3D打印隧道襯砌-圍巖界面力學性能研究*

瞿 鋒

(上海申通地鐵集團有限公司, 200122, 上海)

0 引言

隧道作為土木基礎設施主要工程結構構筑形式之一,是完成道路、鐵路、地鐵等交通功能的重要載體,對現代城市的可持續發展和經濟繁榮同樣起著至關重要的作用[1-2]。然而,隧道的安全性、穩定性和持久性一直是工程師和研究人員關注的核心問題。在隧道工程中,襯砌結構是保障隧道安全和穩定的關鍵組成部分之一[3-4]。

襯砌結構不僅要能夠承受來自地下水[5]、地層壓力[6]和交通荷載[7]等多重外部作用力,還要在長期使用中保持結構的完整性和穩定性[8]。而襯砌與圍巖之間的粘結性能是影響隧道襯砌結構穩定性的關鍵因素之一[9]。隧道開挖后,襯砌結構與圍巖巖壁的大面積牢固粘附可以提高圍巖強度,是各種圍巖條件下保證隧道施工質量的有效手段之一[10]。因此,深入研究不同圍巖條件下襯砌與圍巖界面的粘結性能對提高隧道工程的質量和耐久性具有重要意義。

近年來,隨著隧道建設的新材料、新工藝、新工法、新技術、新理念、新結構等不斷涌現,3D打印技術作為一種新型建造技術,因其具有高度自適應性、定制化和可重復性等優勢,正在得到廣泛應用[11-13]。將3D打印混凝土應用于隧道工程的研究也逐漸增多,如文獻 [14-15]均開展了隧道襯砌結構3D打印施工建造技術的研究,為拓展隧道結構建造技術提供了一種新的思路和方法。

隧道施工過程中,3D打印混凝土與隧道圍巖的有效粘結,可以形成良好的粘結界面,共同承載外來荷載。而隧道圍巖與混凝土打印層的粘結性直接決定了兩者之間的協同工作性能,因此,如何測試兩者之間的粘結力以及確定影響兩者粘結強度的因素成為主要研究內容之一。

本文旨在通過研究隧道施工過程中,不同圍巖條件下的襯砌-圍巖界面粘結性能,探討如何改進隧道襯砌施工技術。在研究中,依據實際工程模擬了幾種不同粗糙界面條件的圍巖,對施工過程中圍巖與隧道3D打印襯砌結構界面的粘結性能進行了試驗研究,重點分析了界面粗糙度對施工質量的影響。同時,探討如何在圍巖表面添加涂層等提高施工質量的具體措施,以及其是否能夠為隧道工程的可持續發展和工程質量提高做出重要支撐。

1 試驗設計

1.1 圍巖粗糙度與濕度模擬

在實際工程中,圍巖與襯砌結構接觸面大多不是平直面光滑的,表面狀態往往是粗糙起伏的[16],有一定的粗糙程度,這與包括圍巖與混凝土之間的粘結性能在內的隧道3D打印襯砌結構的施工質量有很大關系。為此,試驗準備了以下4種混凝土基底表面(長300 mm,寬300 mm):

1) 拋光表面(R1)。使用拋光機以1 200、1 700、2 250、2 700、3 250、3 700 r/min的轉速對粗糙表面進行拋光。

2) 噴砂表面(R2)。使用壓力為0.7 MPa的噴砂機對表面進行沖擊,清除污垢和老化物,但清除程度有限。

3) 錘擊表面(R3)。使用氣錘(氣錘型號為29062)處理基底表面,敲擊頻率3 000次/min。

4) 表面噴水(R4)。使用130 MPa的高壓水射流,破壞和清除基底表面污垢。

同時,為量化粗糙度,對于每個混凝土基底的表面輪廓Z(基底表面點的剖面高度到平均剖面高度的距離,單位mm),由1臺激光掃描儀掃描[17-18],并采用表面輪廓的均方根偏差Rq(單位mm)來表征表面粗糙度[19]。

為了貼合施工現場的濕度條件,采用飽和表面-干燥表面,即將初始狀態的基質在水槽中浸泡24 h,然后晾干,直至達到飽和表面-干燥表面狀態(持續時間為10 min)。

1.2 3D打印襯砌與圍巖粘結力學試驗

隧道3D打印襯砌結構施工中,圍巖與3D打印混凝土間的一體化是保證打印的襯砌結構與不同粗糙界面的粘結性能的關鍵之一。這種粘結作用包括沿粘結面法線方向的抗拉作用以及沿粘結面切線方向的抗剪作用。試驗中,重點針對粘結面的抗拉強度開展研究。

粘性性能測試設備為一臺平行板(底面直徑為50 mm)的流變儀(型號為Anton Paar MCR 102)。在兩個固體表面間插入粘合劑層一定時間后,以固定速度將兩個固體表面拉開,并記錄拉力與分離位移(或時間)的關系[20-21]。粘性試驗的主要測試流程為:

1) 將外表面為圓柱的模具(高20 mm,內徑50 mm)放在流變儀的底板上并固定;

2) 將新拌混凝土(配合比參照文獻[22])放入圓柱形模具內,然后取下圓柱形模具;

3) 將用于模擬圍巖表面的圓柱試樣向下移動,直至底板與該圓柱試樣底面之間的間隙達到10 mm,相當于一個3D打印印刷層的厚度[23];

4) 以50 μm/s的恒定速度拉出混凝土圓柱形試樣,最長時間為500 s,并記錄拉力與位移的關系曲線。

每個系列的試驗重復進行2次,并采用相同的程序控制圓柱試樣的表面含水率。此外,將試驗分為兩組:第一組中,圓柱試樣的下表面未涂覆;第二組中,圓柱試樣(即R1-T、R2-T、R3-T和R4-T)的下表面人工涂覆了與測試材料成分相同的涂層。

1.3 3D打印襯砌與圍巖界面微觀構型觀測

為了更好地研究圍巖表面粗糙度的影響,利用 TESCAN CoreTOM CT 成像系統對圍巖表面進行高分辨率掃描,獲取其影像數據(像素尺寸為 27 μm)。每個試樣都掃描了 2 000 多張放射圖像。然后,利用 Panthera 軟件三維重建掃描影像所代表的孔結構。最后,使用交互式閾值方法從三維模型中提取氣隙(試驗結果如圖1所示),以此來表征新拌材料與圓柱試件間的孔隙特征,從而分析3D打印層與圍巖之間界面的微觀特征。

圖1 Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結構

2 試驗結果及討論

2.1 圍巖表面粗糙度試驗結果與分析

根據試驗數據分析可知,拋光圓柱試樣(R1)、噴砂圓柱試樣(R2)、錘擊圓柱試樣(R3)和噴水圓柱試樣(R4)的表面輪廓的均方根偏差分別為0.03 mm、0.64 mm、1.26 mm、2.30 mm。該數據與文獻中的同類研究結論類似。例如,文獻[19]指出,由于高壓水射流噴射混凝土表面可以去除混凝土核心或基體,其增加圍巖表面粗糙度的效果明顯好于噴砂技術。

2.2 3D打印襯砌與圍巖粘結力學特性分析

1) 根據兩組模擬圍巖與襯砌粘結性能測試數據繪制的拉力-位移曲線(見圖2),所有曲線都分為兩個階段:第一階段拉力不斷增大,第二階段拉力逐漸減小至零。

a) R1拋光圓柱

b) R2噴砂圓柱

c) R3錘擊圓柱

d) R4噴水圓柱

文獻[24]指出,新拌材料在開始階段主要表現為彈性行為或粘彈性行為,一段時間后則表現為塑性行為。在第二階段,不可逆斷裂開始出現,直至完全脫離[25]。試驗中也發現,斷裂在未涂覆的新拌材料與圓柱試樣的接觸面處擴展,而對于涂覆的混凝土圓柱試樣,破壞發生在涂層與新拌材料的接觸面。

2) 依據拉力-位移關系曲線,分別獲取拉力峰值、臨界位移(即拉力達到最大值時的位移)、總位移(拉力減小到零或穩定值時的位移)和耗散能量(測試中得到的拉力曲線與橫軸形成的區域)等4個參數的量值,并加以分析。

(1) 拉力峰值。4組試樣的拉力峰值曲線如圖3所示。對于無涂層的圓柱試樣,隨著表面輪廓的均方根偏差從0.03(R1)增加到2.68(R4),拉力峰值的平均值從3.85 N逐漸減小到0.92 N,而對于有涂層的圓柱試樣,拉力峰值幾乎保持不變。其原因主要是,新拌材料抗剪力和頂板與新拌試樣上表面之間界面力[23,26]的共同作用。無涂層時,拉力峰值主要由界面處的力控制,當使用粗糙基底(如R4)時,界面上形成的接觸有限,導致拉伸附著力受損,因此,拉力峰值隨著基底粗糙度的增加而減小。有涂層時,涂層對界面的拉伸附著力有顯著貢獻,拉力峰值主要受新材料的抗剪性能控制。文獻[23]也提出了相似的結論,即當新拌材料的屈服應力降低時,拉力峰值也隨之降低。

圖3 4組試樣拉力峰值曲線

(2)臨界位移。4組試樣的臨界位移曲線如圖4所示。未涂層的圓柱試樣中,臨界位移隨著基底粗糙度的增加而略有減小。而有涂層的圓柱試樣,臨界位移隨著基底粗糙度的增加而明顯增大,尤其是混凝土圓柱試樣R3-T和R4-T最為明顯。

圖4 4組試樣臨界位移曲線

(3) 總位移。4組試樣的總位移曲線如圖5所示。總位移變化趨勢與臨界位移變化趨勢基本一致,其主要原因是涂覆涂層間的“互鎖”效應。在較粗糙的基面中,該效應更為明顯。

圖5 4組試樣總位移曲線

(4) 耗散能量。4組試樣的耗散能量曲線如圖6所示。隨著基體表面粗糙度的增加,無涂層情況下耗散能量有減少的趨勢,而有涂層情況下則出現了相反的現象。值得注意的是,有涂層的基底R4-T測得的耗散能量約為無涂層基底的25倍,這一巨大差異表明了涂覆涂層的重要性。

圖6 4組試樣耗能曲線

綜上,可以認為:新拌材料在第一階段(達到拉力峰值之前)就超過了屈服點。而達到屈服點后,界面拉伸粘結性能較強的新拌材料(如R4-T)繼續變形,而基底粗糙度較低的其他情況則更早發生破壞。因此,在相同屈服水平下,一系列有涂層的圓柱樣本的拉力峰值沒有明顯差異,但位移(臨界位移和總位移)卻差異顯著。

2.3 3D打印襯砌與圍巖界面微觀特性

有涂層和無涂層工況下,Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結構如圖7和圖8所示。分析表明,相比于無涂層的界面,有涂層的圓柱試樣與新拌材料之間界面的孔隙數量明顯減少。這也驗證了涂覆涂層是可以提高“圍巖”基底與3D打印襯砌混凝土間粘結能力的。

圖8 Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結構(有涂層)

3 結語

通過試驗模擬分析方法,對不同圍巖條件下的3D打印襯砌-圍巖界面力學性能進行了研究,并對其中的影響因素進行了分析,主要結論如下:

1) 圍巖表面粗糙程度對隧道3D打印襯砌結構的施工質量有很大的影響。粗糙基底的宏觀表面紋理并沒有被3D打印混凝土充分填充,導致粗糙基底和打印層之間只有部分接觸,從而降低了基底與3D打印混凝土間的粘結性能。而對于粗糙度較低的基底(如拋光基底),由于接觸充分,提升了該粘結性能。但拋光基底無法提供足夠的“互鎖”效應。

2) 粗糙基底上涂覆涂層可以改善隧道3D打印襯砌結構的施工質量。在粗糙基底上涂覆涂層后,由于宏觀紋理得到了填充,基底與3D打印混凝土間的粘結性能得到了改善。因此,表面涂覆是改善施工質量的有效手段之一。

3D打印隧道襯砌-圍巖界面粘結力學性能的研究可為未來的隧道襯砌3D打印施工提供重要的參考和借鑒。