高地熱對隧道噴射混凝土力學性能、孔結構和水化產物的影響綜述

元強 彭茂慶 李岳林 張蘇輝 姚灝

1.中南大學土木工程學院，長沙410075；2.中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室，長沙410075；3.魯汶大學土木工程系，比利時西佛蘭德布魯日8200

隨著我國大量的鐵路、公路、水電工程、跨流域引水工程等基礎設施逐漸向地形、地質復雜的地區延伸，深埋隧道或隧洞成為必不可少的結構類型。針對地質條件復雜的山嶺鐵路、公路，修建隧道可以有效地縮短線路里程，提高運輸效率，具有不可替代的優勢。地殼恒溫層以下埋深每下降1 km，溫度大約升高3℃。當隧道或隧洞埋深過大，工人施工作業時硐室環境溫度超過28℃，影響其施工、健康和安全，這類隧道或隧洞稱為高地熱隧道或隧洞［1-2］。高地熱主要是指高巖溫和高水溫，由地層巖性、地質構造、巖漿、地下水活動等引起。高巖溫隧道或隧洞濕度較低，稱為干熱型隧道或隧洞，一般出現在地質構造良好處，地質層的內熱通過巖石傳遞到隧道表面，使隧道內部表面圍巖壁溫度較高［3-5］。例如，新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞巖壁溫度最高達100℃［6］。高水溫隧道或隧洞稱為濕熱型隧道或隧洞，通常出現在斷裂破碎、斷裂轉折復合及巖石破碎地段，裂隙發育程度高，地下熱水容易富集，形成溫泉［3-5］。例如，在高黎貢山隧道，地下水溫最高達102℃；連接阿根廷和智利的一條穿過安第斯山脈的公路隧道，水溫有70℃［7］。世界上已經修建成功的部分高地熱隧道見表1［3］。

表1 高地熱隧道或隧洞案例

隧道開挖后，為控制圍巖應力釋放和變形，提高結構安全性，方便施工，須使用噴射混凝土。然而，高地熱環境影響噴射混凝土的力學性能、水化產物、微觀結構，嚴重影響隧道襯砌結構安全，本文對此予以系統地總結分析。

1 噴射混凝土及高地熱的影響

噴射混凝土是用于礦山開挖、巷道支護及邊坡加固的一種特殊混凝土，能對粗糙圍巖表面或結構修補面產生良好的附著力，在速凝劑作用下快速硬化并與曲面圍巖形成薄壁或不規則的一體化結構，控制圍巖松弛變形［8］。噴射混凝土不是材料獨特的混凝土，而是原材料與普通混凝土基本一致，施工方式特殊的一種混凝土，須借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的拌和料，通過管道輸送并高速噴射到作業面上［9］。噴射混凝土具有彈性好、使用方便、無須鋪設模板等特點，有助于抵抗不良地質條件下的變形或塌方，防止圍巖氧化劣化，增強隧道襯砌結構的支護能力，顯著提高隧道的穩定性，作為主要的支護方法已廣泛應用于深埋隧道和引水發電隧洞。

施工過程中隧道內的地熱會對工程造成高溫破壞，嚴重影響施工安全和工程質量。隧道建設過程中高地熱環境的不利影響可概括為以下三個方面［10-13］：

1）高地熱環境對施工的影響。高地熱環境導致工人的工作效率降低；還導致機械設備工作環境惡化，降低其使用效率，增加故障率和施工難度，而且可能延誤施工進度，甚至導致超出項目預算。

2）高地熱環境對支護結構的影響。隧道巖壁溫度高，開挖后巖壁和硐室之間溫差較大，混凝土內部溫度場梯度分布導致溫度應力，極易造成混凝土的開裂，同時高地熱環境也影響噴混凝土與隧道巖壁的黏結性能，導致隧道支護結構失穩。

3）高地熱環境對材料的影響。高地熱環境引起噴射混凝土的早期水化反應速率提高，水化產物分布不均勻，導致噴射混凝土有害孔隙率增加，孔徑增大，內部密實性降低，影響噴射混凝土的后期強度和耐久性。同時，水化產物的組成、形貌和數量也發生較大改變。

2 高地熱對隧道噴射混凝土強度的影響

Gidion等［14］對不同養護溫度下混凝土強度發展特性的研究表明，隨著養護溫度升高混凝土早期強度會逐漸提高，但隨著齡期的增加混凝土強度呈下降趨勢。李向輝等［15］研究得出，高溫會加快混凝土內部的水化反應，也能在短期內提高混凝土的早期強度。Wang等［16］研究不同養護溫度和濕度下混凝土強度發展特性發現，對比40℃和60℃，在相同濕度時80℃養護條件下試件的28 d抗壓強度最低。Lee等［17］研究了不同水溫對噴射混凝土的抗壓強度的影響，發現在相同的齡期時40℃水溫比30℃水溫養護的噴射混凝土抗壓強度高，且28 d后抗壓強度相差更大。

干熱環境下，噴射混凝土有明顯的收縮現象，影響其強度，但是噴射混凝土的早期（1 d）抗壓強度和劈裂抗拉強度均顯著提高。高溫可以促進水泥的水化，生產大量水化產物填充孔隙。此外，早期混凝土中的水分沒有因為高溫大量蒸發，足以滿足水泥水化的需求，從而提高混凝土的早期強度。然而，隨著養護齡期的增加，混凝土內部孔隙率提高，并且混凝土內部水分丟失引起干燥收縮產生微裂縫，影響水泥的水化，導致混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著溫度升高呈下降趨勢［3，18-20］，見圖1［3］。可知，抗壓強度從20℃的11.74 MPa到40℃的17.00 MPa，提高了45%，劈裂抗拉強度比20℃提高了17%；28 d時，20℃噴射混凝土的抗壓強度相比100℃，從26.20 MPa降低至11.30 MPa，降低了約57%，劈裂抗拉強度比100℃降低了58%。

圖1 噴射混凝土強度與養護溫度的關系

水對混凝土性能的發展是至關重要的。水與水泥反應生成的水化產物通常溶解在水中并向固體顆粒運動，沉淀在固體顆粒表面，在這個過程中水不僅是反應物之一，還是運輸水化產物的一種媒介。在混凝土內部的水會形成一個相互連接的多孔網絡，有彎月面形成，水被消耗時導致沒能填滿網絡，從而產生整體微觀結構的非致密性和不均勻性，嚴重影響混凝土的力學性能和耐久性能［16，21-22］。

不同養護溫度下混凝土的抗壓強度見圖2［23］。可知：①20℃和40℃養護溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強度沒有顯著的差異，但60℃養護溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強度差異顯著，特別是28 d齡期時噴射混凝土的抗壓強度僅為普通混凝土的78.5%；②在濕熱環境下噴射混凝土早期（1 d）抗壓強度顯著提高，40℃時噴射混凝土的抗壓強度比20℃時提高了51%。但是，噴射混凝土在后期表現出很高的強度損失，抗壓強度從20℃的26.0 MPa降低到60℃的16.2 MPa，降低了約38%。這是由于濕熱的地質環境容易導致混凝土膨脹開裂，并且地熱水沿著裂縫擴散，會造成更深的破壞，降低襯砌結構與巖石之間的黏結力。

圖2 不同養護溫度下混凝土的抗壓強度

高地熱環境對噴射混凝土強度的影響機理主要表現在以下幾個方面［3，24］：

1）隨著齡期的增加，混凝土中的水分不斷蒸發，由于后期失水，水泥水化不足甚至停止。

2）混凝土的內部溫度梯度和嚴重失水將導致較大的溫度應力和收縮變形，在混凝土內部易形成微裂紋引起混凝土微觀結構惡化。

3）高溫使水化速度加快，水化產物沉積在水泥顆粒表面形成致密的保護殼，阻礙外部水分子進入與水泥顆粒反應。

4）過高的溫度引起水化產物熱運動加劇、沉淀速率加快，使得大部分水化產物容易沉積在較大顆粒附近，導致水化產物高度集中。

3 高地熱對隧道噴射混凝土孔結構的影響

通常，采用壓汞法表征水泥基材料孔結構形態的參數通常有比表面積、孔徑分布、孔隙率、平均孔徑、最可幾孔徑、臨界孔徑等。根據孔直徑d的大小，常把孔分成4種形式。通常有2種分法：

1）無害孔（d＜20 nm）；少害孔（20 nm≤d＜50 nm）；有害孔（50 nm≤d≤200 nm）；有損害孔（d＞200 nm）。

2）凝膠孔（d＜10 nm）；過渡孔（10 nm≤d＜100 nm）；毛細孔（100 nm≤d≤1 000 nm）；大孔（d＞1 000 nm）。

噴射混凝土內部孔隙結構會受到溫度的影響，這種影響與溫度成正比，溫度越高，對噴射混凝土內部孔隙影響越大，而噴射混凝土的內部孔隙分布則直接影響噴射混凝土的性能。Fan等［23］研究表明：20℃養護的噴射混凝土中有一定數量的孔是無害孔，40℃和60℃養護的噴射混凝土中有害孔較少；在60℃以上養護溫度下噴射混凝土強度的發展低于標準養護溫度下的強度發展主要歸因于早期形成的內部微孔結構。Pichler等［25］發現溫度從15℃升高到70℃，混凝土伴隨著從凝膠孔到毛細孔的變化。Zhang等［26］研究了砂漿的孔結構，發現50℃養護硬化漿體的早期總孔隙率低，直徑50～100 nm孔的數量少，初期50℃養護環境可以降低硬化漿體的孔隙率，改善其孔結構。

28 d齡期時不同孔的孔隙率隨溫度的變化曲線見圖3。可知：①隨著溫度的升高，普通漿體的總孔隙率呈下降趨勢，噴射混凝土的總孔隙率呈上升趨勢。這可能是由于添加速凝劑后噴射混凝土漿體變黏稠，影響噴射混凝土試件的成型，導致大孔數量的增加。②普通混凝土和噴射混凝土的毛細孔隙率、凝膠孔隙率變化趨勢相同，毛細孔隙率隨著溫度升高而增大，凝膠孔隙率則降低。

圖3 28 d齡期孔隙率隨溫度的變化曲線

溫度過高，初始較快的水化速率導致水化產物分布不均，由于水化產物沒有足夠的時間和空間從水泥顆粒中分離并均勻地沉淀到孔隙中，水化產物高度集中，使噴射混凝土毛細孔隙率增加，凝膠孔隙率減少。

4 高地熱對隧道噴射混凝土水化產物的影響

養護溫度不僅會引起噴射混凝土水化產物形貌的變化，還會影響其物相組成。Richardson［28］對比水泥凈漿20℃和80℃下獲得的水化硅酸鈣（C-S-H）顆粒大小，發現80℃養護的C-S-H顆粒的大小約為20℃下形成的顆粒大小的1/2。Wang等［29］研究在0～80℃養護條件下水泥水化過程中溫度對水化產物的影響，發現養護溫度對水化產物種類沒有影響，但會影響其水化產物的數量，20℃養護溫度下高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）數量最多，40℃養護條件下低硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）數量最多，而在80℃下，AFt和AFm數量顯著減少。Xu等［30］對0、10、20、40℃養護溫度下水泥漿體的水化產物微觀結構進行了相關試驗研究，發現溫度升高會導致AFt的物相轉變，其中，在40℃下的水泥石中發現了C2ASH8和Al（OH）3。

在普通硅酸鹽水泥漿體中，溫度較高時針棒狀的AFt明顯較小，40℃時長度小于等于1μm，但是在5℃水泥漿體的樣品中，長度為2～4μm的針棒狀AFt非常明顯，可能較低溫度下適宜AFt緩慢形成，促進形成較大晶體［31］，如圖4所示。

圖4 水化90 d漿體微觀結構形貌

噴射混凝土水化90 d的水化產物微觀形貌如圖5所示［32］。可知，在20℃養護下，AFt的形貌為徑向針狀，寬度為1.0～2.9μm。養護溫度大于60℃時，AFt的微觀形貌已經由徑向針狀轉變為細小均勻的針狀，60°C時寬度為0.305～0.561μm，70°C時寬度為0.151～0.390μm。隨著溫度的升高，噴射混凝土漿體和普通混凝土漿體中AFt的形貌都發生變化，AFt將隨著溫度的升高而變小。

圖5 噴射混凝土水化產物微觀形貌

混凝土漿體的X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）圖譜見圖6。X射線掃描角度2θ=8.8°～9.4°。可知：①在普通混凝土漿體中，養護溫度的升高會引起AFt的數量減少，20℃時AFt衍射峰強度很強，而70℃時衍射峰強度卻很弱，甚至消失［33］；②在噴射混凝土漿體中隨著溫度的升高，AFt并沒有消失，但是在70℃時噴射混凝土漿體中AFt衍射峰強度比20℃時AFt衍射峰強度弱。

圖6 XRD圖譜

AFt在高于60℃的環境下是不穩定的，而且部分AFt會轉化形成AFm。另一方面，AFt在其最大水化狀態或接近其最大水化狀態時含有32個H2O分子，這些分子是可以結晶的，可以被X射線捕獲。隨著溫度的升高，AFt中的H2O分子逐漸消失，當其含量降至每個單位分子式小于30個H2O分子時，結晶度逐漸減弱，在結晶度損失過程中，雖然晶胞參數變化不大（±0.1%），但在X射線反射測試中卻很難被發現［32-33］。

5 問題及建議

目前，關于高地熱環境對噴射混凝土性能影響規律的研究尚不多見，針對高地熱隧道噴射混凝土的研究主要集中于模擬地熱環境的溫度，通過對整個混凝土試件養護，研究溫度對噴射混凝土性能的影響。但是，這并沒有正確地揭示高地熱隧道對噴射混凝土影響的本質，其潛在影響機理可能是襯砌兩側溫度差異和溫度梯度，導致噴射混凝土內部水泥水化產物、微觀結構和物理力學性能的不均勻分布，引起混凝土的開裂以及性能劣化。

噴射混凝土與圍巖壁直接接觸，并未全部暴露于硐室環境內，只有噴射混凝土外壁與硐室接觸，且當隧道沒有貫通前，隧道內可以近似看作相對封閉的環境。因此，噴射混凝土的受熱情況主要是：在縱向上由圍巖壁作為高溫熱源，與溫度較低的混凝土間發生一維熱傳導。

6 結論

高地熱對噴射混凝土強度的影響主要表現在以下四個方面：①隨著齡期的增加，混凝土中的水分不斷蒸發。由于后期失水，水泥水化不足甚至停止；②混凝土的快速升溫和失水會引起較大的收縮和變形，混凝土微觀結構惡化，導致混凝土強度降低；③高溫使水化速度加快，水泥顆粒表面形成致密的C-S-H殼層，防止水進入，形成早期高溫養護條件，不利于后期強度的發展；④過高的溫度，引起水化產物熱運動加劇、沉淀速率加快，使得大部分水化產物容易沉積在較大顆粒附近，導致水化產物高度集中。

高地熱對噴射混凝土的孔隙結構有顯著的影響。溫度過高，水化產物高度集中，使噴射混凝土毛細孔隙率增加，凝膠孔隙率減少。AFt在高于60℃的環境下是不穩定的，而且部分AFt會轉化形成AFm，并且隨著養護溫度的升高，AFt逐步變小。