高地温喷射混凝土宏细观损伤特征试验分析

宿辉， 孙熇远， 刘世伟*， 胡宝文， 尹文强

(1.河北省智慧水利重点实验室， 邯郸 056006； 2.河北工程大学水利水电学院， 邯郸 056006； 3.山东泰安抽水蓄能电站有限责任公司， 泰安 271000)

随着中国深部地下空间开发战略的逐步全面实施，深部岩土工程的赋存环境趋向复杂化，以中国西部高地温环境下的岩土工程建设最具代表性[1]。喷射混凝土衬砌是深部隧洞的主要支护结构形式[2]。高地温环境易引发结构与围岩强度弱化，致使地下工程灾害事故频发[3]，尤其是高地温诱发混凝土衬砌损伤与支护结构自身强度及稳定性之间的矛盾日趋加剧。因此，有必要针对高地温混凝土的损伤特征及其影响开展更加深入研究。

中外学者已对此开展了诸多研究并取得大量成果。陈伟强等[4]基于声发射技术针对不同温度水平作用后的混凝土损伤开展了研究；苗生龙等[5]发现温度升高将导致混凝土的质量损失增加，抗拉和抗压强度降低，预示着温度的升高诱发混凝土的损伤程度加剧；刘志勇等[6]和郑丹等[7]通过超声波速对不同温度条件下的混凝土损伤开展了实验研究，结果表明超声波波速能够反映混凝土材料的损伤程度；赵燕茹等[8]基于数字图像相关法，定义了损伤因子表征量，研究了不同温度时混凝土的损伤程度；杜红秀等[9]基于CT技术研究了不同温度下混凝土细观结构劣化衍化情况；Wang等[10]通过实验和分析研究了高温产生的损伤对十字形钢筋混凝土(steel reinforced concrete，SRC)柱的力学性能的影响；David等[11]通过扫描电子显微镜研究了高温条件下混凝土的微观结构损伤变化规律；Meng等[12]研究了高温对完全再生混凝土的力学性能的影响和损伤规律；综上所述，混凝土损伤表征既可采用质量损失、抗压强度、抗拉强度等宏观参数，也可采用孔隙等细观参数；Xu等[13]通过对温度的改变，研究了高温产生的损伤对超高性能混凝土的性能影响；Liu等[14]针对高温地热隧道的温度分布，通过力学和压汞测孔(mercury intrusion porosimetry，MIP)试验，研究了不同温度热干环境下喷射混凝土的力学性能和孔隙结构特征；徐瑞御等[15]通过核磁共振扫描获得高温下混凝土微观结构损伤特点，发现随着温度升高，抗压强度在衰减，孔隙率增加；而现有研究中多数采用浇筑方式成样，与实际混凝土衬砌喷射施工工艺有所差别，关于不同温度下的喷射混凝土宏细观损伤特征研究报告相对较少。

有鉴于此，在现有研究成果[16]的基础上，现采用声波波速定义喷射混凝土的相对损伤变量，以抗压强度、抗拉强度、超声波特征量为混凝土的宏观损伤表征参数，以三维孔隙体积比为其细观损伤表征参数，针对不同温度条件下的喷射混凝土开展室内单轴压缩、巴西劈裂、CT扫描以及超声波检测试验，分析不同温度条件下喷射混凝土的抗压强度、抗拉强度、三维孔隙比、波速以及持时的变化规律，进而揭示不同温度条件下喷射混凝土的宏细观损伤演化特征。以期为保障高地温环境下隧洞支护结构的安全稳定性提供依据。

1 试验方案

本次试验所用喷射混凝土组成成分由水泥、粉煤灰、碎石、砂以及添加剂等组成，其配比方案依据新疆齐热哈塔尔高地热引水隧洞衬砌结构的配比如表1所示。为了模拟更加接近真实的高地温喷射混凝土施工环境，采用自主设计的高地温隧洞模拟试验系统[17]，如图1所示，获取不同温度条件下喷射混凝土试样。继而，开展室内抗拉强度、抗压强度、超声波检测以及CT扫描试验。

表1 喷射混凝土配合比Table 1 Mix ratio of shotcrete

图1 高地温隧洞模拟试验系统Fig.1 Simulation test system for high geothermal tunnel

1.1 拉、压试验

借助TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机，针对50、60、75、90 ℃温度条件下喷射混凝土试样，分别开展单轴压缩和巴西劈裂试验，每组试样4个。

1.2 声波检测试验

超声波法采用超声波特征参数(平均波速)为媒介获取材料内部先关信息，且通常采用纵波的传播来检测材料的损伤，材料内部损伤变量D可采用超声波波速表征[18]为

(1)

式(1)中：V0为初始条件下材料的声波波速，m/s；VT为某一损伤状态下材料的声波波速，m/s；D为材料的损伤变量。

根据上述超声波表征损伤变量方法，考虑到现场复杂的施工条件无法保证喷射混凝土处在初始条件下，因此综合考虑施工现场的温度变化范围，重新定义相对损伤变量为

图2 试验试样Fig.2 Test sample

(2)

式(2)中：Vt为某一初始温度时刻t损伤喷射混凝土的声波波速为参考基准，m/s；VT为温度为T时损伤喷射混凝土的声波波速，m/s；Dγ为喷射混凝土材料的相对损伤变量。

本次试验选取的初始温度50 ℃为基准参考，通过非金属超声波检测仪(GTJ-U820)，如图3所示。获得温度分别为50、60、75、90 ℃条件下喷射混凝土试样的纵波波速。

1.3 CT扫描试验

CT扫描成像作为一种无损检测方法，能够快速获取混凝土内部结构分布特征[19]。借助河北工程大学医用CT扫描试验机，如图4所示。针对50、60、75、90 ℃温度条件下喷射混凝土试样进行分层扫描成像，再利用三维重构技术，获得不同温度条件下的喷射混凝土孔隙空间分布规律及三维孔隙比。

2 高地温喷射混凝土损伤试验结果分析

2.1 拉压强度和拉压比

图3 非金属超声波检测仪 (50 mm×100 mm)Fig.3 Non-metallic ultrasonic detector

图4 CT扫描试验机(50 mm×100 mm)Fig.4 CT scan testing machine

不同温度条件下喷射混凝土拉压强度和拉压比变化规律，如图5所示。拉压比为混凝土抗拉强度与抗压强度之比，计算公式为

(3)

式(3)中：β为喷射混凝土拉压比；P1为喷射混凝土抗拉强度，MPa；P2为喷射混凝土单轴抗压强度，MPa。

由图5分析可知，围岩温度由50～90 ℃变化时，喷射混凝土的拉压强度呈现先增大后减小的趋势，在60 ℃达到了最大抗拉强度和最大抗压强度，此时喷射混凝土的力学性能相对最优。这种现象主要是由于温度一方面控制着喷射混凝土的水化反应，另一方面影响着喷射混凝土内部的损伤演化。温度为60 ℃时拉压强度达到峰值点，表明此时温度对水化反应的影响占主导地位，而因温度变化引发的喷射混凝土内部损伤效应影响相对不明显。可见，60 ℃可作为喷射混凝土施工中温度环境控制的参考标准。与文献[20]结论一致。

图5 不同温度损伤下喷射混凝土拉压强度和拉压比变化Fig.5 Changes of tension compression strength and tension compression ratio of shotcrete under different temperature damage

随着围岩温度的升高，喷射混凝土的拉压比总体呈现增大趋势，表明温度对喷射混凝土的抗拉强度与抗压强度的弱化效应影响不同，喷射混凝土抗压强度对温度的变化更加敏感。

2.2 超声波速

不同围岩温度条件下喷射混凝土的纵波波速及相对损伤量的变化规律，如图6所示。由图6中分析可知，随着温度的升高，喷射混凝土内的波速逐渐降低，且围岩温度与波速基本呈现线性负相关；喷射混凝土的相对损伤量随着温度的升高逐渐增加，围岩温度与相对损伤量呈非线性正相关。出现上述现象的原因是，温度的升高将导致喷射混凝土内部的孔隙和微裂纹增多[21-22]，从而影响超声波传播，降低超声波传播速度，即表明波速越低预示着喷射混凝土材料内部的损伤程度越严重。

图6 不同温度条件下喷射混凝土波速与相对损伤量的变化Fig.6 Wave velocity and relative damage of sprayed concrete at different temperatures

2.3 三维孔隙比

首先，将二维CT试验获得的图片进行降波除噪、增强图像对比度和二值化图片等图像处理；其次，将CT扫描图像按顺序导入VG studio软件完成三维重构，得到不同围岩温度条件下喷射混凝土内部孔隙结构分布特征；最后，根据VG studio的计算功能对孔隙结构的各种参数(孔隙总体积、孔隙率、孔径等)进行统计计算，三维重构结果如图7所示。图7中喷射混凝土孔隙体积及孔隙比随着围岩温度的变化规律，如图8所示。由图8分析可知，围岩温度为50 ℃和60 ℃时，喷射混凝土内部的孔隙分布较为稀疏，围岩温度为75 ℃和90 ℃时，喷射混凝土内部孔隙分布较为密集；围岩温度为50 ℃和60 ℃时，局部位置孔隙联通，形成较大体积孔隙，如图8中红色圈内所示，这与喷射混凝土内部的孔隙和裂隙的发育有关，而当围岩温度升至75 ℃和90 ℃时，喷射混凝土内局部孔隙体积增大，甚至可能发展为原始裂隙或缺陷。可见，随着围岩温度的升高喷射混凝土内部的孔隙数量逐渐增多，且单个孔隙体积增大，产生的温度损伤加剧。

3 结论

(1)围岩温度越高，喷射混凝土的抗拉强度和抗压强度先升高后降低，这是不同温度下喷射混凝土内部水化效应和损伤效应共同作用的结果，60 ℃可作为喷射混凝土施工环境温度控制的参考标准之一。

(2)随着温度升高拉压比越来越高，表明，相比于抗拉强度，抗压强度对温度变化更为敏感。

(3)基于声波波速定义喷射混凝土的相对损伤变量，波速随着围岩温度呈现基本呈现线性降低，而相对损伤变量随着温度呈现非线性增长。

图7 不同温度条件下喷射混凝土孔隙分布Fig.7 Pore distribution of shotcrete under different temperature conditions

图8 不同高温围岩作用下喷射混凝土孔隙的体积变化Fig.8 Volume change of pore in shotcrete under different high temperature surrounding rock

(4)围岩温度升高造成喷射混凝土内部孔隙的累计体积和体积比逐渐增大，且喷射混凝土内部形成的单个较大型孔隙或缺陷体积逐渐增大，即造成的温度损伤加剧。