高溫養護混凝土及襯砌結構力學特征研究現狀與分析

甘彬霖, 馮旭海, 宋朝陽, 王恒, 趙玉明

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院, 北京 100013; 2.同濟大學上海自主智能無人系統科學中心, 上海 200092;3.礦山深井建設技術國家工程研究中心, 北京 100013; 4.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 徐州 221116)

深部礦產資源開采和深地空間開發是滿足人類可持續發展的有效途徑和社會發展的必然趨勢[1-2]。當前,能源與戰略性礦產資源開發正從淺部向深部全面推進,國內礦井最大井深已達1 551.8 m(紗嶺金礦),正在施工的立井設計井深超過2 000 m(三山島金礦),未來主要礦產采深將達到3 000～5 000 m[3-4];截至2020年底,中國已投入運營的特長鐵路隧道共209座(總長2 811 km),在建特長鐵路隧道116座(總長1 675 km),規劃特長鐵路隧道338座(總長5 054 km)[5]。但隨著深部礦井和深長隧道工程持續建設,深地結構通常面臨著“高地應力、高地溫、高孔隙水壓和強烈工程擾動”的復雜多場耦合荷載環境,其中高地溫環境對深地工程的制約問題尤為突出[6-10]。

根據《鐵路隧道工程施工技術指南》(TZ 204—2008)[11]相關規定,地溫超過28 ℃的地質條件為高地溫條件;對于現澆混凝土,養護溫度大于35 ℃通常可認為是高溫養護條件[12],但高溫養護影響等級尚無明確劃分。對于淺部礦井和短距離隧道,可通過通風、制冷等措施降低工作面溫度。但深部地層熱源持續不斷得到補充,降溫措施對地下空間的降溫效果有限且費用昂貴,一般只針對工作面或施工人員,工程結構仍將長期暴露在高地溫環境中。隨著《“十四五”規劃和2035遠景目標綱要》提出進一步實施交通強國戰略和能源資源安全戰略,深長隧道、深部礦井與地熱開采項目持續推進,高地溫養護環境下混凝土性能發展規律和結構承載影響問題亟待研究。

針對高溫養護環境對深地工程混凝土性能的影響,現對國內外高地溫礦井和深長隧道結構典型案例進行概述,對高溫養護條件下混凝土水化動力過程和力學性能演化機制及其改善方法進行綜述,總結高地溫環境對襯砌結構性能的影響規律,分析既有研究中存在的問題和未來研究方向,為高地溫環境深地結構混凝土材料的研究和應用提供參考。

1 深地工程結構高地溫熱害情況

深地結構處于深部多場多相耦合復雜地質體中,具有埋深大、環境效應復雜等特點。其中,地溫一般以30～50 ℃/km的梯度逐漸增加,局部導熱率高地區地溫梯度高達200 ℃/km,300 m以深的深地工程地溫通常超過28 ℃,即達到高地溫條件。1 000～3 000 m深度的礦井地溫一般為40～80 ℃[3,13-14],國內外部分高地溫礦井統計情況如表1所示。

表1 國內外部分高地溫礦井統計情況Table 1 Statistics of some typical mines with high ground temperature

高地溫問題在深長隧洞中同樣普遍存在,如大瑞鐵路高黎貢山隧洞場區地溫在25～108 ℃;川藏鐵路共15個隧洞存在高地溫熱害,約占全線隧洞總數的7.6%,高地溫區間在28.7～86.0 ℃[7,26]。目前,深度超過400 m的深長隧洞地溫一般在40～90 ℃,如表2所示。

表2 國內外部分高地溫隧洞統計情況[27-29]Table 2 Statistics of some typical tunnels with high ground temperature[27-29]

2 高溫養護對混凝土性能的影響

2.1 高溫養護對水化動力過程的影響

混凝土性能與膠凝材料的水化過程密切相關。水泥主要包括硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)4種熟料礦物,熟料礦物與水發生水解或者水化作用統稱為水化,通過水化作用生成的產物稱為水化產物。通過分析不同物理、化學條件下膠凝材料水化反應機理和反應速率的表征,研究不同物理、化學因素對水化反應速率和水化過程的影響,有助于理解膠凝材料復雜的反應過程,預測不同齡期的膠凝材料水化程度和水泥基材料性能[30]。

根據Arrhenius公式[式(1)],膠凝材料的水化速率與溫度和活化能有關,其中水化反應速率常數與溫度呈正相關指數函數關系,反應活化能E是一個與溫度相關的常數。張增起[30]通過等溫量熱、化學結合水量和熱重分析測試表明活化能隨養護溫度升高而升高,水化產物成核速率常數、生長速率常數、擴散速率常數和水化產物的臨界長度等動力學參數均隨養護溫度提高而增大。

(1)

式(1)中:kT1和kT2分別為溫度T1和T2時對應的反應速率常數;E為活化能;R為摩爾氣體常數。

高溫養護時膠凝材料早期水化速率的提高促進了水化放熱速率過程,張增起[30]和任旭等[31]通過等溫量熱法發現高溫環境使得復合膠凝材料水化放熱峰值提高,放熱峰值出現時間提前,累計放熱量和體系水化放熱量增加。任旭等[31]基于Krstulovic-Dabic水化動力學模型對膠凝材料總放熱量、水化時間和反應速率常數等動力學參數進行計算分析,發現高溫養護下水化動力過程控制階段由結晶成核與晶體生長、相邊界反應和擴散的3個階段變為結晶成核與晶體生長和擴散2個階段。

高溫環境提高水化反應速率,使得液相中pH迅速提高,同時破壞了粉煤灰和礦渣粉的玻璃體結構。在高堿性和高溫耦合作用下,粉煤灰和礦渣粉的活性和膠凝性顯著提高,參與水化反應的時間提前,增加了膠凝材料活化分子百分數。李響等[32]通過鹽酸選擇溶解法對65 ℃養護的粉煤灰復合膠凝材料漿體中的粉煤灰反應程度測試,發現高溫養護1 d的粉煤灰反應程度超過標準養護28 d的粉煤灰反應程度。

基于Arrhenius公式和材料活化能,水化度被定義為已消耗的膠凝材料與膠凝材料總量的比值,一般通過化學結合水法、化學收縮法、CH[Ca(OH)2]定量法、等溫量熱法和選擇性溶解法、圖像處理法、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)全譜擬合定量法進行表征或測定[30]。標準養護狀態下,Mills[33]通過大量實驗提出了水泥最終水化度的計算模型;Schindler等[34]在Mills所提出的水泥最終水化度模型的基礎上,提出了考慮粉煤灰和礦渣摻量影響的復合膠凝材料最終水化度修正模型;Giovanni等[35]考慮SiO2的有效含量,提出了硅粉復合膠凝材料最終水化度計算模型。

膠凝材料最終水化度在0～1,不同條件下同種混凝土水化度相同時其物理力學性能基本相同[36-37]。但通過物理力學參數和水化度反演分析高溫養護條件和標準養護條件膠凝材料最終水化度時,發現最終水化度反演結果大于最終水化度模型計算結果,即膠凝材料高溫養護的實際水化度大于理論最終水化度。李響等[32]通過化學結合水法和鹽酸選擇溶解法表明高溫養護提高了膠凝材料的活性和活化分子百分比,從而提高了膠凝材料最終水化度;郭舒等[38]基于Avrami水化動力過程對CaO膨脹熟料的水化程度進行分析,發現水化程度隨溫度升高而增大。高溫環境養護下,膠凝材料活性的提高加快了水化反應速率,活化分子百分比的增加提高了膠凝材料的最終水化度。

但部分學者認為高溫養護時快速水化生成的水化硅酸鈣[Ca5Si6O16(OH)·4H2O,CSH]層會包裹封閉未水化的膠凝材料,會導致最終水化度降低[39]。此外,Gallucci等[40]對20、40、60 ℃養護水泥漿體的水化度進行分析,發現1年后不同溫度養護水泥漿體的水化度基本相等,認為長齡期狀態下最終水化度不受養護溫度影響。

2.2 高溫養護對混凝土力學性能的影響

高溫養護時,混凝土快速溫升和失水會導致膠凝材料微觀結構劣化和水化進程停滯,同時水化產物在快速的物理化學收縮作用下,混凝土力學性能將受到影響[41-43]。李響等[32]對比65 ℃養護條件與標準養護條件的粉煤灰膠凝材料水化后的微觀形貌,發現高溫養護3 d時粉煤灰表面絮狀和相互搭接的凝膠含量明顯增多,漿體結構相對密實,但高溫養護3 d與90 d的漿體形貌相差不大,認為高溫養護對水化反應的促進主要體現在早齡期。早齡期快速生成的水化產物未能充分遷移而包裹在膠凝材料表面,阻滯了水化反應的發生,形成的無序多孔結構會對力學性能產生損傷影響[43]。程磊[44]和何廷樹等[45]通過對比不同高溫下養護漿體的微觀結構,發現養護溫度越高漿體結構越疏松,水化產物整體分布越不均勻。Wang等[41]在80 ℃高溫養護水泥基漿體微觀結構中發現明顯的微裂縫。因此,高溫養護混凝土后期強度下降主要是因為早齡期快速水化形成的高孔隙率和不均勻的水化產物分布以及微觀結構損傷[39]。

此外,譚克鋒等[46]對比了不同水膠比和強度等級混凝土高溫養護后的抗壓強度和微觀結構,發現低水膠比或高強混凝土水化前水泥顆粒堆積狀態比較緊密,水泥顆粒間的間距較短,少量水化產物即可填充顆粒間的孔隙,高溫養護下水化產物不均勻分布的程度降低,使得混凝土后期強度下降較小。王艷等[47]對比不同濕度條件下80 ℃高溫養護對混凝土抗壓強度的影響,發現隨著環境濕度增加,不同混凝土在各個齡期的抗壓強度均有提高。馬昆林等[43]通過試驗證明,60 ℃高溫低濕條件下養護初期的短期覆膜養護強度明顯大于直接高溫低濕養護,粉煤灰摻量為25%時高溫低濕下早期覆膜1 d砂漿的28 d抗壓和抗折強度均大于標準養護。范利丹等[48]保持相對濕度為95%時,發現在25～40 ℃養護溫度下,噴射混凝土抗壓強度隨養護溫度升高而增大,而60 ℃養護條件下混凝土早期和后期強度均降低。唐興華[29]研究了相對濕度為25%、55%、95%和溫度為40、60、80 ℃耦合條件下C25混凝土力學性能,表明增加濕度對高溫養護混凝土力學性能具有積極作用,并建立了考慮溫濕度耦合效應的高溫養護C25混凝土抗壓強度、抗拉強度和彈性模型的回歸模型。

2.3 高溫養護混凝土力學性能改善研究

高溫養護混凝土力學性能優化研究主要集中于礦物摻合料和纖維材料的摻加作用。粉煤灰、礦渣粉和硅灰等礦物摻合料對混凝土的作用原理通常用“粉煤灰”假說進行解釋[49],即通過“形態效應”“活性效應”和“微集料效應”減少用水量、促進水化產物發生二次水化,改善微觀結構而提高混凝土的力學和耐久性能。

高溫養護環境易于激發了礦物摻合料的活性,使得礦物摻合料參與反應的時間提前,反應速率明顯提高。Escalante-Garca等[50]研究表明,在一定溫度和摻量條件下,摻加粉煤灰可以改善高溫養護對混凝土強度的負面影響,但也可能出現負面作用。Sajedi[51]的研究表明60 ℃養護時礦渣漿體抗壓強度大于標準養護和水養護。譚克鋒等[46]對比了硅灰、粉煤灰和礦渣粉對混凝土65 ℃高溫養護抗壓強度負效應的改善作用,發現對混凝土后期強度的降低緩解作用顯著程度依次為硅灰、粉煤灰和礦渣粉。何廷樹等[45]在50%相對濕度條件下對混凝土分別進行50、60、80 ℃高溫養護24 h,發現溫度低于50 ℃時,礦渣-粉煤灰雙摻混凝土的強度比單摻粉煤灰混凝土更高,當溫度超過60 ℃時,單摻粉煤灰比礦渣粉煤灰雙摻更能提高混凝土強度。王艷等[47]試驗表明,高溫環境下礦渣粉混凝土強度對濕度的敏感性大于粉煤灰混凝土,粉煤灰對50 ℃高溫混凝土強度改善作用大于礦渣粉;80 ℃時礦渣粉混凝土的強度增幅隨濕度增大而增大。

在混凝土中摻加纖維材料可有效控制混凝土內部含水率、改善內部孔隙結構,提高混凝土密實性。目前纖維材料對高溫養護混凝土改性的研究主要集中于聚丙烯纖維、玻璃纖維、鋼纖維等,對熔點和拉伸強度要求較高。王瑞興等[52]的試驗表明聚丙烯纖維能有效抑制60 ℃高溫條件下混凝土微裂縫的產生與發展,但抗壓強度略有降低,而鋼纖維對高溫養護混凝土抗壓強度具有增強效應。馬昆林等[43]研究發現在適宜的養護制度下,摻加聚丙烯纖維可以改善高溫低濕環境下砂漿的力學性能。張巖等[53]分析了聚酯纖維、聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維在不同養護溫度下對混凝土抗折強度的影響,發現纖維的摻加改善了砂漿在高溫養護下的后期強度。不同種類纖維材料性能參數如表3所示。

3 高地溫環境對襯砌結構的影響

3.1 高地溫環境對襯砌結構的劣化影響

高地溫環境不僅制約深地工程結構的施工,加速材料性能劣化損傷,還會加劇襯砌結構荷載的復雜性和不確定性,降低支護結構的可靠性。

針對高地溫環境下噴射襯砌混凝土與圍巖的黏結性能,崔圣愛等[55]通過改進的鉆芯拉拔法對50 ℃高溫干濕養護下C25和C30噴射混凝土黏結強度進行試驗,發現干熱養護下噴射混凝土的黏結強度嚴重倒縮,甚至出現混凝土與巖石界面脫黏開裂現象,這主要與干熱環境下混凝土水分散失、收縮劇烈、水化產物分布不均以及水化中止等原因有關。宿輝等[56]結合噴射混凝土鉆心拉拔試驗和ANSYS數值模擬,發現在50、60、77、90 ℃的高地溫養護條件下,噴射混凝土與巖板接觸面的黏結強度隨養護溫度升高而降低。此外,范利丹等[48]通過高濕度(相對濕度≥95%)養護條件下的噴射混凝土黏接強度試驗表明,在25～40 ℃溫度區間內,混凝土黏結強度隨養護溫度升高而增大;但60 ℃養護條件下的黏結強度相對減小,且隨著養護齡期先增大后減小。

對于高地溫襯砌結構的受力狀況,目前主要通過理論解析計算、數值模擬和現場監測的方法進行研究。劉乃飛等[57]針對布侖口—公格爾水電站引水隧洞支護結構的高地溫熱害影響,采用解析方法對隧洞圍巖和支護結構的溫度分布規律和受力特性進行分析。Li等[58]通過理論推導了襯砌結構溫度分布計算公式,研究了襯砌結構應力變化和熱力學參數對溫度分布的影響。邵珠山等[59-60]通過無量綱化和微分方程技術求解方法,得到了高地溫圓形隧洞的溫度場、位移場及應力場的熱彈性理論解;同時結合拉日鐵路吉沃希嘎高地溫隧道對設置隔熱層效果進行數值分析,發現隔熱層對徑向應力影響較小,但初襯結構軸向應力減小且環向應力增大,而二襯結構軸向應力和環向應力均減小。郭進偉等[61]通過熱-結構耦合方式對某高地溫引水隧洞進行數值計算,求出了溫度場影響下襯砌結構應力值以及溫度-內水壓力耦合影響下的結構應力值。Liang等[62]根據圍巖和襯砌結構熱力參數的變化規律,通過數值模擬方法分析了圍巖和襯砌結構的溫度場和應力場分布特征。Hu等[8]通過數值模擬對桑珠嶺高地溫隧道工程襯砌結構進行分析,表明初襯結構軸力和彎矩隨地溫升高而增大,地溫為60 ℃時支護結構可能發生受拉破壞,地溫為80 ℃時支護結構可能發生受壓破壞,其中拱肩和拱腳處失效破壞概率較大。王明年等[63]現場監測分析了高巖溫隧道初襯溫度場和應力場在施工期間的變化規律和安全性,發現初支的最大拉應力和最大壓應力均隨著巖溫的增大而增大。唐興華等[29,64]通過建立高地溫隧道支護結構熱-應力耦合數值模型,結合拉日鐵路吉沃希嘎高地溫隧道和川藏鐵路桑珠嶺高地溫隧道現場測試,對不同高地溫支護結構安全性和支護體系等級進行劃分。

3.2 高地溫環境下襯砌結構性能優化研究

針對高地溫環境襯砌結構的性能優化,王玉鎖等[65]通過室內模型試驗和數值模擬,分析了不同高地溫條件下隔熱層對隧道支護體系受力特征及安全性的影響,發現設置隔熱層對支護結構內力分布特征、初支和混凝土模筑支護結構內力影響較小,但改善了二襯結構受力,并提高了二襯的最小安全系數。唐興華[29]通過圍巖-隔熱層-支護結構數值模型對不同隔熱材料和支護體系的隔熱效果進行對比,認為硬質聚氨酯材料隔熱材料最佳,隔熱層厚度不宜超過10 cm,“初襯+隔熱層+二襯”的隔熱支護體系最優。李書杰[66]通過ANSYS的溫度場和應力場耦合對娘涌水電站高地溫隧洞襯砌結構的應力和位移進行分析,認為增加襯砌厚度可以減小襯砌結構在高地溫條件下的應力變形,但減小幅度有限。Liu等[67]也通過數值模擬方法分析了隔熱層對襯砌結構力學性能的改善效果,發現隔熱層的改善效果與其厚度呈非線性關系。

4 存在問題與重要研究方向分析

4.1 高溫養護水化動力過程的模糊性

水化動力過程是理解高溫養護水化機理和分析混凝土性能演化特征的基礎,既有水化動力模型一般基于標準養護狀態的水化反應研究。高溫養護狀態下分子熱運動加快,材料活性和水化動力參數改變,將會引起水泥水化動力過程的改變。此外,礦物摻合料會使水化反應的同時發生“火山灰反應”,水化產物發生多個“鏈式反應”,分子結構鏈式加長,水化反應機制更為復雜。應通過等溫量熱、化學結合水量、熱重分析和數值模擬等方法對不同高溫養護條件多元膠凝材料水化反應機制和水化反應動力過程深入研究,建立考慮溫度-濕度影響的多元復合膠凝材料水化動力模型,確定水化動力模型參數與材料配合比和養護溫度、濕度之間的關系,為不同溫度條件下多元復合膠凝材料水化動力過程研究和性能影響機理分析提供理論依據。

4.2 溫-濕度條件耦合影響的非線性

在高溫養護過程中,混凝土性能演化受溫度和濕度的影響顯著。對同種混凝土,不同溫度-濕度耦合養護環境下混凝土性能的差異較大。既有研究表明,高溫低濕環境對混凝土性能具有負效應,但高溫高濕環境可能表現為正效應。養護濕度對混凝土性能的影響呈現較明顯線性關系,但養護溫度的影響為非線性關系,養護溫度影響閾值尚不明確,溫度和濕度雙變量耦合條件下混凝土物理及力學性能的變化規律更為復雜。應針對不同強度等級混凝土,通過正交試驗和數值模擬等方法分析不同溫度-濕度耦合養護條件下混凝土物理力學指標及其隨齡期的變化規律,采用廣義線性回歸、機器學習、神經網絡等方法建立物理力學指標與養護條件和齡期之間的關系模型,為高溫養護條件下混凝土材料的應用研究提供參考。

4.3 工程作用領域和性能指標單一性

高地溫環境廣泛存在于深部礦井、深埋長距離隧道和地熱能豐富地區的深地工程結構中,現澆或噴射混凝土在水化初期即面臨高溫條件和荷載環境。既有高溫養護混凝土的研究主要針對深長隧道襯砌混凝土,混凝土強度等級較低,而深部礦井等高強高性能混凝土結構在高溫養護環境下性能影響研究相對較少。高強混凝土和普通混凝土的水膠比和密實性差異較大,對高溫養護環境的響應不同。深地工程高地溫環境養護條件困難,且面臨應力場-水力場-溫度場等多場耦合復雜荷載條件,其高溫養護環境下高強混凝土性能演化規律及優化改性問題亟待研究。同時,對高溫養護混凝土物理熱工和耐久性能的定量化、系統化研究較少,不利于混凝土在高溫養護及長期高地溫環境下工作的工程設計及應用。

5 結論

高地溫環境是深部礦井和深長隧道等特殊深地工程混凝土結構面臨的嚴峻問題,深度為1 000～3 000 m的深部礦井高地溫一般為40～ 80 ℃,400 m以深的深長隧洞高地溫一般為40～90 ℃。

在高溫養護環境下,膠凝材料活性和水化動力過程發生顯著變化,力學性能隨齡期的變化規律與普通混凝土差異較大,對襯砌混凝土黏結性能、溫度應力、承載能力和破壞狀態均產生明顯影響。摻加適量的粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料和聚丙烯纖維等纖維材料會改善高溫養護混凝土的損傷影響,但改善效果與溫度區間、濕度條件和摻量密切相關。

當前,高溫養護混凝土水化反應機制不明確、溫-濕條件耦合影響的非線性、工程研究領域和性能指標的單一性是高溫養護混凝土性能演化表征及優化改性研究存在的主要問題。應加強高溫養護條件下混凝土水化動力學模型的研究,建立溫-濕度耦合養護條件下混凝土性能預測模型,拓展高溫養護混凝土應用領域和強度等級的研究,更全面、系統化地研究混凝土的物理力學和耐久性能,為高地溫環境條件深地工程混凝土結構的設計和施工提供指導。