CN112919867A - 一种抗裂型冻结井壁混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗裂型冻结井壁混凝土及其制备方法，为C70抗裂型混凝土，包括水泥、细骨料、粗骨料、粉煤灰、外加剂、膨胀剂、纤维和水。在现有的冻结井筒内壁配合比基础上，增加膨胀剂、纤维等，通过配合比实验确定了膨胀剂、纤维的量与具体制备方法。抗裂型冻结井壁混凝土相比基准组早期预压应力高36.6％，第二零应力时间延长15％，开裂温降增加20.7％，拉应力增加速率降低90％，开裂应力提高10％。具有较强的收缩补偿和抗早期温度裂缝效果。

Description

一种抗裂型冻结井壁混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及冻结井壁混凝土技术领域。具体地说是一种抗裂型冻结井壁混凝土及其制备方法。

背景技术

人工冻结法施工是井筒穿越深厚冲积层、表土层、富水砂层的主要施工方法之一，已经广泛应用于深部井筒建设中。目前，冻结井筒广泛采用的井壁结构为双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁，其中，自下而上连续浇筑的内层井壁是冻结壁解冻后抵抗静水压力与防渗的主要结构。然而，随着井筒深度不断增大直至千米，冻结井筒内壁厚度相应增大。根据现行规范，千米深的内层井壁厚度将超过2m。相比于浅立井，深厚富水软岩冻结井筒内壁具有早期强度更高、水化热更大、在低温环境浇筑和养护下更易产生早期温度约束裂纹缝等特点。冻结壁融化后，内壁大体积混凝土承受自重、6～10MPa的高压水长期作用早温度裂纹将逐渐扩展、贯通及至开裂，最后汇集并扩展贯通。冻结井筒内壁是整个结构最后一道封水、抗压防线。如果存在较多的贯通温度裂缝，在高水压、高应力的长期作用下，井筒若干度裂缝会相互沟通形成破裂面，直至井筒失稳。

众多学者均发现内层井壁厚度的增加或混凝土标号增加均会导致早水化放热更高。程桦等认为，因水平地压大对冻结井壁约束作用强烈，与浅立井相比，深部井壁更易产生温度裂纹(缝)。提出其主要原因为外部冻结壁持续供冷条件下内壁水化放热导致内外壁温差较大，造成较大的早期温度应力，当温度应力大于混凝土抗拉强度时，将会产生早期温度裂纹缝。

可见，深厚富水软岩冻结井筒内壁混凝土的体形特征和受力情况特别复杂，其渗漏水的原因也是多元的和综合的。但归根结底，冻结井筒内壁的渗漏水总是经由大体积混凝土的早期温度裂缝形成、扩展和贯通所引起的。从这个意义上说，非常有必要制备一种抗裂型冻结井壁混凝土，进而能够减小冻结井壁早期温度裂缝形成风险。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种减小冻结井壁早期温度裂缝形成风险的抗裂型冻结井壁混凝土及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种抗裂型冻结井壁混凝土，为C70抗裂型混凝土，包括水泥、细骨料、粗骨料、粉煤灰、外加剂、膨胀剂、纤维和水。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，1m3C70抗裂型混凝土配比如下：水泥为410-420g，细骨料为730-740g，粗骨料为1100-1110g，粉煤灰为30-40g，外加剂为12-14g，膨胀剂为35-45g，水为130-140g，纤维加入量为1‰的体积掺量。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，所述水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥；所述细骨料为标准砂，属于中砂，细度模数为2.6，含泥量约为0.4％；所述粗骨料为石灰岩碎石，压碎指标4.9％，含泥量约为0.4％；所述粉煤灰为北京地区的I级粉煤灰，密度为2.3g/cm3，细度为6％，需水量比为94％，烧失量为2.8％，活性指数为80％；所述外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水率30％。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，所述膨胀剂为MgO膨胀剂或氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂；

MgO膨胀剂的化学成分：CaO的质量分数1.07％，MgO的质量分数91.38％，Fe2O3的质量分数0.63％，Al2O3的质量分数0.45％，SiO2的质量分数0.96％，Loss的质量分数2.89％，共计97.38％；MgO膨胀剂的细度为0.08mm的标准筛的筛余量为6％，表示94％的MgO膨胀剂的粒径是小于0.08mm的；

氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的主要成分为CaSO4、CaO、Ca4Al6O12SO4；具体化学成分为：CaO的质量分数51.28％，MgO的质量分数2.11％，Fe2O3的质量分数0.72％，Al2O3的质量分数13.15％，SiO2的质量分数0.15％，Na2O3的质量分数2.89％，SO3的质量分数27.79％，共计95.3％；氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的细度为0.08mm的标准筛的筛余量为0％，表示100％的氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的粒径是小于0.08mm的。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，所述纤维为短切玄武岩纤维、螺旋形聚乙烯醇纤维、端勾型钢纤维或压棱形钢纤维：

所述短切玄武岩纤维的性能指标为：拉伸强度为1050-1250MPa，弹性模量大于等于34Gpa，断裂伸长率小于等于3.1％；耐碱性能单丝断裂轻度保留率小于等于75％；

所述螺旋形聚乙烯醇纤维的性能指标为：线密度为2.63-2.8g/m3；纤维直径为15-50μm；拉伸强度大于1250MPa；弹性模量为大于等于3500GPa；纤维长度为6-30mm；断裂伸长率大于等于5％；

所述端勾型钢纤维的性能指标为：直径为0.9mm；长度为70μm；拉伸强度为1100MPa；弹性模量为210Gpa；

所述压棱形钢纤维采用熔抽法压棱形钢纤维生产装置制备得到。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，熔抽法压棱形钢纤维生产装置，包括底座、电炉、第一调节机构、搅拌机构、第二调节机构和成型机构；

所述电炉内放置有钢液，所述电炉设置在所述底座的上表面，所述第一调节机构固定安装在所述底座的上表面，且所述第一调节机构位于所述电炉的一侧，所述搅拌机构固定安装在所述第一调节机构上，所述第二调节机构固定安装在所述底座的上表面，且所述第二调节机构位于所述电炉的另一侧，所述成型机构固定安装在所述第二调节机构上；

所述第一调节机构包括第一伸缩杆、第一转杆、第一连接块和第一横杆；

所述第一伸缩杆为气动伸缩杆，所述第一伸缩杆固定安装在所述底座上表面位于所述电炉的一侧，所述第一转杆转动安装在所述第一伸缩杆的顶端中心位置处，所述第一转杆由气动控制，所述气动控制为现有技术中常用的气动旋转，所述第一连接块固定安装在所述第一转杆的顶端，所述第一横杆固定安装在所述第一连接块的一侧，且所述第一横杆平行于所述底座设置；通过设置第一伸缩杆和第一转杆，可以对搅拌机构进行上下调节和左右转动，进而使搅拌机构不会影响电炉对废钢的熔化。

所述搅拌机构包括安装箱、连接箱、连接管、供气管、滑环、滚珠、连接环、加固杆、中转箱、密封轴、齿环、电机、齿轮、第一连接耳、通气杆、第二连接耳、通气腔、软管、透气砖和限位环；所述安装箱固定安装在所述第一横杆远离所述第一连接块一端的下表面，所述安装箱为底部贯通的圆筒状设计；所述连接箱固定安装在所述安装箱内上表面靠近一侧的位置，所述连接箱为圆柱形设计，所述连接管贯穿焊接在所述连接箱的底部，所述连接管位于所述连接箱内的一端为越向上直径逐渐变小的台形设计，所述供气管与所述连接管位于所述连接箱内的一端相连接，所述供气管的另一端依次穿过所述连接箱、所述安装箱和所述第一横杆与所述氮气机相连接；所述滑环设置在所述连接箱内，所述滑环与所述连接管同轴设置，所述滑环的下表面与所述连接箱底壁的上表面均相对开设有滚珠槽，所述滚珠槽的数量为两个，所述滑环下表面与所述连接箱底壁的上表面的滚珠槽均开设有两个，所述滚珠滚动安装在所述滚珠槽内，所述滚珠的数量为多个，所述滑环通过所述滚珠滑动安装在所述连接箱内；所述加固杆的数量为多个，多个所述加固杆均位于所述连接管与所述滑环之间，所述加固杆的两端分别于连接箱的顶壁和底壁相连接；所述连接环固定安装在所述滑环的下表面，所述连接环与所述滑环同轴，所述连接环的底端穿过所述连接箱的底壁伸出到所述连接箱的外部，所述中转箱的上表面与所述连接环的底端固定连接，所述中转箱为与连接环同轴的圆柱形箱体，所述中转箱的进气口与所述连接管的出气口流体导通，所述中转箱与所述连接管相连接处设置有密封轴，所述中转箱相对于连接管可以进行转动；所述齿环固定安装在所述中转箱的外侧，所述电机固定安装在所述第一横杆的上表面，所述电机的输出端穿过所述第一横杆和所述安装箱伸入到所述安装箱内部，所述齿轮固定安装在所述电机的输出端，且所述齿轮与所述齿环啮合连接；所述第一连接耳的数量为两个，两个所述第一连接耳关于所述中转箱的中轴线位置对称焊接在所述中转箱的底部，所述通气杆的数量为两个，且所述通气杆采用耐高温材质制成，所述第二连接耳固定安装在两个所述通气杆的顶端，所述第一连接耳与所述第二连接耳通过螺钉相连接，且所述第二连接耳相对于所述第一连接耳可以进行一定的转动，所述通气杆通过所述第一连接耳和所述第二连接耳与所述中转箱相连接；所述通气腔开设于所述通气杆的内部，所述软管的出气口穿过所述通气杆的顶端与所述通气腔流体导通，所述软管的进气口与所述中转箱流体导通，所述软管采用抗高温材质制成；所述透气砖嵌接在所述通气杆的杆壁上，所述透气砖分别位于所述通气杆靠近底端的位置和靠近所述通气杆中部的位置，所述透气砖的外表面与所述通气杆的外表面平齐，所述透气砖的内表面与所述通气腔的表面平齐；所述限位环焊接在所述安装箱的底部开口处，所述限位环与所述中转箱同轴，所述限位环底端的内环为球面设置；通过设置搅拌机构，可以对电炉内的钢液进行搅拌，使钢液在电炉内分布均匀，进而使生产出来的钢纤维质量稳定；待电炉内的废钢被完全熔化后，转动第一转杆，再调节第一伸缩杆，使通气杆没入钢液中，然后启动氮气机，氮气会通过供气管、连接管、中转箱和软管最后进入通气腔内，然后通气腔内氮气会通过透气砖进入钢液内，对钢液进行搅拌，启动电机，通过齿轮和齿环的传动，中转箱会进行转动，中转箱进行转动时，通过滑环和连接环的滑动，可以保证中转箱不会发生偏移的情况，而中转箱与连接管的连接处因为密封轴的作用，不会使氮气泄露，通过中转箱的转动，两个通气杆会向外侧绕两个连接耳进行偏移，两个通气杆的旋转会形成一个锥形，通过两个通气杆的转动，会搅动钢液进行一定的转动，而透气砖接触的钢液范围也会变大，通过通气杆和氮气的双重搅拌，可以对电炉内的钢液进行充分搅拌。

所述第二调节机构包括第二伸缩杆、第二转杆、第二连接块和第二横杆；所述第二伸缩杆为气动伸缩杆，所述第二伸缩杆固定安装在所述底座上表面位于所述电炉的另一侧，所述第二转杆转动安装在所述第二伸缩杆的顶端中心位置处，所述第二转杆由气动控制，所述气动控制为现有技术中常用的气动旋转，所述第二连接块固定安装在所述第二转杆的顶端，所述第二横杆固定安装在所述第二连接块的一侧，且所述第二横杆平行于所述底座设置；通过是设置第二调节机构，可以对成型机构进行上下调节和左右转动，可以对成型机构进行实时调节，使成型机构充分接触电炉内的钢液。

所述成型机构包括吊架、熔抽轮和成型槽；所述吊架固定安装在所述第二横杆远离所述第二连接块一端的下表面，所述熔抽轮转动安装在所述吊架的底部，所述成型槽开设在所述熔抽轮的外表面，所述第二横杆和所述吊架内安装有冷却水管、冷却高压风管及煤气输送管，所述熔抽轮上设置有清扫轮，所述成型机构整体采用现有技术中已经拥有的熔抽轮结构。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土，为C70抗裂型混凝土，水泥为P·O52.5普通硅酸盐水泥、粗骨料石灰岩碎石、细骨料为标准砂，粉煤灰为北京地区的I级粉煤灰、外加剂为聚羧酸高效减水剂、膨胀剂为氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂，纤维为端勾型钢纤维和水；且1m3C70抗裂型混凝土用量为：P·O 52.5普通硅酸盐水泥为414kg、石灰岩碎石1102kg、北京地区的I级粉煤灰为34kg、聚羧酸高效减水剂为13.5kg、氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂为40kg，水为138g，端勾型钢纤维的体积掺量为1‰。

一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)粉料混合；先将水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、纤维投入搅拌机内干拌30-40s，搅拌均匀后得到较为均匀混合物；

(2)加入水、膨胀剂和外加剂；

(3)进行浇注，采用钢架约束，控制混凝土浇注的入模温度。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，在步骤(2)中，边搅拌边向混合物内均匀加入减水剂和水的混合溶液，搅拌2-4min，搅拌过程中，使其转速应处于60-100r/min，搅拌均匀后得到抗裂型混凝土。

上述一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，在步骤(3)中，利用输料口将制备完毕的抗裂混凝土输送到600m，由下至上进行内层井壁连续浇筑，浇筑过程中进行振动，使得混凝土保证密实，抗裂混凝土入模温度为10～15℃。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

在现有的冻结井筒内壁配合比基础上，增加膨胀剂、纤维等，通过配合比实验确定了膨胀剂、纤维的量与具体制备方法。抗裂型冻结井壁混凝土相比基准组早期预压应力高36.6％，第二零应力时间延长15％，开裂温降增加20.7％，拉应力增加速率降低90％，开裂应力提高10％。具有较强的收缩补偿和抗早期温度裂缝效果。

压棱形钢纤维通过高速旋转的熔抽轮接近钢液，熔抽轮上按照所需钢纤维的要求，刻出许多槽型，槽型结构可以增加钢纤维的表面粗糙度，更加有利于防止混凝土的开裂。但是现有技术中，由于现有技术熔抽法生产压棱形钢纤维生产装置制备存在搅拌不均匀的问题，导致熔抽出的压棱形钢纤维不稳定，从而影响了混凝土抗裂能力。

采用本申请中设计的熔抽法压棱形钢纤维生产装置，通过设置搅拌机构，可以对电炉内的钢液进行搅拌，使钢液在电炉内分布均匀，进而使生产出来的钢纤维质量稳定；待电炉内的废钢被完全熔化后，转动第一转杆，再调节第一伸缩杆，使通气杆没入钢液中，然后启动氮气机，氮气会通过供气管、连接管、中转箱和软管最后进入通气腔内，然后通气腔内氮气会通过透气砖进入钢液内，对钢液进行搅拌，启动电机，通过齿轮和齿环的传动，中转箱会进行转动，中转箱进行转动时，通过滑环和连接环的滑动，可以保证中转箱不会发生偏移的情况，而中转箱与连接管的连接处因为密封轴的作用，不会使氮气泄露，通过中转箱的转动，两个通气杆会向外侧绕两个连接耳进行偏移，两个通气杆的旋转会形成一个锥形，通过两个通气杆的转动，会搅动钢液进行一定的转动，而透气砖接触的钢液范围也会变大，通过通气杆和氮气的双重搅拌，可以对电炉内的钢液进行充分搅拌。通过设置第一伸缩杆和第一转杆，可以对搅拌机构进行上下调节和左右转动，进而使搅拌机构不会影响电炉对废钢的熔化。通过是设置第二调节机构，可以对成型机构进行上下调节和左右转动，可以对成型机构进行实时调节，使成型机构充分接触电炉内的钢液，从而使得得到压棱形钢纤维更加稳定，结构均匀，从而有利于提高混凝土的抗裂性。

采用熔抽法压棱形钢纤维生产装置制备的压棱形钢纤维，因表面更加粗糙、截面呈现不规则的形状，与混凝土基体的界面粘结能力更强；抗裂型冻结井壁混凝土相比采用端勾型钢纤维时，开裂应力提高到15％。

本申请对指导千米深井冻结井筒施工具有重要的实用价值，对完善我国冻结法井壁设计理论与应用体系有较大的理论意义，具有很好的科学价值。抗裂型混凝土必将成为未来深部冻结井筒内壁的发展方向，在冻结工程中将具有广阔的发展前景。

附图说明

图1熔抽法压棱形钢纤维生产装置剖视结构示意图；

图2图1中A处放大结构示意图；

图3图1中B处放大结构示意图；

图4不同入模温度室内实验温度历程曲线图；

图5不同入模温度混凝土应变曲线；

图6不同入模温度混凝土应力曲线；

图7不同纤维种类混凝土应变曲线；

图8不同纤维种类混凝土应力曲线；

图9不同膨胀剂种类混凝土应变曲线；

图10不同膨胀剂种类混凝土应力曲线；

图11不同CaO膨胀剂掺量混凝土应变曲线；

图12不同CaO膨胀剂掺量混凝土应力曲线；

图13抗裂型混凝土与普通混凝土应变曲线；

图14抗裂型混凝土与普通混凝土应力曲线。

图中附图标记表示为：100-底座；200-电炉；300-第一调节机构；400-搅拌机构；500-第二调节机构；600-成型机构；301-第一伸缩杆；302-第一转杆；303-第一连接块；304-第一横杆；401-安装箱；402-连接箱；403-连接管；404-供气管；405-滑环；406-滚珠；407-连接环；408-加固杆；409-中转箱；410-密封轴；411-齿环；412-电机；413-齿轮；414-第一连接耳；415-通气杆；416-第二连接耳；417-通气腔；418-软管；419-透气砖；420-限位环；501-第二伸缩杆；502-第二转杆；503-第二连接块；504-第二横杆；601-吊架；602-熔抽轮；603-成型槽。

具体实施方式

实施例1

一、试验原材料

1、水泥

采用P·O 52.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标如表1所示。

表1水泥主要性能指标

2、骨料

粗骨料采用石灰岩碎石，压碎指标4.9％，含泥量约为0.4％。大石子(10mm～20mm连续级配)，小石子(5mm～10mm连续级配)。细骨料采用标准砂，细度模数为2.6，含泥量约为0.4％，属于中砂。

3、粉煤灰

采用北京地区的I级粉煤灰，其性能指标见表2。

表2粉煤灰主要性能指标

4、外加剂

采用北京同科建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率30％。

5、纤维材料技术性能指标

(1)短切玄武岩纤维

短切玄武岩纤维是由相应的玄武岩纤维基材为原料短切而成的长度小于50mm,能均匀分散在混泥土中的无机矿物纤维。根据其用途可分为混凝土抗裂纤维(BF)和增韧增强纤维(BZ)和砂浆抗裂纤维(BSF)。

短切玄武岩纤维拥有高轴向的抗拉强度和高模量的优异性能，其抗拉强度为1050-1250MPa，弹性模量大于34GPa；短切玄武岩具有突出的耐高温性，使其可以在为零下269至650摄氏度范围之间连续工作；短切玄武岩纤维在腐蚀性介质中(酸、碱、盐溶液)具有较高耐腐蚀性和化学稳定性，在饱和的碱性溶液和水泥等碱性介质中还能保持更高的抗碱液腐蚀性能，单丝断裂强度保留率大于75％；短切玄武岩纤维还可与无机粘合剂相容，吸湿率小于1％，吸收能力不随时间的变化，这就证明了它在使用过程中的材料稳定性，长寿命和环境协调性；此外，短切玄武岩纤维还具有良好的绝缘性能、高温过滤、抗辐射、透波性好等特点。表3为短切玄武岩纤维的技术性能指标。

表3短切玄武岩纤维技术性能指标

短切玄武岩纤维混凝土主要是将连续或者不连续的短切玄武岩纤维按合适的用量添加到混凝土中，并在适当的方式，以提高混凝土的韧性和拉伸强度，同时保留混凝土结构原来的抗压强度，从而起到对混凝土加固补强，延长工程使用寿命的作用。

短切玄武岩纤维在混凝土加固补强中的作用表现在以下几个方面：

1)短切玄武岩原丝可以充分利用其表面积和数量优点，从而对于微裂纹的约束，使其不连通，成果显著。同时克服其他合成纤维密度小，抗拉强度低、弹性模量的缺点，如裂纹扩展时被拉断很容易，可以有效地防止现有微裂纹的扩大和新裂缝的出现，对混凝土的抗冻融、抗渗起到了一定的效果。

2)短切玄武岩纤维除了可以与钢纤维一样，利用其高模量和单根的高抗拉强度的优势，避免裂缝的扩大，还可以避免钢纤维在搅拌时易结住，不利于泵送，施工流程复杂的情况。

3)短切玄武岩纤维是一种典型的硝酸纤维，其具有天然的兼容性，并且由于它与水泥混凝土和砂浆的密度相似，密度都在2.63-2.8g/m³之间；和易性好，短切玄武岩纤维掺入混凝土结构后可以均匀分布。

4)短切玄武岩纤维表面已经改性，是一种“惰性纤维”，具有十分优越的耐高温、耐腐蚀、抗冲击性。在高温、高腐蚀性的环境中都能保持稳定性，并能使水泥基体的耐受变形能力提高。因此短切玄武岩纤维能适应混凝土的拌和、浇注、凝结和使用的各个阶段的恶劣环境，提高混凝土的耐久性。

综上所述，短切玄武岩纤维能提高普通混凝土的抗冲击性能，降低其脆性，提高其力学性能。具体而言，短切玄武岩纤维在混凝土结构中起着关键的作用，如抗裂、防渗、耐久性、抗冲击、抗拉强度和美观等。但是短切玄武岩纤维至今未被利用至高性能大体积混凝土中，其性能发挥需要试验进行评价。

(2)螺旋形聚乙烯醇纤维

螺旋形聚乙烯醇纤维是以聚乙烯醇(PVA)为主要原料，经湿法纺丝工艺制成。这种混凝土(或砂浆)专用PVA纤维是一种理想的环保型水泥增强材料，因其独特的分子结构，与水泥具有良好的亲和性能，耐碱和耐气候性能良好。在水泥混凝土(或砂浆)中加入PVA纤维，能有效控制砼(或砂浆)因塑性收缩及温度变化等因素引起的裂纹，防止及抑制裂缝的形成及发展，提高砼的抗弯强度、抗冲击强度及抗裂强度，有效改善砼的抗渗、抗冲击及抗震能力。表4为螺旋形聚乙烯醇纤维的技术性能指标。

表4螺旋形聚乙烯醇纤维技术性能指标

序号	项目名称	技术指标	检测结果
				1	线密度(dtex)	2.0-7.0	2.0±0.25
2	纤维直径(um)	15-50	20
				3	拉伸强度(MPa)	≥1250	1600
4	弹性模量(GPa)	≥3500	6300
				5	纤维长度(㎜)	6-30	19
6	断裂伸长率	≥5％	≥10

螺旋形聚乙烯醇纤维目前应用范围包括：

1)抗裂防渗：纤维乱向分布于砂浆、混凝土中，有效的阻止龟裂的产生、发展，可作为抗裂钢丝网之替代或增强材料，其抗裂能力可提高80％以上(不同掺量)。

2)抗冲击、抗震：有效吸收冲击能量，提高抗震能力，其抗冲击能力提高30％以上(不同掺量)。

3)增加韧性：改善砼的脆性，提高抗冲击力、抗弯能力，其抗弯性能提高30％以上(不同掺量)。

4)抗冻、抗疲劳：缓解温差引起的应力效应，提高抗冻、抗疲劳的能力。

5)抗磨：可减少路面等砼面层等起层、剥落、风化。

6)减重：提高砼的抗拉(抗剪)强度，故可减少预制件或浇筑截面尺寸，从而降低自重。

(3)端钩型钢纤维

端勾型钢纤维是属于高性能钢纤维可提高混凝土的抗冲击和抗疲劳的能力提高混凝土的抗渗能力，因其具有抗拉强度高，韧性好，价格低等特点，所以常被用做成排钢纤维的替代品，较之于其他形状的钢坡、桥梁、隧道、机场、港口、铁轨枕等方面得到广泛应用。

钢纤维主要用于制造钢纤维混凝土，任何方法生产的钢纤维都能起到强化混凝土的作用。纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm)，纤维的长径比(钢纤维长度l与直径d的比值，即l/d)，纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)，纤维与基体间的粘结强度(τ)，以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响。当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素。表5为端钩型钢纤维的技术性能指标。

表5端钩型钢纤维技术性能指标

序号	项目名称	检测结果
			1	直径(mm)	0.9
2	长度(um)	70
			3	拉伸强度(MPa)	1100
4	弹性模量(GPa)	210

6、膨胀剂材料技术性能指标

(1)MgO膨胀剂技术性能指标

本实验应用MgO膨胀剂为南京瑞迪建设科技有限公司生产，细度(0.08mm筛)6％。化学组成如表6所示。MgO类膨胀剂的主要成分是轻烧氧化镁。

表6 MgO膨胀剂化学成分

原材料	CaO	MgO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	Loss	Total
								MgO膨胀剂	1.07	91.38	0.63	0.45	0.96	2.89	97.38

(2)CaO膨胀剂技术性能指标

本实验应用CaO膨胀剂为仿日本DENKA的氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂，细度细度(0.08mm筛)0％。化学组成如表7所示。CaO类复合膨胀剂的主要成分为CaSO₄、CaO、Ca₄Al₆O₁₂SO₄。氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂膨胀效能高。在5％的掺量下，7d时水泥砂浆试件限制膨胀率可达9.5×10^-4；并可有效抑制自收缩，补偿干燥收缩，在低水胶比条件下性能发挥良好。根据相关检测氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂的掺入降低了新拌混凝土的流动性，但不影响混凝土基体的密实性；复合膨胀剂的掺入对混凝土抗压强度影响不大，合适的膨胀剂掺量会增大混凝土的抗压强度，而当膨胀剂掺量过大时，则有可能使混凝土抗压强度略微降低。

表7 CaO膨胀剂化学成分

原材料	CaO	MgO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	Na<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SO<sub>3</sub>
								CaO膨胀剂	51.28	2.11	0.72	13.15	0.15	0.1	27.79

二、试验方法

综合考虑经济性、膨胀能、混凝土抗裂性能等因素，C70抗裂型混凝土配合比为掺40kgCaO类复合膨胀剂+1‰钢纤维。其中CaO类复合膨胀剂为内掺法，钢纤维为外掺法。1m³C70抗裂型混凝土配合比如表8所示。

表8 C70抗裂型混凝土配合比

先将P·O 52.5普通硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、抗裂纤维投入搅拌机内干拌30-40s，搅拌均匀后得到较为均匀混合物，之后边搅拌边向混合物内均匀加入减水剂和水的混合溶液，搅拌2-4min，搅拌过程中，及其转速应处于60-100r/min，搅拌均匀后得到抗裂型混凝土。利用输料口将制备完毕的抗裂混凝土输送到600m，由下至上进行内层井壁连续浇筑，浇筑过程中进行振动，使得混凝土保证密实。

三、结果与讨论

1、不同入模温度对C70混凝土抗裂指标

(1)不同入模温度混凝土温度历程曲线

根据红庆河煤矿、大海则煤矿、塔什店煤矿等混凝土内壁及壁座温度检测情况可知，混凝土浇筑时入模温度基本可以控制在5～15℃范围内。考虑到TSTM试验机初始温度，故本研究选取入模温度10℃和15℃两个等级进行分析，约束度为钢架约束。

如图4所示，10℃和15℃两个入模温度混凝土12d内温度历程均包括快速升温阶段、温度恒定阶段和温度下降阶段。

(1)快速升温阶段，10℃和15℃两个入模温度混凝土分别在37.15和23.267h内温度急剧上升，最高温度分别为70.79和76.28℃。可见，单位小时温度最大升幅分别为1.905℃/h和3.27℃/h。可见随着入模温度提高，混凝土早期水化反应更加剧烈。

(2)温度恒定阶段，10℃入模温度混凝土在温峰附近恒温时间略长于15℃入模温度。

(3)温度下降阶段，10℃和15℃两个入模温度混凝土单位小时温度最大降幅分别为0.192℃/h和0.195℃/h。由此可见，不同入模温度混凝土在降温阶段速度基本一致。

(2)不同入模温度混凝土应变规律分析

如图5所示，随着温度上升，混凝土会产生较大的膨胀变形。10℃和15℃两个入模温度的应变峰值时刻分别为28.31h和26.74h，均比温峰时刻30.784h提前，这是由于混凝土自生体积变形(收缩)的存在使得试件在达到温峰前便进入了收缩(应变下降)阶段。当温峰后，膨胀变形值随着温度的降低而缓慢下降。10℃入模温度早于15℃形成收缩变形(应变值为负值)，表明随着入模温度增加混凝土收缩变形时间滞后且收缩变形量小，混凝土受拉开裂风险降低。

10℃和15℃两个入模温度C70混凝土，实测最高温度为70℃和76.28℃，净温升分别为60℃和61.28℃。应变出现峰值时刻按照混凝土的线膨胀系数约8×10-6/℃估算，温升导致的辅试件膨胀变形接近480με。而实验检测出无约束条件下最大变形为350με和490με，表明井壁混凝土养护初期10℃入模温度混凝土的自生体积变形(收缩)远大于15℃。

(3)不同入模温度混凝土应力规律分析

如图6所示，钢架约束条件下10℃和15℃两个入模温度C70混凝土早期产生的最大预压应力σcmax分别为2.11MPa和2.28MPa。证明不同入模温度相同配合比C70混凝土随着入模温度的增大，预压应力提高不明显。

10℃和15℃两个入模温度C70混凝土的最大压应力时间分别为22.917h和19.767h，均比温峰时刻30.784h提前。温峰随着温度降低形成的预压应力急剧下降，10℃和15℃两个入模温度的第二零应力时间分别为170.45h和119.25h,第二零应力温度T_Z,2分别为43.61℃和50.64℃。

不同入模温度开裂应力基本一致，开裂时间分别为274h和283h，表明入模温度变化对混凝土早期温度裂缝开裂影响不大。

(4)不同入模温度混凝土抗裂性评价

16种抗裂评价指标汇总至表9所示，对比钢架约束与100％约束混凝土抗裂敏感性。

如表9所示，在浇筑后，入模温度为15℃的第一零应力温度和时间均小于10℃，说明入模温度不同一定程度上影响混凝土的硬化程度，温度越高，水泥硬化速度越大，混凝土硬化时间越短。在压应力阶段，入模温度为15℃的最大压应力略大于10℃，说明增加入模温度对混凝土的预压应力增加作用不明显。在压应力转拉应力阶段，入模温度为15℃的第二零应力时间提前于10℃，表明随着入模温度的增加混凝土产生拉应力时间提前，增加了出现温度裂缝的风险。在混凝土断裂阶段，入模温度为15℃开裂应力、开裂时间、开裂温降略大于10℃，拉应力增长速率、应力储备基本一致，表明入模温度为15℃混凝土抗裂性能与10℃混凝土基本相同。说明入模温度变化对混凝土早期温度裂缝开裂影响不大，提高入模温度不能够做为阻碍温度裂缝的有效手段之一。

表9不同入模温度抗裂性评价指标

2、不同纤维种类对C70混凝土抗裂指标影响

本研究选取三种纤维种类包括玄武岩纤维(BF)、聚乙烯醇纤维(PAF)和端钩型钢纤维(SF)进行温度应力试验。本组对比实验选用入模温度为10℃的温度历程曲线，约束度为100％约束。

(1)不同纤维种类配合比

C70纤维混凝土配合比如表10所示。纤维混凝土水灰比为0.303，水胶比为0.283。

表10 C70纤维混凝土配合比

(2)不同纤维种类混凝土应变规律分析

如图7所示，混凝土应变随着温度上升呈现增加后减小的趋势，在温度急速降温阶段应变值也随之急剧降低。C70，C70BF，C70PAF和C70SF的最大预压应变分别为350.4，396.47，413.47和432.06με。此外，在急速降温阶段，C70和C70BF的应变值为负，而C70PAF和C70SF的应变值为正。说明三种纤维对混凝土变形限制程度有限。不同纤维限制变形排序为钢纤维＞聚乙烯醇纤维＞玄武岩纤维。主要原因在于纤维的弹性模量越大，限制变形能力越强。

按照混凝土的线膨胀系数约8×10-6/℃估算，温升导致的三种纤维度C70混凝土膨胀变形接近480με。而实验检测出无约束条件下C70，C70BF，C70PAF和C70SF最大变形为350με，396με，428.5με和434.3με。表明井壁混凝土养护初期纤维混凝土的自生体积变形(收缩)小于普通混凝土，有利于控制混凝土的收缩变形。

(3)不同纤维种类混凝土应力规律分析

如图8所示，混凝土浇筑后随着水泥逐渐水化，温度逐渐升高，混凝土压应力逐渐增大。在温度下降阶段，预压应力逐渐减小至零，之后转变为拉应力。在急速降温阶段，拉应力急剧增大，当混凝土内拉应力超过抗拉强度则会发生断裂。总之，应力变化规律可以分为四个阶段：

1)第一零应力阶段(0～9h)：在该阶段内压应力非常小以至于无法测量出，其原因为混凝土在刚浇筑后未硬化凝结。

2)压应力增加阶段(9～22h)：在该阶段，混凝土由于自生体积变形大于水化作用形成的收缩变形，故形成体积膨胀。由于100％约束变形导致该阶段内压应力逐渐增加。C70,C70BF,C70PAF和C70SF最大压应力分别为3.52,2.92,2.58和2.29Mpa。最大压应力出现在22.4h，均比温峰时刻30.784h提前。表明纤维对混凝土收缩的限制作用排序为：钢纤维＞聚乙烯醇纤维＞玄武岩纤维。

3)压应力转变为拉应力阶段(22～240h)：第二零应力时间分别为109.367,109.584,95.884和101.034h，表明纤维不会影响混凝土的收缩速度。拉应力在零附近长达53h，原因在于控制器改变旋转方向非常慢，但是这个趋势对结果影响较小。在该阶段C70,C70BF,C70PAF和C70SF的最大拉应力分别为2.14,1.71,2.06和2.01Mpa，拉应力增加速率分别为0.0168,0.0134,0.0145和0.0147MPa/h。证明三种纤维对减小拉应力增加速率作用有限，排序为：玄武岩纤维＞聚乙烯醇纤维＞钢纤维。

4)拉应力急速增加阶段：C70,C70BF,C70PAF和C70SF的开裂应力分别为2.58,2.56,2.48和2.96MPa，开裂温度分别为17.6,17.6,23.5和23.6℃。三种纤维混凝土开裂早于普通混凝土，其原因在于在9～22h内普通混凝土预压应力大于纤维混凝土，并且压应力转变为拉应力大于纤维混凝土。但是，钢纤维在混凝土断裂后仍然能够测到应力，可见钢纤维可以有效组织裂缝扩展和混凝土的脆断。

(4)不同纤维种类混凝土抗裂性评价

如表11所示，在浇筑后，玄武岩纤维混凝土和普通混凝土的第一零应力温度和时间基本相同，但是塑料纤维和钢纤维混凝土略小于其它两个混凝土。说明塑料纤维和钢纤维混凝土一定程度上影响混凝土硬化。在压应力阶段，三种纤维的最大压应力略小于普通混凝土，表明三种纤维一定程度上减小预压应力。在压应力转拉应力阶段，塑料纤维的第二零应力时间略小于其它三种混凝土，一定程度上增加了出现温度裂缝的风险。在混凝土断裂阶段，三种纤维混凝土的应力储备、开裂应力均略小于普通混凝土。说明三种纤维均不能有效减小混凝土的温度裂缝风险。然而钢纤维混凝土的拉应力增长速率远远低于其它三种混凝土，说明钢纤维有效的阻止裂缝的扩展与断裂。总之，纤维的主要作用是阻碍裂缝的发育和断裂而不是减小混凝土开裂风险，这个作用的排序为钢纤维＞玄武岩纤维＞塑料纤维。

表11不同纤维种类抗裂性评价指标

3、不同膨胀剂种类对C70混凝土抗裂指标影响

研究选取两种膨胀剂包括MgO膨胀剂和CaO复合膨胀剂进行温度应力试验。本组对比实验选用入模温度为10℃的温度历程曲线，约束度为100％约束。

(1)C70不同膨胀剂混凝土配合比如表12所示。

表12 C70不同膨胀剂混凝土配合比

(2)不同膨胀剂种类混凝土应变规律分析

如图9所示，掺加膨胀剂的混凝土应变仍然符合随着温度上升呈现增加后减小的趋势，在温度急速降温阶段应变值也随之急剧降低。C70,C70CaO和C70 MgO的最大预压应变峰值分别为350με，571.95με和1217.12με。在急速降温阶段，只有C70应变值为负，而C70CaO和C70 MgO的应变值为正，分别为-155.71με，298.8με和956.67με。说明无约束条件下两种膨胀剂均抵消自生体积收缩，并在温度为-10℃后仍能够保证混凝土是膨胀状态。无约束条件下不同膨胀剂膨胀量排序为CaO类＞MgO类。

按照混凝土的线膨胀系数约8×10^-6/℃估算，温升导致的C70混凝土膨胀变形接近480με。表明井壁混凝土养护初掺加CaO类膨胀剂能够有效的抵消混凝土的自生体积变形(收缩)并产生很大程度的膨胀，有利于控制混凝土的收缩变形，进而降低混凝土开裂风险。

(3)不同膨胀剂种类混凝土应力规律分析

如图10所示，不同膨胀剂种类混凝土应力规律与前文所述基本一致。即浇筑后随着水泥逐渐水化，温度逐渐升高，混凝土压应力逐渐增大。在温度下降阶段，预压应力逐渐减小至零，之后转变为拉应力。在急速降温阶段，拉应力急剧增大，当混凝土内拉应力超过抗拉强度则会发生断裂。总之，应力变化规律仍然可以分为四个阶段：

1)第一零应力阶段(0～9h)：该阶段应力与未添加任何膨胀剂C70混凝土基本一致。压应力非常小以至于无法测量出，其原因为混凝土在刚浇筑后未硬化凝结，可见膨胀剂添加基本不会影响混凝土硬化凝结速率。

2)压应力增加阶段(9～33h)：在该阶段，混凝土由于自生体积变形大于水化作用形成的收缩变形，加之热膨胀故形成体积膨胀。由于100％约束变形导致该阶段内压应力逐渐增加。C70,C70CaO和C70MgO最大压应力分别为3.52,4.47和7.552Mpa。最大压应力分别出现在22.4h，32.46h和33.31h。表明两个膨胀剂对混凝土体积膨胀作用排序为：CaO类＞MgO类。

3)压应力转变为拉应力阶段(33～240h)：第二零应力时间分别为109.367,114.869和140.083h，表明两种膨胀剂均可延缓混凝土的收缩速度，CaO膨胀剂效果非常明显。在该阶段C70,C70CaO和C70MgO的最大拉应力分别为2.14,1.85和1.05MPa，拉应力增加速率分别为0.0168,0.0089和0.0051MPa/h。证明两种膨胀剂对减小拉应力增加速率作用非常明显，排序为：CaO类＞MgO类。

4)拉应力急速增加阶段：C70CaO和C70MgO的混凝土均未开裂，利用机械头强制拉断。表明添加膨胀剂后的混凝中早期拉应力减小，不容易产生温度裂缝。C70CaO机械头强制拉断时间要略大于C70MgO混凝土，表明C70CaO混凝土内部温度损伤略低于C70MgO混凝土。

(4)不同膨胀剂种类混凝土抗裂性评价

如表13所示，在浇筑后，微膨胀混凝土比基准混凝土的第一零应力温度和时间有所下降，CaO类膨胀剂混凝土最低。说明微膨胀混凝土一定程度上加速了混凝土硬化。

在压应力阶段，CaO复合类膨胀剂早期预压应力达到7.6MPa，而MgO膨胀剂最大预压应力只有4.5MPa，二者都高于C70基准组，表明CaO复合类膨胀剂的膨胀效率显著高于MgO膨胀剂，且微膨胀混凝土最大压应力峰值出现时刻晚于基准混凝土，其中MgO膨胀剂混凝土压应力峰值持续时间较长。说明两种膨胀剂均在混凝土达到温峰之前开始反应，MgO膨胀剂反应时间稍晚于CaO复合类膨胀剂。

在压应力转拉应力阶段，CaO复合类膨胀剂的第二零应力时间约140h，而MgO膨胀剂第二零应力时间为98h，相差40多小时，且CaO复合类膨胀混凝土应力下降梯度明显小于MgO膨胀混凝土和基准混凝土。说明CaO复合类膨胀剂的膨胀能仍能够在140h之内发挥作用，而MgO膨胀剂的膨胀能已经在混凝土塑性阶段大量消耗。显然在内壁中心温度历程与100％约束条件下CaO复合类膨胀剂对混凝土后期的温度收缩补偿效果强于MgO类膨胀剂。

在混凝土断裂阶段，两种微膨胀类混凝土均未在240h内断裂，通过1℃/h降温的方式将试件拉断，均为3MPa左右。CaO复合类膨胀混凝土开裂温降为60.8℃要远高于MgO膨胀混凝土和基准混凝土的52.1℃和53.4℃，开裂温降增加了14％。说明CaO复合类膨胀剂的掺入，使混凝土内部在温升阶段积累较高的压应力，从而在温降阶段可明显延长混凝土开裂时间，但对混凝土的抗拉强度影响不大。综上，膨胀剂类型比较的结果是CaO复合类膨胀剂的抗裂能力要优于MgO膨胀剂。

表13不同膨胀剂种类抗裂性评价指标

5、不同膨胀剂掺量对C70混凝土抗裂性影响

研究选取两种CaO复合膨胀剂掺量包括35kg、45kg进行温度应力试验。本组对比实验选用入模温度为10℃的温度历程曲线，约束度为100％约束。

(1)不同膨胀剂掺量配合比

C70不同膨胀剂混凝土配合比如表14所示。

表14 C70不同膨胀剂混凝土配合比

(2)不同膨胀剂掺量混凝土应变规律分析

如图11所示，不同掺量的CaO膨胀剂的混凝土应变仍然符合随着温度上升呈现增加后减小的趋势，在温度急速降温阶段应变值也随之急剧降低。掺加0kg,35kg和45kg的最大预压应变峰值分别为350με，453.81με和1217.12με。在急速降温阶段，只有C70应变值为负，而掺加35kg和45kg的CaO膨胀剂应变值为正，分别为-155.71με，114.82με和956.67με。说明无约束条件下35kgCaO膨胀剂仍能够抵消自生体积收缩，并在温度为-10℃后仍能够保证混凝土是膨胀状态。但是在升温阶段混凝土膨胀量与掺加45kgMgO膨胀剂基本一致，降温阶段应变下降梯度相对45kgMgO膨胀剂混凝土较快，可见应当增加CaO膨胀剂掺量，以更好地降低内壁混凝土开裂风险。

(3)不同膨胀剂掺量混凝土应力规律分析，如图12所示。

1)第一零应力阶段(0～9h)：该阶段应力与未添加任何膨胀剂C70混凝土基本一致。压应力非常小以至于无法测量出，其原因为混凝土在刚浇筑后未硬化凝结，可见膨胀剂添加基本不会影响混凝土硬化凝结速率。

2)压应力增加阶段(9～33h)：掺加0kg，35kg和45kg的CaO膨胀剂最大压应力分别为3.52,4.19和7.552Mpa。最大压应力分别出现在22.4h，30.949h和33.31h。表明当每立方混凝土减少10kgCaO膨胀剂时，预压应力下降44.5％，造成混凝土的抗裂性能不高，应当考虑再增加CaO类膨胀剂掺量。

3)压应力转变为拉应力阶段(33～240h)：第二零应力时间分别为109.367,99.867和140.083h，表明掺加35kgCaO类膨胀剂并没有有效延缓混凝土的收缩速度，抗裂效果将不明显。在该阶段0kg,35kg和45kg的最大拉应力分别为2.14,1.32和1.05MPa，拉应力增加速率分别为0.067,0.0094和0.0051MPa/h。证明掺加35kg的CaO膨胀剂对减小拉应力增加速率作用较明显，基本与掺加45kgMgO类膨胀剂持平。

4)拉应力急速增加阶段：掺加35kg和45kg的CaO类膨胀剂混凝土均未开裂，利用机械头强制拉断。表明添加膨胀剂后的混凝中早期拉应力减小，不容易产生温度裂缝。35kgCaO膨胀剂混凝土更早拉断，表明掺加35kgCaO类膨胀剂混凝土仍存在内部温度损伤。

(4)不同膨胀剂掺量混凝土抗裂性评价

如表15所示，在浇筑后，掺加35kgCaO膨胀剂的微膨胀混凝土仍然比基准混凝土的第一零应力温度和时间有所下降，但是大于45kg的CaO类膨胀剂混凝土。说明掺加35kgCaO膨胀剂的微膨胀混凝土仍加速了混凝土硬化。

在压应力阶段，掺加35kgCaO复合类膨胀剂早期预压应力达到4.19MPa，略小于前文所述的掺加45kg的MgO膨胀剂4.5MPa，但仍远高于C70基准组，表明掺加35kg的CaO复合类膨胀剂的膨胀效率与掺加45kgMgO膨胀剂基本相同。

在压应力转拉应力阶段，掺加35kg的CaO复合类膨胀剂的第二零应力时间约99.4h，与掺加45kg的MgO膨胀剂98h差距较小，说明掺加35kg的CaO复合类膨胀剂的膨胀能发挥作用时间与45kg的MgO膨胀剂基本一致，膨胀能已经在后期混凝土塑性阶段大量消耗。可见35kg的CaO复合类膨胀剂温度收缩补偿效果与MgO类膨胀剂基本一致。

在混凝土断裂阶段，掺加35kg、45kg的CaO复合类膨胀剂均未在240h内断裂，通过1℃/h降温的方式将试件拉断，均为3MPa左右。掺量为35kg的CaO复合类膨胀混凝土开裂温降与45kgMgO膨胀混凝土相同。说明两者延长混凝土开裂时间的能力也基本一致，对混凝土的抗拉强度影响也基本相同。综上，掺量为35kg的CaO复合类膨胀混凝土抗裂性能与掺加45kg的MgO膨胀混凝土基本一致，故35kg不是最优掺量，需要增加CaO复合类膨胀混凝土掺量。

表15不同膨胀剂掺量抗裂性评价指标

6、C70抗裂型混凝土配合比优化方案

(1)抗裂型混凝土配合比

如表16所示，综合考虑经济性、膨胀能、混凝土抗裂性能等因素，C70抗裂型混凝土配合比优化试验中将CaO类复合膨胀剂用量调整为40kg，即掺40kgCaO类复合膨胀剂+1‰钢纤维。

表16 C70抗裂型混凝土配合比

(2)抗裂型混凝土应变规律分析

如图13所示，抗裂型混凝土与普通混凝土最大预压应变峰值分别为350με和659.69με，预压应变提升46.9％。抗裂型混凝土在温度下降阶段应变值仍能够保证正值。说明无约束条件下抗裂型混凝土能够有效抵消自生体积收缩，并后期温度下降至-10℃后仍能够保证混凝土是膨胀状态。

(3)抗裂型混凝土应力规律分析

如图14所示，抗裂型混凝土与普通混凝土应力对比如下：

1)第一零应力阶段(0～9h)：该阶段抗裂型混凝土应力与普通混凝土基本一致。压应力非常小以至于无法测量出，其原因为混凝土在刚浇筑后未硬化凝结，可见膨胀剂添加基本不会影响混凝土硬化凝结速率。

2)压应力增加阶段(9～50h)：抗裂型混凝土与普通混凝土最大压应力分别为3.52和5.548MPa。最大压应力分别出现在22.4h和33.1h。表明抗裂型混凝土预压应力相比于普通混凝土提高36.6％，表明该配合比的混凝土预压应力较高，抗裂性能将会较好。

3)压应力转变为拉应力阶段(50～240h)：第二零应力时间分别为109.367和128.598h，延长15％，表明抗裂型混凝土有效延缓混凝土的收缩速度。在该阶段抗裂型混凝土与普通混凝土的最大拉应力分别为2.14和1.09MPa，拉应力增加速率分别为0.067和0.0057MPa/h。证明由于内掺膨胀剂，抗裂型混凝土对减小拉应力增加速率作用非常明显。

4)拉应力急速增加阶段：抗裂型混凝土未开裂，利用机械头强制拉断。表明添加膨胀剂后的混凝中早期拉应力减小，不容易产生温度裂缝。

(4)抗裂型混凝土抗裂性评价

如表17所示，在浇筑后，抗裂型混凝土比基准混凝土的第一零应力温度和时间下降6.2％，说明抗裂型混凝土加速了混凝土硬化。

在压应力阶段，抗裂型混凝土早期预压应力达到5.548MPa，相比C70基准组高36.6％，表明抗裂型混凝土膨胀效率较高，能够出现较大程度的微膨胀，在混凝土中形成一定程度的预压应力。

在压应力转拉应力阶段，抗裂型混凝土的第二零应力时间为128.598h，相比于普通混凝土延长15％。说明抗裂型混凝土的膨胀能仍能够在128.598h之内发挥作用。显然在内壁中心温度历程与100％约束条件下抗裂型混凝土后期的温度收缩补偿效果较明显。

在混凝土断裂阶段，抗裂型混凝土未在240h内断裂，通过1℃/h降温的方式将试件拉断。抗裂型混凝土开裂温降远远缓于普通混凝土，开裂温降增加20.7％，说明抗裂型混凝土延长混凝土开裂时间的能力较强。抗裂型混凝土拉应力增加速率为0.0057MPa/h，比普通混凝土低90％。证明抗裂型混凝土对减小拉应力增加速率作用非常明显。

表17抗裂型混凝土抗裂性评价

7、在优化条件下，对不同形态的钢纤维进行优化。

通过对比发现压棱形钢纤维可以通过改变压棱，从而调整压棱形钢纤维的几何尺寸和形状，增加表面积，进而增加了与混凝土基体的界面粘结能力，可以进一步改善C70混凝土的抗裂指标。

现有技术中，钢纤维的制备需要从炼钢到轧钢、拨丝(或轧板)等繁杂的过程，所得到的压棱形钢纤维的形状不能达到最佳的抗裂指标。利用熔抽法制备的钢纤维，通过改变熔抽轮上刻槽尺寸，熔抽轮的转速和浸入深度，就可以得到不同几何尺寸的钢纤维。

现有技术中由于需要不停加入废钢，导致钢液不均匀，从而导致熔抽出的钢纤维形状不稳定，影响C70混凝土的抗裂指标，为此本申请设计了一种熔抽法压棱形钢纤维生产装置。

熔抽法压棱形钢纤维生产装置，包括底座100、电炉200、第一调节机构300、搅拌机构400、第二调节机构500和成型机构600；电炉200内放置有钢液，电炉200设置在底座100的上表面，第一调节机构300固定安装在底座100的上表面，且第一调节机构300位于电炉200的一侧，搅拌机构400固定安装在第一调节机构300上，第二调节机构500固定安装在底座100的上表面，且第二调节机构500位于电炉200的另一侧，成型机构600固定安装在第二调节机构500上。

如图1-3所示，第一调节机构300包括第一伸缩杆301、第一转杆302、第一连接块303和第一横杆304；第一伸缩杆301为气动伸缩杆，第一伸缩杆301固定安装在底座100上表面位于电炉200的一侧，第一转杆302转动安装在第一伸缩杆301的顶端中心位置处，第一转杆302由气动控制，气动控制为现有技术中常用的气动旋转，第一连接块303固定安装在第一转杆302的顶端，第一横杆304固定安装在第一连接块303的一侧，且第一横杆304平行于底座100设置；通过设置第一伸缩杆301和第一转杆302，可以对搅拌机构400进行上下调节和左右转动，进而使搅拌机构400不会影响电炉200对废钢的熔化；搅拌机构400包括安装箱401、连接箱402、连接管403、供气管404、滑环405、滚珠406、连接环407、加固杆408、中转箱409、密封轴410、齿环411、电机412、齿轮413、第一连接耳414、通气杆415、第二连接耳416、通气腔417、软管418、透气砖419和限位环420；安装箱401固定安装在第一横杆304远离第一连接块303一端的下表面，安装箱401为底部贯通的圆筒状设计；连接箱402固定安装在安装箱401内上表面靠近一侧的位置，连接箱402为圆柱形设计，连接管403贯穿焊接在连接箱402的底部，连接管403位于连接箱402内的一端为越向上直径逐渐变小的台形设计，供气管404与连接管403位于连接箱402内的一端相连接，供气管404的另一端依次穿过连接箱402、安装箱401和第一横杆304与氮气机相连接；滑环405设置在连接箱402内，滑环405与连接管403同轴设置，滑环405的下表面与连接箱402底壁的上表面均相对开设有滚珠槽，滚珠槽的数量为两个，滑环405下表面与连接箱402底壁的上表面的滚珠槽均开设有两个，滚珠406滚动安装在滚珠槽内，滚珠406的数量为多个，滑环405通过滚珠406滑动安装在连接箱402内；加固杆408的数量为多个，多个加固杆408均位于连接管403与滑环405之间，加固杆408的两端分别于连接箱402的顶壁和底壁相连接；连接环407固定安装在滑环405的下表面，连接环407与滑环405同轴，连接环407的底端穿过连接箱402的底壁伸出到连接箱402的外部，中转箱409的上表面与连接环407的底端固定连接，中转箱409为与连接环407同轴的圆柱形箱体，中转箱409的进气口与连接管403的出气口流体导通，中转箱409与连接管403相连接处设置有密封轴410，中转箱409相对于连接管403可以进行转动；齿环411固定安装在中转箱409的外侧，电机412固定安装在第一横杆304的上表面，电机412的输出端穿过第一横杆304和安装箱401伸入到安装箱401内部，齿轮413固定安装在电机412的输出端，且齿轮413与齿环411啮合连接；第一连接耳414的数量为两个，两个第一连接耳414关于中转箱409的中轴线位置对称焊接在中转箱409的底部，通气杆415的数量为两个，且通气杆415采用耐高温材质制成，第二连接耳416固定安装在两个通气杆415的顶端，第一连接耳414与第二连接耳416通过螺钉相连接，且第二连接耳416相对于第一连接耳414可以进行一定的转动，通气杆415通过第一连接耳414和第二连接耳416与中转箱409相连接；通气腔417开设于通气杆415的内部，软管418的出气口穿过通气杆415的顶端与通气腔417流体导通，软管418的进气口与中转箱409流体导通，软管418采用抗高温材质制成；透气砖419嵌接在通气杆415的杆壁上，透气砖419分别位于通气杆415靠近底端的位置和靠近通气杆415中部的位置，透气砖419的外表面与通气杆415的外表面平齐，透气砖419的内表面与通气腔417的表面平齐；限位环420焊接在安装箱401的底部开口处，限位环420与中转箱409同轴，限位环420底端的内环为球面设置；通过设置搅拌机构400，可以对电炉200内的钢液进行搅拌，使钢液在电炉200内分布均匀，进而使生产出来的钢纤维质量稳定；待电炉200内的废钢被完全熔化后，转动第一转杆302，再调节第一伸缩杆301，使通气杆415没入钢液中，然后启动氮气机，氮气会通过供气管404、连接管402、中转箱409和软管418最后进入通气腔417内，然后通气腔417内氮气会通过透气砖419进入钢液内，对钢液进行搅拌，启动电机412，通过齿轮413和齿环411的传动，中转箱409会进行转动，中转箱409进行转动时，通过滑环405和连接环407的滑动，可以保证中转箱409不会发生偏移的情况，而中转箱409与连接管403的连接处因为密封轴410的作用，不会使氮气泄露，通过中转箱409的转动，两个通气杆415会向外侧绕两个连接耳进行偏移，两个通气杆415的旋转会形成一个锥形，通过两个通气杆415的转动，会搅动钢液进行一定的转动，而透气砖419接触的钢液范围也会变大，通过通气杆415和氮气的双重搅拌，可以对电炉200内的钢液进行充分搅拌；第二调节机构500包括第二伸缩杆501、第二转杆502、第二连接块503和第二横杆504；第二伸缩杆501为气动伸缩杆，第二伸缩杆501固定安装在底座100上表面位于电炉200的另一侧，第二转杆502转动安装在第二伸缩杆501的顶端中心位置处，第二转杆502由气动控制，气动控制为现有技术中常用的气动旋转，第二连接块503固定安装在第二转杆502的顶端，第二横杆504固定安装在第二连接块503的一侧，且第二横杆504平行于底座100设置；通过是设置第二调节机构500，可以对成型机构600进行上下调节和左右转动，可以对成型机构600进行实时调节，使成型机构600充分接触电炉200内的钢液；成型机构600包括吊架601、熔抽轮602和成型槽603；吊架601固定安装在第二横杆504远离第二连接块503一端的下表面，熔抽轮602转动安装在吊架601的底部，成型槽603开设在熔抽轮602的外表面，第二横杆504和吊架601内安装有冷却水管、冷却高压风管及煤气输送管，熔抽轮602上设置有清扫轮，成型机构600整体采用现有技术中已经拥有的熔抽轮结构。

工作原理：通过设置第一伸缩杆301和第一转杆302，可以对搅拌机构400进行上下调节和左右转动，进而使搅拌机构400不会影响电炉200对废钢的熔化，通过设置搅拌机构400，可以对电炉200内的钢液进行搅拌，使钢液在电炉200内分布均匀，进而使生产出来的钢纤维质量稳定；待电炉200内的废钢被完全熔化后，转动第一转杆302，再调节第一伸缩杆301，使通气杆415没入钢液中，然后启动氮气机，氮气会通过供气管404、连接管402、中转箱409和软管418最后进入通气腔417内，然后通气腔417内氮气会通过透气砖419进入钢液内，对钢液进行搅拌，启动电机412，通过齿轮413和齿环411的传动，中转箱409会进行转动，中转箱409进行转动时，通过滑环405和连接环407的滑动，可以保证中转箱409不会发生偏移的情况，而中转箱409与连接管403的连接处因为密封轴410的作用，不会使氮气泄露，通过中转箱409的转动，两个通气杆415会向外侧绕两个连接耳进行偏移，两个通气杆415的旋转会形成一个锥形，通过两个通气杆415的转动，会搅动钢液进行一定的转动，而透气砖419接触的钢液范围也会变大，通过通气杆415和氮气的双重搅拌，可以对电炉200内的钢液进行充分搅拌，通过是设置第二调节机构500，可以对成型机构600进行上下调节和左右转动，可以对成型机构600进行实时调节，使成型机构600充分接触电炉200内的钢液，然后熔抽轮602进行转动，使钢纤维成型。

通过设置搅拌机构，可以对电炉内的钢液进行搅拌，使钢液在电炉内分布均匀，进而使生产出来的钢纤维质量稳定；待电炉内的废钢被完全熔化后，转动第一转杆，再调节第一伸缩杆，使通气杆没入钢液中，然后启动氮气机，氮气会通过供气管、连接管、中转箱和软管最后进入通气腔内，然后通气腔内氮气会通过透气砖进入钢液内，对钢液进行搅拌，启动电机，通过齿轮和齿环的传动，中转箱会进行转动，中转箱进行转动时，通过滑环和连接环的滑动，可以保证中转箱不会发生偏移的情况，而中转箱与连接管的连接处因为密封轴的作用，不会使氮气泄露，通过中转箱的转动，两个通气杆会向外侧绕两个连接耳进行偏移，两个通气杆的旋转会形成一个锥形，通过两个通气杆的转动，会搅动钢液进行一定的转动，而透气砖接触的钢液范围也会变大，通过通气杆和氮气的双重搅拌，可以对电炉内的钢液进行充分搅拌。通过设置第一伸缩杆和第一转杆，可以对搅拌机构进行上下调节和左右转动，进而使搅拌机构不会影响电炉对废钢的熔化。通过是设置第二调节机构，可以对成型机构进行上下调节和左右转动，可以对成型机构进行实时调节，使成型机构充分接触电炉内的钢液，从而使得得到压棱形钢纤维更加稳定，结构均匀，从而有利于提高混凝土的抗裂性。

采用熔抽法压棱形钢纤维生产装置制备的压棱形钢纤维，因表面更加粗糙、截面呈现不规则的形状，与混凝土基体的界面粘结能力更强；抗裂型冻结井壁混凝土相比基准组早期预压应力高46.5％，第二零应力时间延长19.2％，开裂温降增加26.9％，拉应力增加速率低95％，开裂应力提高15％。具有更强的收缩补偿和抗早期温度裂缝效果

8、小结

(1)根据不同入模温度TSTM实验，在混凝土断裂阶段，入模温度为15℃开裂应力、开裂时间、开裂温降略大于10℃，拉应力增长速率、应力储备基本一致，表明入模温度为15℃混凝土抗裂性能与10℃混凝土基本相同。

(2)根据不同纤维种类TSTM实验发现，纤维对混凝土收缩的限制作用排序为：钢纤维＞聚乙烯醇纤维＞玄武岩纤维。三种纤维对减小拉应力增加速率作用有限，排序为：玄武岩纤维＞聚乙烯醇纤维＞钢纤维。实验证明纤维的主要作用是阻碍裂缝的发育和断裂而不是减小混凝土开裂风险，这个作用的排序为钢纤维＞玄武岩纤维＞塑料纤维。

(3)根据不同膨胀剂种类TSTM实验发现，CaO复合类膨胀剂的掺入，使混凝土内部在温升阶段积累较高的压应力，从而在温降阶段可明显延长混凝土开裂时间，但对混凝土的抗拉强度影响不大。膨胀剂类型比较的结果是CaO复合类膨胀剂的抗裂能力要优于MgO膨胀剂。

(4)根据不同膨胀剂掺量TSTM实验发现，掺量为35kg的CaO复合类膨胀混凝土抗裂性能与掺加45kg的MgO膨胀混凝土基本一致，远远小于掺加45kg的CaO膨胀剂。35kg不是最优掺量，需要增加CaO复合类膨胀混凝土掺量。

(5)综合考虑经济性、膨胀能、混凝土抗裂性能等因素，C70抗裂型混凝土配合比为掺40kgCaO类复合膨胀剂+1‰钢纤维。其中CaO类复合膨胀剂为内掺法，钢纤维为外掺法。抗裂型混凝土相比C70基准组早期预压应力高36.6％，第二零应力时间延长15％，开裂温降增加20.7％，拉应力增加速率低90％，开裂应力提高10.1％。具有较强的收缩补偿和抗裂效果。

(6)基于TSTM实验平台，提出了冻结井筒内壁混凝土抗裂性评价方法。最终获得了抗裂型冻结井壁混凝土配合比优化方案。

抗裂型混凝土相比C70基准组早期预压应力高36.6％，第二零应力时间延长15％，开裂温降增加20.7％，拉应力增加速率低90％，开裂应力提高10.1％。具有较强的收缩补偿和抗裂效果。

(7)在采用熔抽法压棱形钢纤维生产装置制备的压棱形钢纤维，因表面更加粗糙、截面呈现不规则的形状，与混凝土基体的界面粘结能力更强；抗裂型冻结井壁混凝土相比采用端勾型钢纤维时，开裂应力提高到15％。

本项目对指导千米深井冻结井筒施工具有重要的实用价值，对完善我国冻结法井壁设计理论与应用体系有较大的理论意义，具有很好的科学价值。抗裂型混凝土必将成为未来深部冻结井筒内壁的发展方向，在冻结工程中将具有广阔的发展前景。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，为C70抗裂型混凝土，包括水泥、细骨料、粗骨料、粉煤灰、外加剂、膨胀剂、纤维和水。

2.根据权利要求1所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，1m³C70抗裂型混凝土配比如下：水泥为410-420g，细骨料为730-740g，粗骨料为1100-1110g，粉煤灰为30-40g，外加剂为12-14g，膨胀剂为35-45g，水为130-140g，纤维加入量为1‰的体积掺量。

3.根据权利要求1所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O52.5普通硅酸盐水泥；所述细骨料为标准砂，属于中砂，细度模数为2.6，含泥量约为0.4％；所述粗骨料为石灰岩碎石，压碎指标4.9％，含泥量约为0.4％；所述粉煤灰为北京地区的I级粉煤灰，密度为2.3g/cm3，细度为6％，需水量比为94％，烧失量为2.8％，活性指数为80％；所述外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水率30％。

4.根据权利要求1所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为MgO膨胀剂或氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂；

MgO膨胀剂的化学成分：CaO的质量分数1.07％，MgO的质量分数91.38％，Fe₂O₃的质量分数0.63％，Al₂O₃的质量分数0.45％，SiO₂的质量分数0.96％，Loss的质量分数2.89％，共计97.38％；MgO膨胀剂的细度为0.08mm的标准筛的筛余量为6％，表示94％的MgO膨胀剂的粒径是小于0.08mm的；

氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的主要成分为CaSO₄、CaO、Ca₄Al₆O₁₂SO₄；具体化学成分为：CaO的质量分数51.28％，MgO的质量分数2.11％，Fe₂O₃的质量分数0.72％，Al₂O₃的质量分数13.15％，SiO₂的质量分数0.15％，Na₂O₃的质量分数2.89％，SO₃的质量分数27.79％，共计95.3％；氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的细度为0.08mm的标准筛的筛余量为0％，表示100％的氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的粒径是小于0.08mm的。

5.根据权利要求1所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，所述纤维为短切玄武岩纤维、螺旋形聚乙烯醇纤维、端勾型钢纤维或压棱形钢纤维：

所述短切玄武岩纤维的性能指标为：拉伸强度为1050-1250MPa，弹性模量大于等于34Gpa，断裂伸长率小于等于3.1％；耐碱性能单丝断裂轻度保留率小于等于75％；

所述螺旋形聚乙烯醇纤维的性能指标为：线密度为2.63-2.8g/m³；纤维直径为15-50μm；拉伸强度大于1250MPa；弹性模量为大于等于3500GPa；纤维长度为6-30mm；断裂伸长率大于等于5％；

所述端勾型钢纤维的性能指标为：直径为0.9mm；长度为70μm；拉伸强度为1100MPa；弹性模量为210Gpa；

所述压棱形钢纤维采用熔抽法压棱形钢纤维生产装置制备得到。

6.根据权利要求5所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，熔抽法压棱形钢纤维生产装置，包括底座(100)、电炉(200)、第一调节机构(300)、搅拌机构(400)、第二调节机构(500)和成型机构(600)；

所述电炉(200)内放置有钢液，所述电炉(200)设置在所述底座(100)的上表面，所述第一调节机构(300)固定安装在所述底座(100)的上表面，且所述第一调节机构(300)位于所述电炉(200)的一侧，所述搅拌机构(400)固定安装在所述第一调节机构(300)上，所述第二调节机构(500)固定安装在所述底座(100)的上表面，且所述第二调节机构(500)位于所述电炉(200)的另一侧，所述成型机构(600)固定安装在所述第二调节机构(500)上；

所述第一调节机构(300)包括第一伸缩杆(301)、第一转杆(302)、第一连接块(303)和第一横杆(304)；

所述第一伸缩杆(301)为气动伸缩杆，所述第一伸缩杆(301)固定安装在所述底座(100)上表面位于所述电炉(200)的一侧，所述第一转杆(302)转动安装在所述第一伸缩杆(301)的顶端中心位置处，所述第一转杆(302)由气动控制，所述气动控制为现有技术中常用的气动旋转，所述第一连接块(303)固定安装在所述第一转杆(302)的顶端，所述第一横杆(304)固定安装在所述第一连接块(303)的一侧，且所述第一横杆(304)平行于所述底座(100)设置；

所述搅拌机构(400)包括安装箱(401)、连接箱(402)、连接管(403)、供气管(404)、滑环(405)、滚珠(406)、连接环(407)、加固杆(408)、中转箱(409)、密封轴(410)、齿环(411)、电机(412)、齿轮(413)、第一连接耳(414)、通气杆(415)、第二连接耳(416)、通气腔(417)、软管(418)、透气砖(419)和限位环(420)；

所述安装箱(401)固定安装在所述第一横杆(304)远离所述第一连接块(303)一端的下表面，所述安装箱(401)为底部贯通的圆筒状设计；

所述连接箱(402)固定安装在所述安装箱(401)内上表面靠近一侧的位置，所述连接箱(402)为圆柱形设计，所述连接管(403)贯穿焊接在所述连接箱(402)的底部，所述连接管(403)位于所述连接箱(402)内的一端为越向上直径逐渐变小的台形设计，所述供气管(404)与所述连接管(403)位于所述连接箱(402)内的一端相连接，所述供气管(404)的另一端依次穿过所述连接箱(402)、所述安装箱(401)和所述第一横杆(304)与所述氮气机相连接；

所述滑环(405)设置在所述连接箱(402)内，所述滑环(405)与所述连接管(403)同轴设置，所述滑环(405)的下表面与所述连接箱(402)底壁的上表面均相对开设有滚珠槽，所述滚珠槽的数量为两个，所述滑环(405)下表面与所述连接箱(402)底壁的上表面的滚珠槽均开设有两个，所述滚珠(406)滚动安装在所述滚珠槽内，所述滚珠(406)的数量为多个，所述滑环(405)通过所述滚珠(406)滑动安装在所述连接箱(402)内；

所述加固杆(408)的数量为多个，多个所述加固杆(408)均位于所述连接管(403)与所述滑环(405)之间，所述加固杆(408)的两端分别于连接箱(402)的顶壁和底壁相连接；

所述连接环(407)固定安装在所述滑环(405)的下表面，所述连接环(407)与所述滑环(405)同轴，所述连接环(407)的底端穿过所述连接箱(402)的底壁伸出到所述连接箱(402)的外部，所述中转箱(409)的上表面与所述连接环(407)的底端固定连接，所述中转箱(409)为与连接环(407)同轴的圆柱形箱体，所述中转箱(409)的进气口与所述连接管(403)的出气口流体导通，所述中转箱(409)与所述连接管(403)相连接处设置有密封轴(410)，所述中转箱(409)相对于连接管(403)可以进行转动；

所述齿环(411)固定安装在所述中转箱(409)的外侧，所述电机(412)固定安装在所述第一横杆(304)的上表面，所述电机(412)的输出端穿过所述第一横杆(304)和所述安装箱(401)伸入到所述安装箱(401)内部，所述齿轮(413)固定安装在所述电机(412)的输出端，且所述齿轮(413)与所述齿环(411)啮合连接；

所述第一连接耳(414)的数量为两个，两个所述第一连接耳(414)关于所述中转箱(409)的中轴线位置对称焊接在所述中转箱(409)的底部，所述通气杆(415)的数量为两个，且所述通气杆(415)采用耐高温材质制成，所述第二连接耳(416)固定安装在两个所述通气杆(415)的顶端，所述第一连接耳(414)与所述第二连接耳(416)通过螺钉相连接，且所述第二连接耳(416)相对于所述第一连接耳(414)可以进行一定的转动，所述通气杆(415)通过所述第一连接耳(414)和所述第二连接耳(416)与所述中转箱(409)相连接；

所述通气腔(417)开设于所述通气杆(415)的内部，所述软管(418)的出气口穿过所述通气杆(415)的顶端与所述通气腔(417)流体导通，所述软管(418)的进气口与所述中转箱(409)流体导通，所述软管(418)采用抗高温材质制成；

所述透气砖(419)嵌接在所述通气杆(415)的杆壁上，所述透气砖(419)分别位于所述通气杆(415)靠近底端的位置和靠近所述通气杆(415)中部的位置，所述透气砖(419)的外表面与所述通气杆(415)的外表面平齐，所述透气砖(419)的内表面与所述通气腔(417)的表面平齐；

所述限位环(420)焊接在所述安装箱(401)的底部开口处，所述限位环(420)与所述中转箱(409)同轴，所述限位环(420)底端的内环为球面设置；

所述第二调节机构(500)包括第二伸缩杆(501)、第二转杆(502)、第二连接块(503)和第二横杆(504)；

所述第二伸缩杆(501)为气动伸缩杆，所述第二伸缩杆(501)固定安装在所述底座(100)上表面位于所述电炉(200)的另一侧，所述第二转杆(502)转动安装在所述第二伸缩杆(501)的顶端中心位置处，所述第二转杆(502)由气动控制，所述气动控制为现有技术中常用的气动旋转，所述第二连接块(503)固定安装在所述第二转杆(502)的顶端，所述第二横杆(504)固定安装在所述第二连接块(503)的一侧，且所述第二横杆(504)平行于所述底座(100)设置；

所述成型机构(600)包括吊架(601)、熔抽轮(602)和成型槽(603)；

所述吊架(601)固定安装在所述第二横杆(504)远离所述第二连接块(503)一端的下表面，所述熔抽轮(602)转动安装在所述吊架(601)的底部，所述成型槽(603)开设在所述熔抽轮(602)的外表面，所述第二横杆(504)和所述吊架(601)内安装有冷却水管、冷却高压风管及煤气输送管，所述熔抽轮(602)上设置有清扫轮，所述成型机构(600)整体采用现有技术中已经拥有的熔抽轮结构。

7.根据权利要求1所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土，其特征在于，为C70抗裂型混凝土，水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥、粗骨料石灰岩碎石、细骨料为标准砂，粉煤灰为北京地区的I级粉煤灰、外加剂为聚羧酸高效减水剂、膨胀剂为氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂，纤维为端勾型钢纤维和水；且1m³C70抗裂型混凝土用量为：P·O 52.5普通硅酸盐水泥为414kg、石灰岩碎石1102kg、北京地区的I级粉煤灰为34kg、聚羧酸高效减水剂为13.5kg、氧化钙－硫铝酸钙复合膨胀剂为40kg，水为138g，端勾型钢纤维的体积掺量为1‰。

8.权利要求1-7任一所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)粉料混合；先将水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、纤维投入搅拌机内干拌30-40s，搅拌均匀后得到较为均匀混合物；

(2)加入水、膨胀剂和外加剂；

(3)进行浇注，采用钢架约束，控制混凝土浇注的入模温度。

9.根据权利要求8所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，边搅拌边向混合物内均匀加入减水剂和水的混合溶液，搅拌2-4min，搅拌过程中，使其转速应处于60-100r/min，搅拌均匀后得到抗裂型混凝土。

10.根据权利要求8所述的一种抗裂型冻结井壁混凝土的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，利用输料口将制备完毕的抗裂混凝土输送到600m，由下至上进行内层井壁连续浇筑，浇筑过程中进行振动，使得混凝土保证密实，抗裂混凝土入模温度为10～15℃。

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