Eng, 2021, 40（6）: 1267 （郜新军, 李铭远, 张景伟, 等. 富水粉质黏土中地铁联络通道冻 [5] 结法试验研究. 岩石力学与工程学报, 2021, 40（6）：1267） Ma  H  Y,  Zhu  C  Q,  Zhao  P  T,  et  al.  Freezing  method  for  rock cross-cut  coal  uncovering:  Aging  characteristic  of  effective freezing distance on injecting liquid nitrogen into coal seam. Adv Civ Eng, 2021: 8870768 [6] Zhang S, Yue Z R, Sun T C, et al. Evolution of ground freezing temperature field under sudden seepage with stable flow rate and discriminate method of seepage. J China Coal Soc, 2020, 45（12）: 4017 （张松, 岳祖润, 孙铁成, 等. 突发定渗流作用下冻土温度场演化 规律及判别方法. 煤炭学报, 2020, 45（12）：4017） [7] Inada  Y,  Yokota  K.  Some  studies  of  low  temperature  rock strength. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, 1984, 21（3）: 145 [8] Shan  R  L,  Liu  W  J,  Chai  G  J,  et  al.  Experimental  study  on  the expansion  law  of  local  horizontal  frozen  body  under  seepage. J China Coal Soc, 2019, 44(Suppl 2): 526 （ 单仁亮, 刘伟俊, 柴高竣, 等. 渗流作用下局部水平冻结体扩展 规律试验研究. 煤炭学报, 2019, 44(增刊2): 526） [9] Song Y J, Zhang L T, Ren J X, et al. Creep property and model of red  sandstone  under  low  temperature  environment. J China Coal Soc, 2020, 45（8）: 2795 （宋勇军, 张磊涛, 任建喜, 等. 低温环境下红砂岩蠕变特性及其 模型. 煤炭学报, 2020, 45（8）：2795） [10] Yao  Z  S,  Zhao  L  X,  Cheng  H,  et  al.  Optimization  design  and measurement  analysis  on  inter  lining  of  high  strength  reinforced concrete frozen shaft lining with deep topsoil. J China Coal Soc, 2019, 44（7）: 2125 （姚直书, 赵丽霞, 程桦, 等. 深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝 土内壁设计优化与实测分析. 煤炭学报, 2019, 44（7）：2125） [11] Jiao H Z, Sun G D, Chen X M, et al. Development of temperature field of multi circle freezing wall in deep alluvium. J China Coal Soc, 2018, 43(Suppl 2): 443 （ 焦华喆, 孙冠东, 陈新明, 等. 深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场 发展研究. 煤炭学报, 2018, 43(增刊2): 443） [12] Guan H D, Zhou X M, Xu Y, et al. Calculation of the early thermal stress in freezing vertical shaft lining. Met Mine, 2018（5）: 44 （管华栋, 周晓敏, 徐衍, 等. 冻结立井井壁早期温度应力计算研 究. 金属矿山, 2018（5）：44） [13] Zhou  Y  Q,  Liu  W  W.  Application  of  granulated  copper  slag  in massive  concrete  under  saline  soil  environment. Constr Build Mater, 2021, 266: 121165 [14] Azenha  M,  Kanavaris  F,  Schlicke  D,  et  al.  Recommendations  of RILEM  TC  287-CCS:  Thermo-chemo-mechanical  modelling  of massive  concrete  structures  towards  cracking  risk  assessment. Mater Struct, 2021, 54（4）: 1 [15] Feng C Q, Zhao C, Yu X M, et al. A mathematical model of the expansion  evolution  of  magnesium  oxide  in  mass  concrete  based on hydration characteristics. Materials, 2021, 14（12）: 3162 [16] Bakour  A,  Ftima  M  B.  Experimental  investigations  on  the asymptotic  fracture  energy  for  large  mass  concrete  specimens [17] 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 · 7 ·

8 工程科学学报，第44卷，第X期 using wedge splitting test.Constr Build Mater,2021,279:122405 [23]Zhou Y C,Liu J H,Yang H T,et al.Failure patterns and energy [18]Zhou Y C,Liu J H,Huang S,et al.Performance change of shaft analysis of shaft lining concrete in simulated deep underground lining concrete under simulated coastal ultra-deep mine environments.J Wuhan Univ Technol Mater Sci Ed,2020,35(2): environments.Constr Build Mater,2020,230:116909 418 [19]Liu J H,Zhao L,Ji H G.Influence of initial damage on [24]Liu J H,Zhou Y C,Yang H T,et al.Energy and damage degradation and deterioration of concrete under sulfate attack. characteristics of shaft lining concrete subjected to impact.J China Chin J Eng,2017,39(8:1278 Coal Soc,2019,44(10:2983 (刘娟红，赵力，纪洪广.初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性 (刘娟红，周昱程，杨海涛，等.冲击荷载作用下的井壁混凝土能 能的影响.工程科学学报，2017,39(8)：1278) 量与损伤特性.煤炭学报，2019,44(10)：2983) [20]Yang L,Yao Z S,Xue W P,et al.Preparation,performance test [25]Liu J H,Zhou Y C,Ji H G.Energy evolution mechanism of shaft and microanalysis of hybrid fibers and microexpansive high wall concrete under uniaxial loading and unloading compression. performance shaft lining concrete.Constr Build Mater,2019,223 China Coal Soc,2018,43(12):3364 431 (刘娟红，周昱程，纪洪广.单轴加卸载作用下并壁混凝土能量 [1]Liu J H,Zhao L,Song S M,et al.Ultrasonic velocity and acoustic 演化机理.煤炭学报，2018,43(12)：3364) emission properties of concrete eroded by sulfate and its damage [26]Zhou Y C,Liu J H,Ji H G,et al.Study on bursting liability of mechanism.ChinJ Eng,2016,38(8):1075 fiber reinforced shaft lining concrete based on temperature and (刘娟红，赵力，宋少民，等.混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声 compound salt.Mater Rep,2019,33(16):2671 发射变化特征及机理.工程科学学报，2016,38(8)：1075) (周昱程，刘娟红，纪洪广，等.温度-复合盐耦合条件下纤维混 [22]Liu J H,Wang Z Q,Ji H G.Performance of shaft lining concrete 凝土并壁冲击倾向性试验研究.材料导报，2019,33(16)：2671) under the coupling effect of early-age frozen soil pressure and [27]Liu J H,Wu R D,Zhou Y C.Experiment of bursting liability of negative temperature.J Univ Sci Technol Beijing,2014,36(8): deep underground concrete under complex stress conditions.J 1000 China Coal Soc,2018,43(1):79 (刘娟红，王祖琦，纪洪广.早龄期冻结土压力与负温耦合作用 (刘娟红，吴瑞东，周显程.基于深地复杂应力条件下混凝土冲 的井壁混凝土性能.北京科技大学学报，2014,36(8)：1000) 击倾向性试验.煤炭学报，2018,43(1)：79)

using wedge splitting test. Constr Build Mater, 2021, 279: 122405 Zhou Y C, Liu J H, Huang S, et al. Performance change of shaft lining  concrete  under  simulated  coastal  ultra-deep  mine environments. Constr Build Mater, 2020, 230: 116909 [18] Liu  J  H,  Zhao  L,  Ji  H  G.  Influence  of  initial  damage  on degradation  and  deterioration  of  concrete  under  sulfate  attack. Chin J Eng, 2017, 39（8）: 1278 （刘娟红, 赵力, 纪洪广. 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性 能的影响. 工程科学学报, 2017, 39（8）：1278） [19] Yang L, Yao Z S, Xue W P, et al. Preparation, performance test and  microanalysis  of  hybrid  fibers  and  microexpansive  high￾performance shaft lining concrete. Constr Build Mater, 2019, 223: 431 [20] Liu J H, Zhao L, Song S M, et al. Ultrasonic velocity and acoustic emission properties of concrete eroded by sulfate and its damage mechanism. Chin J Eng, 2016, 38（8）: 1075 （刘娟红, 赵力, 宋少民, 等. 混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声 发射变化特征及机理. 工程科学学报, 2016, 38（8）：1075） [21] Liu J H, Wang Z Q, Ji H G. Performance of shaft lining concrete under  the  coupling  effect  of  early-age  frozen  soil  pressure  and negative  temperature. J Univ Sci Technol Beijing,  2014,  36（8）: 1000 （刘娟红, 王祖琦, 纪洪广. 早龄期冻结土压力与负温耦合作用 的井壁混凝土性能. 北京科技大学学报, 2014, 36（8）：1000） [22] Zhou Y C, Liu J H, Yang H T, et al. Failure patterns and energy analysis  of  shaft  lining  concrete  in  simulated  deep  underground environments. J Wuhan Univ Technol Mater Sci Ed, 2020, 35（2）: 418 [23] Liu  J  H,  Zhou  Y  C,  Yang  H  T,  et  al.  Energy  and  damage characteristics of shaft lining concrete subjected to impact. J China Coal Soc, 2019, 44（10）: 2983 （刘娟红, 周昱程, 杨海涛, 等. 冲击荷载作用下的井壁混凝土能 量与损伤特性. 煤炭学报, 2019, 44（10）：2983） [24] Liu J H, Zhou Y C, Ji H G. Energy evolution mechanism of shaft wall concrete under uniaxial loading and unloading compression. J China Coal Soc, 2018, 43（12）: 3364 （刘娟红, 周昱程, 纪洪广. 单轴加卸载作用下井壁混凝土能量 演化机理. 煤炭学报, 2018, 43（12）：3364） [25] Zhou  Y  C,  Liu  J  H,  Ji  H  G,  et  al.  Study  on  bursting  liability  of fiber  reinforced  shaft  lining  concrete  based  on  temperature  and compound salt. Mater Rep, 2019, 33（16）: 2671 （周昱程, 刘娟红, 纪洪广, 等. 温度‒复合盐耦合条件下纤维混 凝土井壁冲击倾向性试验研究. 材料导报, 2019, 33（16）：2671） [26] Liu J H, Wu R D, Zhou Y C. Experiment of bursting liability of deep  underground  concrete  under  complex  stress  conditions. J China Coal Soc, 2018, 43（1）: 79 （刘娟红, 吴瑞东, 周昱程. 基于深地复杂应力条件下混凝土冲 击倾向性试验. 煤炭学报, 2018, 43（1）：79） [27] · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期