高温养护混凝土及衬砌结构力学特征研究现状与分析

甘彬霖, 冯旭海, 宋朝阳, 王恒, 赵玉明

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院, 北京 100013; 2.同济大学上海自主智能无人系统科学中心, 上海 200092;3.矿山深井建设技术国家工程研究中心, 北京 100013; 4.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 徐州 221116)

深部矿产资源开采和深地空间开发是满足人类可持续发展的有效途径和社会发展的必然趋势[1-2]。当前,能源与战略性矿产资源开发正从浅部向深部全面推进,国内矿井最大井深已达1 551.8 m(纱岭金矿),正在施工的立井设计井深超过2 000 m(三山岛金矿),未来主要矿产采深将达到3 000～5 000 m[3-4];截至2020年底,中国已投入运营的特长铁路隧道共209座(总长2 811 km),在建特长铁路隧道116座(总长1 675 km),规划特长铁路隧道338座(总长5 054 km)[5]。但随着深部矿井和深长隧道工程持续建设,深地结构通常面临着“高地应力、高地温、高孔隙水压和强烈工程扰动”的复杂多场耦合荷载环境,其中高地温环境对深地工程的制约问题尤为突出[6-10]。

根据《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ 204—2008)[11]相关规定,地温超过28 ℃的地质条件为高地温条件;对于现浇混凝土,养护温度大于35 ℃通常可认为是高温养护条件[12],但高温养护影响等级尚无明确划分。对于浅部矿井和短距离隧道,可通过通风、制冷等措施降低工作面温度。但深部地层热源持续不断得到补充,降温措施对地下空间的降温效果有限且费用昂贵,一般只针对工作面或施工人员,工程结构仍将长期暴露在高地温环境中。随着《“十四五”规划和2035远景目标纲要》提出进一步实施交通强国战略和能源资源安全战略,深长隧道、深部矿井与地热开采项目持续推进,高地温养护环境下混凝土性能发展规律和结构承载影响问题亟待研究。

针对高温养护环境对深地工程混凝土性能的影响,现对国内外高地温矿井和深长隧道结构典型案例进行概述,对高温养护条件下混凝土水化动力过程和力学性能演化机制及其改善方法进行综述,总结高地温环境对衬砌结构性能的影响规律,分析既有研究中存在的问题和未来研究方向,为高地温环境深地结构混凝土材料的研究和应用提供参考。

1 深地工程结构高地温热害情况

深地结构处于深部多场多相耦合复杂地质体中,具有埋深大、环境效应复杂等特点。其中,地温一般以30～50 ℃/km的梯度逐渐增加,局部导热率高地区地温梯度高达200 ℃/km,300 m以深的深地工程地温通常超过28 ℃,即达到高地温条件。1 000～3 000 m深度的矿井地温一般为40～80 ℃[3,13-14],国内外部分高地温矿井统计情况如表1所示。

表1 国内外部分高地温矿井统计情况Table 1 Statistics of some typical mines with high ground temperature

高地温问题在深长隧洞中同样普遍存在,如大瑞铁路高黎贡山隧洞场区地温在25～108 ℃;川藏铁路共15个隧洞存在高地温热害,约占全线隧洞总数的7.6%,高地温区间在28.7～86.0 ℃[7,26]。目前,深度超过400 m的深长隧洞地温一般在40～90 ℃,如表2所示。

表2 国内外部分高地温隧洞统计情况[27-29]Table 2 Statistics of some typical tunnels with high ground temperature[27-29]

2 高温养护对混凝土性能的影响

2.1 高温养护对水化动力过程的影响

混凝土性能与胶凝材料的水化过程密切相关。水泥主要包括硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)4种熟料矿物,熟料矿物与水发生水解或者水化作用统称为水化,通过水化作用生成的产物称为水化产物。通过分析不同物理、化学条件下胶凝材料水化反应机理和反应速率的表征,研究不同物理、化学因素对水化反应速率和水化过程的影响,有助于理解胶凝材料复杂的反应过程,预测不同龄期的胶凝材料水化程度和水泥基材料性能[30]。

根据Arrhenius公式[式(1)],胶凝材料的水化速率与温度和活化能有关,其中水化反应速率常数与温度呈正相关指数函数关系,反应活化能E是一个与温度相关的常数。张增起[30]通过等温量热、化学结合水量和热重分析测试表明活化能随养护温度升高而升高,水化产物成核速率常数、生长速率常数、扩散速率常数和水化产物的临界长度等动力学参数均随养护温度提高而增大。

(1)

式(1)中:kT1和kT2分别为温度T1和T2时对应的反应速率常数;E为活化能;R为摩尔气体常数。

高温养护时胶凝材料早期水化速率的提高促进了水化放热速率过程,张增起[30]和任旭等[31]通过等温量热法发现高温环境使得复合胶凝材料水化放热峰值提高,放热峰值出现时间提前,累计放热量和体系水化放热量增加。任旭等[31]基于Krstulovic-Dabic水化动力学模型对胶凝材料总放热量、水化时间和反应速率常数等动力学参数进行计算分析,发现高温养护下水化动力过程控制阶段由结晶成核与晶体生长、相边界反应和扩散的3个阶段变为结晶成核与晶体生长和扩散2个阶段。

高温环境提高水化反应速率,使得液相中pH迅速提高,同时破坏了粉煤灰和矿渣粉的玻璃体结构。在高碱性和高温耦合作用下,粉煤灰和矿渣粉的活性和胶凝性显著提高,参与水化反应的时间提前,增加了胶凝材料活化分子百分数。李响等[32]通过盐酸选择溶解法对65 ℃养护的粉煤灰复合胶凝材料浆体中的粉煤灰反应程度测试,发现高温养护1 d的粉煤灰反应程度超过标准养护28 d的粉煤灰反应程度。

基于Arrhenius公式和材料活化能,水化度被定义为已消耗的胶凝材料与胶凝材料总量的比值,一般通过化学结合水法、化学收缩法、CH[Ca(OH)2]定量法、等温量热法和选择性溶解法、图像处理法、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)全谱拟合定量法进行表征或测定[30]。标准养护状态下,Mills[33]通过大量实验提出了水泥最终水化度的计算模型;Schindler等[34]在Mills所提出的水泥最终水化度模型的基础上,提出了考虑粉煤灰和矿渣掺量影响的复合胶凝材料最终水化度修正模型;Giovanni等[35]考虑SiO2的有效含量,提出了硅粉复合胶凝材料最终水化度计算模型。

胶凝材料最终水化度在0～1,不同条件下同种混凝土水化度相同时其物理力学性能基本相同[36-37]。但通过物理力学参数和水化度反演分析高温养护条件和标准养护条件胶凝材料最终水化度时,发现最终水化度反演结果大于最终水化度模型计算结果,即胶凝材料高温养护的实际水化度大于理论最终水化度。李响等[32]通过化学结合水法和盐酸选择溶解法表明高温养护提高了胶凝材料的活性和活化分子百分比,从而提高了胶凝材料最终水化度;郭舒等[38]基于Avrami水化动力过程对CaO膨胀熟料的水化程度进行分析,发现水化程度随温度升高而增大。高温环境养护下,胶凝材料活性的提高加快了水化反应速率,活化分子百分比的增加提高了胶凝材料的最终水化度。

但部分学者认为高温养护时快速水化生成的水化硅酸钙[Ca5Si6O16(OH)·4H2O,CSH]层会包裹封闭未水化的胶凝材料,会导致最终水化度降低[39]。此外,Gallucci等[40]对20、40、60 ℃养护水泥浆体的水化度进行分析,发现1年后不同温度养护水泥浆体的水化度基本相等,认为长龄期状态下最终水化度不受养护温度影响。

2.2 高温养护对混凝土力学性能的影响

高温养护时,混凝土快速温升和失水会导致胶凝材料微观结构劣化和水化进程停滞,同时水化产物在快速的物理化学收缩作用下,混凝土力学性能将受到影响[41-43]。李响等[32]对比65 ℃养护条件与标准养护条件的粉煤灰胶凝材料水化后的微观形貌,发现高温养护3 d时粉煤灰表面絮状和相互搭接的凝胶含量明显增多,浆体结构相对密实,但高温养护3 d与90 d的浆体形貌相差不大,认为高温养护对水化反应的促进主要体现在早龄期。早龄期快速生成的水化产物未能充分迁移而包裹在胶凝材料表面,阻滞了水化反应的发生,形成的无序多孔结构会对力学性能产生损伤影响[43]。程磊[44]和何廷树等[45]通过对比不同高温下养护浆体的微观结构,发现养护温度越高浆体结构越疏松,水化产物整体分布越不均匀。Wang等[41]在80 ℃高温养护水泥基浆体微观结构中发现明显的微裂缝。因此,高温养护混凝土后期强度下降主要是因为早龄期快速水化形成的高孔隙率和不均匀的水化产物分布以及微观结构损伤[39]。

此外,谭克锋等[46]对比了不同水胶比和强度等级混凝土高温养护后的抗压强度和微观结构,发现低水胶比或高强混凝土水化前水泥颗粒堆积状态比较紧密,水泥颗粒间的间距较短,少量水化产物即可填充颗粒间的孔隙,高温养护下水化产物不均匀分布的程度降低,使得混凝土后期强度下降较小。王艳等[47]对比不同湿度条件下80 ℃高温养护对混凝土抗压强度的影响,发现随着环境湿度增加,不同混凝土在各个龄期的抗压强度均有提高。马昆林等[43]通过试验证明,60 ℃高温低湿条件下养护初期的短期覆膜养护强度明显大于直接高温低湿养护,粉煤灰掺量为25%时高温低湿下早期覆膜1 d砂浆的28 d抗压和抗折强度均大于标准养护。范利丹等[48]保持相对湿度为95%时,发现在25～40 ℃养护温度下,喷射混凝土抗压强度随养护温度升高而增大,而60 ℃养护条件下混凝土早期和后期强度均降低。唐兴华[29]研究了相对湿度为25%、55%、95%和温度为40、60、80 ℃耦合条件下C25混凝土力学性能,表明增加湿度对高温养护混凝土力学性能具有积极作用,并建立了考虑温湿度耦合效应的高温养护C25混凝土抗压强度、抗拉强度和弹性模型的回归模型。

2.3 高温养护混凝土力学性能改善研究

高温养护混凝土力学性能优化研究主要集中于矿物掺合料和纤维材料的掺加作用。粉煤灰、矿渣粉和硅灰等矿物掺合料对混凝土的作用原理通常用“粉煤灰”假说进行解释[49],即通过“形态效应”“活性效应”和“微集料效应”减少用水量、促进水化产物发生二次水化,改善微观结构而提高混凝土的力学和耐久性能。

高温养护环境易于激发了矿物掺合料的活性,使得矿物掺合料参与反应的时间提前,反应速率明显提高。Escalante-Garca等[50]研究表明,在一定温度和掺量条件下,掺加粉煤灰可以改善高温养护对混凝土强度的负面影响,但也可能出现负面作用。Sajedi[51]的研究表明60 ℃养护时矿渣浆体抗压强度大于标准养护和水养护。谭克锋等[46]对比了硅灰、粉煤灰和矿渣粉对混凝土65 ℃高温养护抗压强度负效应的改善作用,发现对混凝土后期强度的降低缓解作用显著程度依次为硅灰、粉煤灰和矿渣粉。何廷树等[45]在50%相对湿度条件下对混凝土分别进行50、60、80 ℃高温养护24 h,发现温度低于50 ℃时,矿渣-粉煤灰双掺混凝土的强度比单掺粉煤灰混凝土更高,当温度超过60 ℃时,单掺粉煤灰比矿渣粉煤灰双掺更能提高混凝土强度。王艳等[47]试验表明,高温环境下矿渣粉混凝土强度对湿度的敏感性大于粉煤灰混凝土,粉煤灰对50 ℃高温混凝土强度改善作用大于矿渣粉;80 ℃时矿渣粉混凝土的强度增幅随湿度增大而增大。

在混凝土中掺加纤维材料可有效控制混凝土内部含水率、改善内部孔隙结构,提高混凝土密实性。目前纤维材料对高温养护混凝土改性的研究主要集中于聚丙烯纤维、玻璃纤维、钢纤维等,对熔点和拉伸强度要求较高。王瑞兴等[52]的试验表明聚丙烯纤维能有效抑制60 ℃高温条件下混凝土微裂缝的产生与发展,但抗压强度略有降低,而钢纤维对高温养护混凝土抗压强度具有增强效应。马昆林等[43]研究发现在适宜的养护制度下,掺加聚丙烯纤维可以改善高温低湿环境下砂浆的力学性能。张岩等[53]分析了聚酯纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维在不同养护温度下对混凝土抗折强度的影响,发现纤维的掺加改善了砂浆在高温养护下的后期强度。不同种类纤维材料性能参数如表3所示。

3 高地温环境对衬砌结构的影响

3.1 高地温环境对衬砌结构的劣化影响

高地温环境不仅制约深地工程结构的施工,加速材料性能劣化损伤,还会加剧衬砌结构荷载的复杂性和不确定性,降低支护结构的可靠性。

针对高地温环境下喷射衬砌混凝土与围岩的黏结性能,崔圣爱等[55]通过改进的钻芯拉拔法对50 ℃高温干湿养护下C25和C30喷射混凝土黏结强度进行试验,发现干热养护下喷射混凝土的黏结强度严重倒缩,甚至出现混凝土与岩石界面脱黏开裂现象,这主要与干热环境下混凝土水分散失、收缩剧烈、水化产物分布不均以及水化中止等原因有关。宿辉等[56]结合喷射混凝土钻心拉拔试验和ANSYS数值模拟,发现在50、60、77、90 ℃的高地温养护条件下,喷射混凝土与岩板接触面的黏结强度随养护温度升高而降低。此外,范利丹等[48]通过高湿度(相对湿度≥95%)养护条件下的喷射混凝土黏接强度试验表明,在25～40 ℃温度区间内,混凝土黏结强度随养护温度升高而增大;但60 ℃养护条件下的黏结强度相对减小,且随着养护龄期先增大后减小。

对于高地温衬砌结构的受力状况,目前主要通过理论解析计算、数值模拟和现场监测的方法进行研究。刘乃飞等[57]针对布仑口—公格尔水电站引水隧洞支护结构的高地温热害影响,采用解析方法对隧洞围岩和支护结构的温度分布规律和受力特性进行分析。Li等[58]通过理论推导了衬砌结构温度分布计算公式,研究了衬砌结构应力变化和热力学参数对温度分布的影响。邵珠山等[59-60]通过无量纲化和微分方程技术求解方法,得到了高地温圆形隧洞的温度场、位移场及应力场的热弹性理论解;同时结合拉日铁路吉沃希嘎高地温隧道对设置隔热层效果进行数值分析,发现隔热层对径向应力影响较小,但初衬结构轴向应力减小且环向应力增大,而二衬结构轴向应力和环向应力均减小。郭进伟等[61]通过热-结构耦合方式对某高地温引水隧洞进行数值计算,求出了温度场影响下衬砌结构应力值以及温度-内水压力耦合影响下的结构应力值。Liang等[62]根据围岩和衬砌结构热力参数的变化规律,通过数值模拟方法分析了围岩和衬砌结构的温度场和应力场分布特征。Hu等[8]通过数值模拟对桑珠岭高地温隧道工程衬砌结构进行分析,表明初衬结构轴力和弯矩随地温升高而增大,地温为60 ℃时支护结构可能发生受拉破坏,地温为80 ℃时支护结构可能发生受压破坏,其中拱肩和拱脚处失效破坏概率较大。王明年等[63]现场监测分析了高岩温隧道初衬温度场和应力场在施工期间的变化规律和安全性,发现初支的最大拉应力和最大压应力均随着岩温的增大而增大。唐兴华等[29,64]通过建立高地温隧道支护结构热-应力耦合数值模型,结合拉日铁路吉沃希嘎高地温隧道和川藏铁路桑珠岭高地温隧道现场测试,对不同高地温支护结构安全性和支护体系等级进行划分。

3.2 高地温环境下衬砌结构性能优化研究

针对高地温环境衬砌结构的性能优化,王玉锁等[65]通过室内模型试验和数值模拟,分析了不同高地温条件下隔热层对隧道支护体系受力特征及安全性的影响,发现设置隔热层对支护结构内力分布特征、初支和混凝土模筑支护结构内力影响较小,但改善了二衬结构受力,并提高了二衬的最小安全系数。唐兴华[29]通过围岩-隔热层-支护结构数值模型对不同隔热材料和支护体系的隔热效果进行对比,认为硬质聚氨酯材料隔热材料最佳,隔热层厚度不宜超过10 cm,“初衬+隔热层+二衬”的隔热支护体系最优。李书杰[66]通过ANSYS的温度场和应力场耦合对娘涌水电站高地温隧洞衬砌结构的应力和位移进行分析,认为增加衬砌厚度可以减小衬砌结构在高地温条件下的应力变形,但减小幅度有限。Liu等[67]也通过数值模拟方法分析了隔热层对衬砌结构力学性能的改善效果,发现隔热层的改善效果与其厚度呈非线性关系。

4 存在问题与重要研究方向分析

4.1 高温养护水化动力过程的模糊性

水化动力过程是理解高温养护水化机理和分析混凝土性能演化特征的基础,既有水化动力模型一般基于标准养护状态的水化反应研究。高温养护状态下分子热运动加快,材料活性和水化动力参数改变,将会引起水泥水化动力过程的改变。此外,矿物掺合料会使水化反应的同时发生“火山灰反应”,水化产物发生多个“链式反应”,分子结构链式加长,水化反应机制更为复杂。应通过等温量热、化学结合水量、热重分析和数值模拟等方法对不同高温养护条件多元胶凝材料水化反应机制和水化反应动力过程深入研究,建立考虑温度-湿度影响的多元复合胶凝材料水化动力模型,确定水化动力模型参数与材料配合比和养护温度、湿度之间的关系,为不同温度条件下多元复合胶凝材料水化动力过程研究和性能影响机理分析提供理论依据。

4.2 温-湿度条件耦合影响的非线性

在高温养护过程中,混凝土性能演化受温度和湿度的影响显著。对同种混凝土,不同温度-湿度耦合养护环境下混凝土性能的差异较大。既有研究表明,高温低湿环境对混凝土性能具有负效应,但高温高湿环境可能表现为正效应。养护湿度对混凝土性能的影响呈现较明显线性关系,但养护温度的影响为非线性关系,养护温度影响阈值尚不明确,温度和湿度双变量耦合条件下混凝土物理及力学性能的变化规律更为复杂。应针对不同强度等级混凝土,通过正交试验和数值模拟等方法分析不同温度-湿度耦合养护条件下混凝土物理力学指标及其随龄期的变化规律,采用广义线性回归、机器学习、神经网络等方法建立物理力学指标与养护条件和龄期之间的关系模型,为高温养护条件下混凝土材料的应用研究提供参考。

4.3 工程作用领域和性能指标单一性

高地温环境广泛存在于深部矿井、深埋长距离隧道和地热能丰富地区的深地工程结构中,现浇或喷射混凝土在水化初期即面临高温条件和荷载环境。既有高温养护混凝土的研究主要针对深长隧道衬砌混凝土,混凝土强度等级较低,而深部矿井等高强高性能混凝土结构在高温养护环境下性能影响研究相对较少。高强混凝土和普通混凝土的水胶比和密实性差异较大,对高温养护环境的响应不同。深地工程高地温环境养护条件困难,且面临应力场-水力场-温度场等多场耦合复杂荷载条件,其高温养护环境下高强混凝土性能演化规律及优化改性问题亟待研究。同时,对高温养护混凝土物理热工和耐久性能的定量化、系统化研究较少,不利于混凝土在高温养护及长期高地温环境下工作的工程设计及应用。

5 结论

高地温环境是深部矿井和深长隧道等特殊深地工程混凝土结构面临的严峻问题,深度为1 000～3 000 m的深部矿井高地温一般为40～ 80 ℃,400 m以深的深长隧洞高地温一般为40～90 ℃。

在高温养护环境下,胶凝材料活性和水化动力过程发生显著变化,力学性能随龄期的变化规律与普通混凝土差异较大,对衬砌混凝土黏结性能、温度应力、承载能力和破坏状态均产生明显影响。掺加适量的粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料和聚丙烯纤维等纤维材料会改善高温养护混凝土的损伤影响,但改善效果与温度区间、湿度条件和掺量密切相关。

当前,高温养护混凝土水化反应机制不明确、温-湿条件耦合影响的非线性、工程研究领域和性能指标的单一性是高温养护混凝土性能演化表征及优化改性研究存在的主要问题。应加强高温养护条件下混凝土水化动力学模型的研究,建立温-湿度耦合养护条件下混凝土性能预测模型,拓展高温养护混凝土应用领域和强度等级的研究,更全面、系统化地研究混凝土的物理力学和耐久性能,为高地温环境条件深地工程混凝土结构的设计和施工提供指导。