温湿耦合作用下喷射混凝土孔隙结构与强度试验研究

宿 辉， 尹文强， 王 翀， 刘世伟, 3，*， 王云飞

(1. 河北工程大学水利水电学院， 河北 邯郸 056000； 2. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司， 北京 100024； 3. 陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室， 云南 昆明 650200； 4. 河南理工大学土木工程学院， 河南 焦作 454000 )

0 引言

随着我国基础建设的快速发展，在复杂地质条件下建设的隧洞数量逐年增加[1]，其中，高岩温和潮湿环境成为深埋长隧洞建设中常见的工程现象，温度与湿度共同作用不仅恶化隧洞施工环境，还将引发混凝土支护结构损伤、强度降低等一系列质量和安全问题。喷射混凝土是隧洞施工中初期支护的主要形式之一，因此，对温湿耦合作用下隧洞喷射混凝土的性能进行深入研究具有重要的工程应用价值。

目前，国内外研究者针对高温作用下混凝土的宏观和细观力学性能展开了大量研究。戎虎仁等[2]研究发现，随着温度的升高，混凝土强度呈线性降低趋势，且大孔占比增大。申嘉荣等[3]通过对高温作用后的混凝土孔隙结构和抗压强度进行研究发现，随着温度升高，混凝土孔隙率逐渐增大，力学性能逐渐下降。陈宗平等[4]研究发现，高温后的混凝土应力-应变曲线发生较大变化，随着温度的升高，应力-应变曲线的上升段和下降段的斜率变小。文献[5-6]研究认为，养护温度的升高会导致水化产物分布不均匀，抗压强度下降。文献[2-6]的研究主要针对浇筑混凝土。文献[7-8]对不同养护龄期的喷射混凝土进行了渗透性、微观结构和力学性能研究。丁莎[9]研究了多种外加剂掺量对喷射混凝土微观和宏观力学性能的影响规律。文献[10-12]研究了高地温隧洞中岩石-喷射混凝土复合材料的变形及黏结强度的变化规律。杨红艳[13]研究了热害隧洞对喷射混凝土的力学性能影响。张俊儒等[14]利用宏观试验和核磁共振分析方法，实现了喷射混凝土在特定环境下的使用功能，成功研制了适用于高岩温环境的高性能隔热轻骨料喷射混凝土材料。上述研究成果不仅揭示了高温对混凝土物理力学性能和孔隙结构的影响规律，还为工程安全施工提供了一定理论基础。然而已有文献较少考虑湿度变化的影响，尤其是针对固化成形过程中高岩温和湿度耦合作用对喷射混凝土孔隙结构分布演化规律及力学性能影响机制方面的研究成果相对较少。

本文以新疆齐热哈塔尔水电站高地温深埋引水隧洞为依托，通过室内物理模型试验获得不同围岩温度t和环境湿度C条件下喷射混凝土样本，利用CT断层扫描技术采集孔隙结构数字图像信息，借助室内力学试验手段确定喷射混凝土试样的宏观力学特征量，分析围岩温度与环境湿度变化对喷射混凝土细部孔隙结构特征演化与宏观力学性能的影响；并进一步通过孔隙结构参数与喷射混凝土抗压强度的相关性分析，构建基于孔隙结构参数的喷射混凝土抗压强度预测模型。

1 工程概况

齐热哈塔尔引水隧洞位于我国新疆叶尔羌河的主要支流--塔什库尔干河上。据地质勘探资料显示，该引水隧洞的最大埋深超过1 000 m，洞内围岩温度平均为70 ℃，局部揭露区域的最高温度达110 ℃。隧洞内空气的平均温度在50 ℃以上，洞室局部区域有高温气体喷出，温度达147 ℃，高地温段隧洞的岩壁温度变化趋势如图1所示。

图1 高地温段隧洞的岩壁温度变化趋势

Fig. 1 Variation trend of rock wall temperature in high temperature section

2 试验概况

2.1 试样制备

试验所用的喷射混凝土原材料主要由水泥、粉煤灰、碎石、砂以及添加剂等组成。其中，水泥为太行牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用邯郸热电厂Ⅱ级粉煤灰，细度为18.5%；粗骨料为5～15 mm级配碎石；细集料为细度模数2.56的中粗砂，堆积密度为1 650 kg/m3；添加剂主要有UNF-2A萘系高效减水剂、HZC-1型水泥速凝剂及罗赛纤维RS2000。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

采用自主设计的温湿隧洞模拟试验系统(如图2(a)所示)，进行不同工况下喷射混凝土试样的制备。试样制备具体步骤为： 1)将温湿隧洞模拟试验系统A、B舱设置为不同湿度环境，A舱为高湿环境(湿度C为95%)，B舱为低湿环境(湿度C为25%)。2)采用片麻花岗岩岩板模拟隧洞围岩，岩板尺寸为450 mm×600 mm×50 mm，在岩板下固定加热板，分别将岩板温度t加热至50 ℃、60 ℃、75 ℃和90 ℃(如图2(b)所示)，并保温24 h，模拟隧洞岩温环境。3)采用干喷法在高温岩板上喷射混凝土，高温岩板不同温度条件下形成的喷射混凝土红外热像图如图2(c)所示。4)喷射混凝土分别在A、B舱环境下养护28 d后，根据杜红秀等[15]试验试件制作的方法，进行喷射混凝土钻芯试样制作，通过岩石取芯机取出直径为50 mm的圆柱试件，通过使用岩石切割机和双面磨平机将试件切割打磨成50 mm×100 mm的喷射混凝土圆柱试件。

(a) 温湿隧洞模拟试验系统

(b) 喷射混凝土加热示意图

(c) 高岩温喷射混凝土红外热像图

2.2 试验方法

1)为了给试块提供恒温恒湿的养护环境，使用保温材料制作喷射混凝土养护舱，如图2(a)所示，分高湿养护舱(C=95%)和低湿养护舱(C=25%)2种。养护室内用铁架固定加热装置、岩板和混凝土，安装排风扇用于室内通风，并安装摄像头用于室内监测。养护室内用带有温控系统的加热板使每块岩板保持为设定的温度；湿度自动控制系统用来保证湿度为设定试验值[16]。

2)采用单轴抗压强度表征喷射混凝土的力学特性，借助TAW-2000伺服试验机进行室内无侧限压缩试验，获得不同试验工况下试件的单轴抗压强度，分析喷射混凝土固化成形过程中温湿耦合作用对其强度特性的影响。伺服试验机主要技术参数如表2所示。

3)通过CT扫描试验技术和数字图像处理技术，获得不同试验工况下试件内部细观孔隙结构分布特征，分析喷射混凝土固化成形过程中温湿耦合作用对其孔隙结构分布特征的影响。CT扫描机采用医用64排螺旋CT，探测器排数达到64排，螺旋扫描速度≤0.35 s/r，时间分辨率<50 ms，扫描最薄层可达0.64 mm，能获得优良的CT图像。扫描方案: 对直径为50 mm的圆柱试件进行扫描时，沿着试件横断面从岩石与混凝土胶结面开始扫描并逐步远离胶结面，每层扫描厚度为1.25 mm，扫描总高度为100 mm。现场扫描试验如图3所示。

图3 现场扫描试验

3 试验结果分析

3.1 温湿作用下试样强度特征

温湿耦合作用对喷射混凝土单轴抗压强度的影响曲线如图4所示。由图分析可知： 1)低湿环境(C=25%)下，喷射混凝土单轴抗压强度随岩板温度的升高而降低，t分别为60 ℃、75 ℃和90 ℃时单轴抗压强度较t为50 ℃时分别降低了7.91%、17.35%和27.68%； 2)高湿环境下，喷射混凝土单轴抗压强度随岩板温度的升高先增大后减小，t=60 ℃时抗压强度比t=50 ℃时增大5.60%，t=90 ℃时抗压强度较t=50 ℃时减小14.32%； 3)低湿环境下喷射混凝土抗压强度均低于高湿环境下喷射混凝土抗压强度，4种岩板温度条件下，低湿环境相对于高湿环境单轴抗压强度分别降低了6.5%、22.2%、19.5%和26.2%。由此可见，低湿环境下高岩温导致28 d龄期喷射混凝土强度降低，而高湿环境下适当提高岩板温度有助于增强28 d龄期喷射混凝土力学性能。此外，环境湿度对28 d龄期喷射混凝土强度有着重要影响，且岩板温度越高环境湿度对单轴抗压强度影响越显著。

图4 温湿耦合作用对喷射混凝土单轴抗压强度的影响曲线

Fig. 4 Variation curves of uniaxial compressive strength of shotcrete under temperature-humidity coupling effect

3.2 温湿作用下试样细部孔隙结构分布特征

为进一步分析围岩温度和环境湿度对喷射混凝土细部孔隙结构特征的影响，采用CT扫描数字图像信息处理技术对喷射混凝土试样进行扫描试验，获得喷射混凝土内部孔隙结构空间分布特征参数。

3.2.1 对孔隙率的影响

为分析温度和湿度对喷射混凝土孔隙率的影响，以岩板和混凝土界面位置为原点O，以喷射混凝土试件中心轴为Z轴，沿喷射混凝土Z轴方向选取一定数量的CT断层扫描图像进行孔隙率分析。本文仅给出高湿和低湿环境下温度分别为60 ℃和90 ℃时喷射混凝土试样孔隙率沿Z轴的变化规律，结果如图5和图6所示。图中蓝线反映的是喷射混凝土试样沿Z轴方向的平均孔隙率。由图5和图6分析可知： 1)在低湿环境(C=25%)条件下，t=60 ℃时，岩板处孔隙率约为0.05，而远离岩板端孔隙率约为0.025；t=90 ℃时，岩板处孔隙率约为0.15，而远离岩板端孔隙率约为0.025，即越靠近岩板位置喷射混凝土的孔隙率越大，且岩板温度越高喷射混凝土孔隙率沿Z轴正方向的递减变化规律越明显。2)在高湿环境(C=95%)条件下，喷射混凝土孔隙率沿Z轴呈现出在某一定值附近波动变化的规律。

(a) t=60 ℃，C=25% (b) t=90 ℃，C=25%

Fig. 5 Variation curves of porosity along Z axis in low humidity environment

(a) t=60 ℃，C=95% (b) t=90 ℃，C=95%

Fig. 6 Variation curves of porosity along Z axis in high humidity environment

由上述研究表明，温湿耦合作用对低湿环境下喷射混凝土内部孔隙结构的形成与分布演化影响明显。这可能是由于低湿环境下，温度和湿度共同影响混凝土自身水化反应，而高湿环境下，湿度成为影响其水化反应进程的关键控制因素。由此可见，当喷射混凝土所处环境湿度相对较低时，温度变化对喷射混凝土孔隙率的空间分布变化影响较为均匀；而当喷射混凝土所处环境湿度较高时，温度变化对喷射混凝土孔隙率的空间分布变化影响存在随机波动性。

选取一定数量的喷射混凝土CT图像，借助数字图像处理技术获取其孔隙率参数，并求其平均值作为对应试验工况下的平均孔隙率。不同温度和湿度条件下喷射混凝土试样的平均孔隙率变化规律如图7所示。由图分析可知，高温低湿养护环境下喷射混凝土孔隙率较大；相同岩板温度时，湿度越低，喷射混凝土的平均孔隙率越大。由此可见，温度越高，孔隙率越大；低湿环境导致孔隙率增大。说明温度和湿度对喷射混凝土孔隙率均有重要影响。

图7 不同温度和湿度条件下喷射混凝土试样的平均孔隙率变化规律

3.2.2 对孔径分布的影响

以1 mm为标尺对喷射混凝土孔径进行统计，对不同尺寸孔径出现的频率进行非线性拟合，结果如图8所示。由图8分析可知： 1)不同试验工况下喷射混凝土试样孔径分布特征符合对数正态分布，孔径出现的频率随孔径尺寸的增大先增后减，孔径尺寸为1.5 mm左右时，频率达到最大值； 2)高湿环境(C=95%)下，随着岩板温度升高最大孔径值先减小后增大，分别为11.5、10.5、12.5、14.5 mm，出现的频率先增大后减小，且小于1.5 mm孔径出现的频率； 3)低湿环境(C=25%)下，随着岩板温度升高，最大孔径尺寸不断增大，分别为12.5、14.5、16.5、17.5 mm，出现的频率逐渐减小，且小于1.5 mm孔径频率。4种岩板温度下，低湿环境下喷射混凝土试样的最大孔径值均大于相应岩板温度时高湿环境下的最大孔径值。

采用分形维数理论，进一步分析温度和湿度对喷射混凝土孔径分布的影响。细观表面分形维数D可用于表征喷射混凝土孔径分布特征[17]，其可通过式(1)获得。

D≈Db+1。

(1)

式中Db为孔径分形维数。

(a) t=60 ℃，C=25%

(b) t=90 ℃，C=25%

(c) t=60 ℃，C=95%

(d) t=90 ℃，C=95%

结合盒子计数法[18]可知，不同温度和湿度条件下喷射混凝土孔径分形维数Db计算结果如表3所示。由表3中的数据可得喷射混凝土细观表面分形维数随岩板温度的变化规律，结果如图9所示。由图9可知： 1)低湿环境下喷射混凝土细观表面分形维数随温度的升高逐渐增大，说明低湿环境下高岩温导致喷射混凝土材料基体致密性变差； 2)高湿环境下喷射混凝土细观表面分形维数随温度的升高先减小后增大，说明岩板温度为50～60 ℃时高湿环境抑制了喷射混凝土中毛细水的散失，使得水化硅酸钙胶体没有因为脱水而破坏，进而影响了孔隙结构的分布规律，导致喷射混凝土细观表面分形维数减小。不同岩板温度时，低湿环境细观表面分形维数均高于高湿环境细观表面分形维数，说明高岩温时，高湿环境有助于增强喷射混凝土基体的致密性。

表3 喷射混凝土孔径分形维数Db

图9 喷射混凝土细观表面分形维数随岩板温度的变化规律

Fig. 9 Variation rules of fractal dimension of pore structure with temperature

不同温度和湿度条件下混凝土的平均孔径如表4所示。由表4分析可知，相同围岩温度下高湿环境喷射混凝土平均孔径小于低湿环境喷射混凝土平均孔径。因为在高湿环境下，由于外部湿度大，喷射混凝土脱水速率较慢，水泥基材料水泥水化充分终止速度较慢，生成的水泥凝胶体搭接效果较好，孔隙尺寸较小。

表4 不同温度和湿度条件下混凝土的平均孔径

Table 4 Average aperture of shotcrete under different test conditions

温度/℃混凝土平均孔径/mm湿度C=95%湿度C=25%501.801.88601.761.89751.841.92901.931.97

3.2.3 对孔隙比表面积的影响

由数字图像处理技术获得不同温度和湿度条件下喷射混凝土孔隙比表面积，结果如表5所示。通过孔隙比表面积的大小可分析出不同围岩温度下喷射混凝土的孔隙特性[19]。从表5中可以看出： 1)低湿环境下，随着围岩温度的升高孔隙比表面积逐渐减小，说明围岩温度的升高导致喷射混凝土中小孔数量减少、大孔数量增多。2)高湿环境下，围岩温度低于60 ℃时，随着温度的升高孔隙比表面积增大；围岩温度高于60 ℃时，孔隙比表面积随温度的升高而减小。表明高湿环境下岩温低于60 ℃时，围岩温度的升高有利于减小喷射混凝土中大孔隙的数量。4种围岩温度下，低湿环境孔隙比表面积值均大于高湿环境比表面积值，证明低湿环境更容易产生大孔隙。

表5 不同温度和湿度条件下喷射混凝土孔隙比表面积

Table 5 Specific surface area of pores under different test conditions

温度/℃孔隙比表面积/mm-1湿度C=95%湿度C=25%501.671.60601.691.57751.651.51901.581.43

4 基于细观参数的喷射混凝土抗压强度预测

4.1 喷射混凝土抗压强度现有理论预测模型

喷射混凝土单轴抗压强度与孔隙率之间的关系可表示为

σ=Bln(σ0/p)[20]。

(2)

式中:σ为喷射混凝土的单轴抗压强度，MPa；p为孔隙率；σ0为孔隙率为0时的理想抗压强度，MPa；B为经验常数。

根据上述分析可知，低湿环境下喷射混凝土单轴抗压强度试验结果和细部结构CT扫描试验获得的平均孔隙率试验结果如表6所示。

表6 低湿环境(C=25%)下喷射混凝土单轴抗压强度和平均孔隙率

采用式(2)对表6中低湿环境(C=25%)下的试验数据进行回归分析，结果如图10所示，获得的喷射混凝土单轴抗压强度与孔隙率之间的关系模型为

σ=9.689 1ln(0.586 7/p) 。

(3)

图10 喷射混凝土单轴抗压强度与孔隙率的相关关系

Fig. 10 Correlation between uniaxial compressive strength and porosity of shotcrete

由图10可知，不同围岩温度下喷射混凝土孔隙率与单轴抗压强度的关系和Schiller模型拟合较好，拟合度为0.964。可见，Schiller模型可以用于低湿环境下喷射混凝土单轴抗压强度的预测。

4.2 基于试验结果的Schiller预测模型改进

通过对高湿环境下孔隙结构参数与强度相关性进行分析发现，孔隙率与强度之间也符合对数关系。湿度因素对混凝土孔隙率影响明显，因此有必要考虑湿度因素对混凝土强度的影响。Gawin等[21]、Luzio等[22]通过在水化速率方程中添加影响系数来衡量相对湿度对水化速率的影响。借鉴文献[21-22]的处理方式，本文在Schiller模型公式的基础上添加相对湿度影响系数β来衡量相对湿度对抗压强度的影响。由相关性分析可知，除孔隙率外，平均孔径和细观表面分形维数与强度相关性极好，故选取平均孔径和细观表面分形维数2个参数计算相对湿度影响系数β，即

(4)

式中：di为低湿环境下孔隙平均孔径，mm；dj为高湿环境下孔隙平均孔径，mm；Di为低湿环境下细观表面分形维数；Dj为高湿环境下细观表面分形维数。其中，di/dj、Di/Dj分别为相同围岩温度、不同环境湿度下平均孔径之比和细观表面分形维数之比。

考虑相对湿度影响系数β的高湿环境下喷射混凝土单轴抗压强度与孔隙率之间的关系模型为

σ=β·[9.689 1ln(0.586 7/p)] 。

(5)

将上述细部孔隙结构参数(平均孔径、细观表面分形维数)试验结果代入式(4)中，可得不同温度下喷射混凝土的相对湿度影响系数β，结果如表7所示。

表7 相对湿度影响系数β计算结果

Table 7 Calculation results of relative humidity influence coefficient β

温度/℃β501.050601.086751.052901.030

由表7分析可知，相对湿度影响系数β的取值范围为1.030～1.086。本文取β为1.05。采用式(5)和式(3)对高湿环境下混凝土单轴抗压强度进行预测，结果如图11所示。由对比分析可知，与不考虑湿度影响系数的Schiller模型相比，本文建立的高湿环境下喷射混凝土强度预测模型预测结果与试验结果吻合较好，表明本文建立的模型具有较好的准确性和可信度。

图11 喷射混凝土单轴抗压强度试验结果对比曲线

Fig. 11 Comparison curves of test results of uniaxial compressive strength

5 结论与建议

1)围岩温度为50～90 ℃时，温度越高致使低湿环境(C=25%)下喷射混凝土的单轴抗压强度越小；围岩温度升高导致高湿环境(C=95%)下喷射混凝土的单轴抗压强度先增加后减小，60 ℃是高湿环境下喷射混凝土单轴抗压强度开始劣化的临界温度。

2)围岩温度为50～90 ℃时，随着温度升高喷射混凝土孔隙率逐渐增大；低湿环境(C=25%)下比高湿环境(C=95%)下喷射混凝土孔隙率增大20%以上，平均孔径增大2.0%以上，细观表面分形维数增大1.3%以上，孔隙比表面积减小4.4%以上； 围岩温度在60 ℃时，喷射混凝土孔隙率、平均孔径、细观表面分形维数和孔隙比表面积变化较为明显，温度和湿度均对喷射混凝土内部细观孔隙结构有显著影响。

3)基于Schiller模型建立了一种考虑相对湿度效应的喷射混凝土单轴抗压强度预测模型，通过与试验结果对比，证明Schiller模型可用于低湿环境下(C=25%)喷射混凝土单轴抗压强度的预测，而加入相对湿度影响系数建立的预测模型对高湿环境(C=95%)下喷射混凝土单轴抗压强度的预测较为可靠。