沿空留巷充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理及控制技術(shù)

摘 要：文章分析了沿空留巷充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素，從降低水泥水化熱生成量、提高墻體內(nèi)部散熱速度、控制墻體內(nèi)部與表面溫差以及強(qiáng)化墻體承載性能四個(gè)方面提出了解決溫度裂縫的方法。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；充填墻體；溫度裂縫；水化熱；散熱速度；控制溫差

1 充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生及影響因素

1.1 充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)充填墻體破壞產(chǎn)生的時(shí)間可以將其分為早期破壞和后期破壞。早期破壞表現(xiàn)為墻體表面開(kāi)裂、局部片落等，主要是溫度應(yīng)力及頂板壓力的共同作用所導(dǎo)致；后期破壞則表現(xiàn)為墻體的貫穿裂縫，主要是頂板的破斷、旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的。

對(duì)于溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫可以稱(chēng)為溫度裂縫。由于充填材料以水泥為主，在加水?dāng)嚢柽^(guò)程中將產(chǎn)生大量水化熱，導(dǎo)致充填漿料溫度升高，而漿料本身導(dǎo)熱性能較差，墻體內(nèi)部水化熱難以散發(fā)。墻體內(nèi)部熱量是通過(guò)表面向外散發(fā)，充填墻體內(nèi)部的溫度總是高于外部溫度，根據(jù)熱脹冷縮原理，墻體中心部分的膨脹速度相比表面較快，中心部分與表面質(zhì)點(diǎn)間形成相互約束，中心屬于約束膨脹，不會(huì)開(kāi)裂；表面屬于約束收縮，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過(guò)充填墻體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻體表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

1.2 充填墻體溫度裂縫的影響因素分析

充填墻體溫度裂縫的影響因素很多，因素間的相互作用也比較復(fù)雜，其中主要的因素有水泥型號(hào)及含量、骨料成分及粒徑、添加劑種類(lèi)及用量等內(nèi)部因素和立模尺寸、井下環(huán)境、施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)措施等外部因素。

對(duì)于內(nèi)部因素，水泥的強(qiáng)度等級(jí)和用量直接決定了水化熱的生成量及峰值溫度，因此，充填材料中可加入一定量的摻合料，達(dá)到水化熱的峰值溫度，并且延緩水化熱的生成速度的目的。實(shí)驗(yàn)表明，粉煤灰控制膠凝材料水化熱的效果比礦粉更為顯著，而復(fù)合膨脹摻合料可有效降低水化熱的生產(chǎn)速率，并降低峰值溫度。

對(duì)于外部因素，為了與工作面的快速推進(jìn)相匹配，充填墻體立模尺寸一般較大，并且充填過(guò)程中一次成型，而井下環(huán)境相對(duì)密閉，巷道內(nèi)溫度很高，在工作面后方溫度達(dá)到35℃，不利于墻體表明散熱，充填材料短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的大量水化熱無(wú)處釋放，墻體內(nèi)部溫升很高。以淮南朱集東礦為例，在靠近充填墻體表面時(shí)有明顯的炙熱感，墻體成型時(shí)期內(nèi)部溫度可達(dá)到65℃以上?，F(xiàn)有的充填工藝缺少對(duì)充填墻體采取相應(yīng)的降溫措施，僅墻體成型后在其表面噴灑1～2次水，不僅不能起到良好的降溫效果，還會(huì)加劇墻體內(nèi)外溫差。

2 充填墻體溫升預(yù)測(cè)

2.1 水泥水化熱

水泥水化熱是影響充填墻體溫度應(yīng)力的一個(gè)重要因素，由于充填墻體要求具有一定的早強(qiáng)性，其水泥用量較多，因而水化熱生發(fā)速度快、生發(fā)量大，在短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到最高溫升。

2.2 絕熱溫升

與外界隔熱條件下，水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為充填墻體自身的熱能，墻體的溫度升高值即為絕熱溫升。考慮到工程應(yīng)用中，充填材料在攪拌、泵送過(guò)程中的熱量損失對(duì)墻體裂縫的產(chǎn)生影響不大，故僅需探討充填墻體澆筑完成后的絕熱溫升。結(jié)合大體積混凝土絕熱溫升計(jì)算方法，推導(dǎo)出澆筑完成后充填墻體在某一時(shí)刻絕熱溫度的計(jì)算公式為：

T（t）=T0+？琢WQ（t）/cV

其中，？琢-充填材料中水泥的含量，常數(shù)；W-充填材料用量，kg； V-澆筑完成時(shí)充填墻體體積，m3；c-充填混合料的比熱，kJ/（kg·℃），實(shí)測(cè)。T0-充填完成時(shí)墻體的溫度，實(shí)測(cè)。

3 充填墻體溫度裂縫的控制方法

3.1 降低水泥水化熱生成量

地面大體積混凝土工程中，往往通過(guò)選擇強(qiáng)度等級(jí)低的混凝土，利用后期強(qiáng)度達(dá)到降低水泥水化熱生成量的目的。然而，井下充填墻體要求材料必須具有早強(qiáng)性，因此只能從材料的選擇以及優(yōu)化配比方面入手。

在材料選擇方面，盡量使用發(fā)熱量較低的水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等，并加入適量的粉煤灰，保證強(qiáng)度的前提下降低水泥用量；細(xì)骨料應(yīng)選擇品質(zhì)優(yōu)良的中砂，粗骨料的級(jí)配必須合理，減小空隙率，盡量選擇粒徑較大的中粗砂。此外，減水劑、速凝劑等添加劑的量要通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量掌握，設(shè)計(jì)合理的水灰比。

3.2 提高墻體內(nèi)部散熱速度

可以在墻體內(nèi)預(yù)埋金屬水管，通過(guò)水吸熱的作用加快墻體內(nèi)部散熱速度，如圖1所示。金屬水管設(shè)計(jì)為多聯(lián)通，以防止某處堵塞造成管路無(wú)法工作；其中間稍密，目的是加快墻體中心的散熱速度。由于井下環(huán)境高溫、潮濕、多塵，因此金屬管應(yīng)使用耐腐蝕的鍍鋅鋼材料制作。根據(jù)充填墻體尺寸，在立模時(shí)將2～3層金屬水管置于模板內(nèi)部，待墻體澆筑完成后即可工作。工作時(shí)，通過(guò)水泵將水池中的水壓入金屬管路，冷水經(jīng)過(guò)墻體后直接排放到采空區(qū)，以降低墻體采空區(qū)側(cè)表面的溫度。

圖1 預(yù)埋金屬管降溫技術(shù)原理圖

3.3 控制墻體內(nèi)部與表面溫差

溫度應(yīng)力的產(chǎn)生是由于墻體內(nèi)部與表面溫差過(guò)大所導(dǎo)致的，大體積混凝土澆筑后表面與內(nèi)部溫差不宜超過(guò)20℃。因此，可以在墻體表面包裹保溫材料，降低墻體與外界環(huán)境熱交換的速率，從而控制充填墻體內(nèi)部與表面的溫差。保溫材料一般成本較低，并且可以重復(fù)利用，因此在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

3.4 強(qiáng)化充填墻體的抗拉性能

溫度應(yīng)力實(shí)質(zhì)上是墻體內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，當(dāng)其大于墻體的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致墻體產(chǎn)生裂縫、片落等破壞。在墻體內(nèi)預(yù)置三維加強(qiáng)筋，強(qiáng)化墻體的抗拉性能及承載性能，抵消由于溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可以有效解決溫度應(yīng)力導(dǎo)致的墻體早期破壞。

上述方法可聯(lián)合使用，但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，采取其中1～2種即可。需要注意的是，保溫養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)加以控制，不得少于15天，保溫材料的拆除應(yīng)分層逐步進(jìn)行。在保溫養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)注意保持墻體表面的濕潤(rùn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理：充填材料加水?dāng)嚢柽^(guò)程中產(chǎn)生大量的水泥水化熱，澆筑完成后，墻體內(nèi)部高溫難以散失，與表面溫差過(guò)大，在熱脹冷縮作用下，中心屬于約束膨脹，不會(huì)開(kāi)裂；表面屬于約束收縮，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過(guò)充填墻體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻體表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫、片落等破壞。（2）從降低水泥水化熱生成量、提高墻體內(nèi)部散熱速度、控制墻體內(nèi)部與表面溫差以及強(qiáng)化墻體承載性能四個(gè)方面入手提出了解決溫度裂縫的方法，包括材料的選擇以及優(yōu)化配比、預(yù)埋金屬冷卻水管路、分次澆筑充填墻體、覆蓋保溫層、內(nèi)置三維加強(qiáng)筋等。

參考文獻(xiàn)

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