元強(qiáng) 彭茂慶 李岳林 張?zhí)K輝 姚灝

1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙410075；3.魯汶大學(xué)土木工程系，比利時(shí)西佛蘭德布魯日8200

隨著我國大量的鐵路、公路、水電工程、跨流域引水工程等基礎(chǔ)設(shè)施逐漸向地形、地質(zhì)復(fù)雜的地區(qū)延伸，深埋隧道或隧洞成為必不可少的結(jié)構(gòu)類型。針對地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺鐵路、公路，修建隧道可以有效地縮短線路里程，提高運(yùn)輸效率，具有不可替代的優(yōu)勢。地殼恒溫層以下埋深每下降1 km，溫度大約升高3℃。當(dāng)隧道或隧洞埋深過大，工人施工作業(yè)時(shí)硐室環(huán)境溫度超過28℃，影響其施工、健康和安全，這類隧道或隧洞稱為高地?zé)崴淼阑蛩矶矗?-2］。高地?zé)嶂饕侵父邘r溫和高水溫，由地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿、地下水活動(dòng)等引起。高巖溫隧道或隧洞濕度較低，稱為干熱型隧道或隧洞，一般出現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造良好處，地質(zhì)層的內(nèi)熱通過巖石傳遞到隧道表面，使隧道內(nèi)部表面圍巖壁溫度較高［3-5］。例如，新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞巖壁溫度最高達(dá)100℃［6］。高水溫隧道或隧洞稱為濕熱型隧道或隧洞，通常出現(xiàn)在斷裂破碎、斷裂轉(zhuǎn)折復(fù)合及巖石破碎地段，裂隙發(fā)育程度高，地下熱水容易富集，形成溫泉［3-5］。例如，在高黎貢山隧道，地下水溫最高達(dá)102℃；連接阿根廷和智利的一條穿過安第斯山脈的公路隧道，水溫有70℃［7］。世界上已經(jīng)修建成功的部分高地?zé)崴淼酪姳?［3］。

表1 高地?zé)崴淼阑蛩矶窗咐?/p>

隧道開挖后，為控制圍巖應(yīng)力釋放和變形，提高結(jié)構(gòu)安全性，方便施工，須使用噴射混凝土。然而，高地?zé)岘h(huán)境影響噴射混凝土的力學(xué)性能、水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全，本文對此予以系統(tǒng)地總結(jié)分析。

1 噴射混凝土及高地?zé)岬挠绊?/h2>

噴射混凝土是用于礦山開挖、巷道支護(hù)及邊坡加固的一種特殊混凝土，能對粗糙圍巖表面或結(jié)構(gòu)修補(bǔ)面產(chǎn)生良好的附著力，在速凝劑作用下快速硬化并與曲面圍巖形成薄壁或不規(guī)則的一體化結(jié)構(gòu)，控制圍巖松弛變形［8］。噴射混凝土不是材料獨(dú)特的混凝土，而是原材料與普通混凝土基本一致，施工方式特殊的一種混凝土，須借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣或其他動(dòng)力，將按一定比例配合的拌和料，通過管道輸送并高速噴射到作業(yè)面上［9］。噴射混凝土具有彈性好、使用方便、無須鋪設(shè)模板等特點(diǎn)，有助于抵抗不良地質(zhì)條件下的變形或塌方，防止圍巖氧化劣化，增強(qiáng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力，顯著提高隧道的穩(wěn)定性，作為主要的支護(hù)方法已廣泛應(yīng)用于深埋隧道和引水發(fā)電隧洞。

施工過程中隧道內(nèi)的地?zé)釙?huì)對工程造成高溫破壞，嚴(yán)重影響施工安全和工程質(zhì)量。隧道建設(shè)過程中高地?zé)岘h(huán)境的不利影響可概括為以下三個(gè)方面［10-13］：

1）高地?zé)岘h(huán)境對施工的影響。高地?zé)岘h(huán)境導(dǎo)致工人的工作效率降低；還導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境惡化，降低其使用效率，增加故障率和施工難度，而且可能延誤施工進(jìn)度，甚至導(dǎo)致超出項(xiàng)目預(yù)算。

2）高地?zé)岘h(huán)境對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。隧道巖壁溫度高，開挖后巖壁和硐室之間溫差較大，混凝土內(nèi)部溫度場梯度分布導(dǎo)致溫度應(yīng)力，極易造成混凝土的開裂，同時(shí)高地?zé)岘h(huán)境也影響噴混凝土與隧道巖壁的黏結(jié)性能，導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3）高地?zé)岘h(huán)境對材料的影響。高地?zé)岘h(huán)境引起噴射混凝土的早期水化反應(yīng)速率提高，水化產(chǎn)物分布不均勻，導(dǎo)致噴射混凝土有害孔隙率增加，孔徑增大，內(nèi)部密實(shí)性降低，影響噴射混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。同時(shí)，水化產(chǎn)物的組成、形貌和數(shù)量也發(fā)生較大改變。

2 高地?zé)釋λ淼绹娚浠炷翉?qiáng)度的影響

Gidion等［14］對不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土強(qiáng)度發(fā)展特性的研究表明，隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高混凝土早期強(qiáng)度會(huì)逐漸提高，但隨著齡期的增加混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢。李向輝等［15］研究得出，高溫會(huì)加快混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，也能在短期內(nèi)提高混凝土的早期強(qiáng)度。Wang等［16］研究不同養(yǎng)護(hù)溫度和濕度下混凝土強(qiáng)度發(fā)展特性發(fā)現(xiàn)，對比40℃和60℃，在相同濕度時(shí)80℃養(yǎng)護(hù)條件下試件的28 d抗壓強(qiáng)度最低。Lee等［17］研究了不同水溫對噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的齡期時(shí)40℃水溫比30℃水溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度高，且28 d后抗壓強(qiáng)度相差更大。

干熱環(huán)境下，噴射混凝土有明顯的收縮現(xiàn)象，影響其強(qiáng)度，但是噴射混凝土的早期（1 d）抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均顯著提高。高溫可以促進(jìn)水泥的水化，生產(chǎn)大量水化產(chǎn)物填充孔隙。此外，早期混凝土中的水分沒有因?yàn)楦邷卮罅空舭l(fā)，足以滿足水泥水化的需求，從而提高混凝土的早期強(qiáng)度。然而，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土內(nèi)部孔隙率提高，并且混凝土內(nèi)部水分丟失引起干燥收縮產(chǎn)生微裂縫，影響水泥的水化，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高呈下降趨勢［3，18-20］，見圖1［3］。可知，抗壓強(qiáng)度從20℃的11.74 MPa到40℃的17.00 MPa，提高了45%，劈裂抗拉強(qiáng)度比20℃提高了17%；28 d時(shí)，20℃噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度相比100℃，從26.20 MPa降低至11.30 MPa，降低了約57%，劈裂抗拉強(qiáng)度比100℃降低了58%。

圖1 噴射混凝土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系

水對混凝土性能的發(fā)展是至關(guān)重要的。水與水泥反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物通常溶解在水中并向固體顆粒運(yùn)動(dòng)，沉淀在固體顆粒表面，在這個(gè)過程中水不僅是反應(yīng)物之一，還是運(yùn)輸水化產(chǎn)物的一種媒介。在混凝土內(nèi)部的水會(huì)形成一個(gè)相互連接的多孔網(wǎng)絡(luò)，有彎月面形成，水被消耗時(shí)導(dǎo)致沒能填滿網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生整體微觀結(jié)構(gòu)的非致密性和不均勻性，嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能和耐久性能［16，21-22］。

不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖2［23］。可知：①20℃和40℃養(yǎng)護(hù)溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有顯著的差異，但60℃養(yǎng)護(hù)溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度差異顯著，特別是28 d齡期時(shí)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度僅為普通混凝土的78.5%；②在濕熱環(huán)境下噴射混凝土早期（1 d）抗壓強(qiáng)度顯著提高，40℃時(shí)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度比20℃時(shí)提高了51%。但是，噴射混凝土在后期表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度損失，抗壓強(qiáng)度從20℃的26.0 MPa降低到60℃的16.2 MPa，降低了約38%。這是由于濕熱的地質(zhì)環(huán)境容易導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，并且地?zé)崴刂芽p擴(kuò)散，會(huì)造成更深的破壞，降低襯砌結(jié)構(gòu)與巖石之間的黏結(jié)力。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土的抗壓強(qiáng)度

高地?zé)岘h(huán)境對噴射混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［3，24］：

1）隨著齡期的增加，混凝土中的水分不斷蒸發(fā)，由于后期失水，水泥水化不足甚至停止。

2）混凝土的內(nèi)部溫度梯度和嚴(yán)重失水將導(dǎo)致較大的溫度應(yīng)力和收縮變形，在混凝土內(nèi)部易形成微裂紋引起混凝土微觀結(jié)構(gòu)惡化。

3）高溫使水化速度加快，水化產(chǎn)物沉積在水泥顆粒表面形成致密的保護(hù)殼，阻礙外部水分子進(jìn)入與水泥顆粒反應(yīng)。

4）過高的溫度引起水化產(chǎn)物熱運(yùn)動(dòng)加劇、沉淀速率加快，使得大部分水化產(chǎn)物容易沉積在較大顆粒附近，導(dǎo)致水化產(chǎn)物高度集中。

3 高地?zé)釋λ淼绹娚浠炷量捉Y(jié)構(gòu)的影響

通常，采用壓汞法表征水泥基材料孔結(jié)構(gòu)形態(tài)的參數(shù)通常有比表面積、孔徑分布、孔隙率、平均孔徑、最可幾孔徑、臨界孔徑等。根據(jù)孔直徑d的大小，常把孔分成4種形式。通常有2種分法：

1）無害孔（d＜20 nm）；少害孔（20 nm≤d＜50 nm）；有害孔（50 nm≤d≤200 nm）；有損害孔（d＞200 nm）。

2）凝膠孔（d＜10 nm）；過渡孔（10 nm≤d＜100 nm）；毛細(xì)孔（100 nm≤d≤1 000 nm）；大孔（d＞1 000 nm）。

噴射混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)受到溫度的影響，這種影響與溫度成正比，溫度越高，對噴射混凝土內(nèi)部孔隙影響越大，而噴射混凝土的內(nèi)部孔隙分布則直接影響噴射混凝土的性能。Fan等［23］研究表明：20℃養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土中有一定數(shù)量的孔是無害孔，40℃和60℃養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土中有害孔較少；在60℃以上養(yǎng)護(hù)溫度下噴射混凝土強(qiáng)度的發(fā)展低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度下的強(qiáng)度發(fā)展主要?dú)w因于早期形成的內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)。Pichler等［25］發(fā)現(xiàn)溫度從15℃升高到70℃，混凝土伴隨著從凝膠孔到毛細(xì)孔的變化。Zhang等［26］研究了砂漿的孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)50℃養(yǎng)護(hù)硬化漿體的早期總孔隙率低，直徑50～100 nm孔的數(shù)量少，初期50℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境可以降低硬化漿體的孔隙率，改善其孔結(jié)構(gòu)。

28 d齡期時(shí)不同孔的孔隙率隨溫度的變化曲線見圖3?？芍孩匐S著溫度的升高，普通漿體的總孔隙率呈下降趨勢，噴射混凝土的總孔隙率呈上升趨勢。這可能是由于添加速凝劑后噴射混凝土漿體變黏稠，影響噴射混凝土試件的成型，導(dǎo)致大孔數(shù)量的增加。②普通混凝土和噴射混凝土的毛細(xì)孔隙率、凝膠孔隙率變化趨勢相同，毛細(xì)孔隙率隨著溫度升高而增大，凝膠孔隙率則降低。

圖3 28 d齡期孔隙率隨溫度的變化曲線

溫度過高，初始較快的水化速率導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均，由于水化產(chǎn)物沒有足夠的時(shí)間和空間從水泥顆粒中分離并均勻地沉淀到孔隙中，水化產(chǎn)物高度集中，使噴射混凝土毛細(xì)孔隙率增加，凝膠孔隙率減少。

4 高地?zé)釋λ淼绹娚浠炷了a(chǎn)物的影響

養(yǎng)護(hù)溫度不僅會(huì)引起噴射混凝土水化產(chǎn)物形貌的變化，還會(huì)影響其物相組成。Richardson［28］對比水泥凈漿20℃和80℃下獲得的水化硅酸鈣（C-S-H）顆粒大小，發(fā)現(xiàn)80℃養(yǎng)護(hù)的C-S-H顆粒的大小約為20℃下形成的顆粒大小的1/2。Wang等［29］研究在0～80℃養(yǎng)護(hù)條件下水泥水化過程中溫度對水化產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度對水化產(chǎn)物種類沒有影響，但會(huì)影響其水化產(chǎn)物的數(shù)量，20℃養(yǎng)護(hù)溫度下高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）數(shù)量最多，40℃養(yǎng)護(hù)條件下低硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）數(shù)量最多，而在80℃下，AFt和AFm數(shù)量顯著減少。Xu等［30］對0、10、20、40℃養(yǎng)護(hù)溫度下水泥漿體的水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)導(dǎo)致AFt的物相轉(zhuǎn)變，其中，在40℃下的水泥石中發(fā)現(xiàn)了C2ASH8和Al（OH）3。

在普通硅酸鹽水泥漿體中，溫度較高時(shí)針棒狀的AFt明顯較小，40℃時(shí)長度小于等于1μm，但是在5℃水泥漿體的樣品中，長度為2～4μm的針棒狀A(yù)Ft非常明顯，可能較低溫度下適宜AFt緩慢形成，促進(jìn)形成較大晶體［31］，如圖4所示。

圖4 水化90 d漿體微觀結(jié)構(gòu)形貌

噴射混凝土水化90 d的水化產(chǎn)物微觀形貌如圖5所示［32］?？芍?，在20℃養(yǎng)護(hù)下，AFt的形貌為徑向針狀，寬度為1.0～2.9μm。養(yǎng)護(hù)溫度大于60℃時(shí)，AFt的微觀形貌已經(jīng)由徑向針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的針狀，60°C時(shí)寬度為0.305～0.561μm，70°C時(shí)寬度為0.151～0.390μm。隨著溫度的升高，噴射混凝土漿體和普通混凝土漿體中AFt的形貌都發(fā)生變化，AFt將隨著溫度的升高而變小。

圖5 噴射混凝土水化產(chǎn)物微觀形貌

混凝土漿體的X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）圖譜見圖6。X射線掃描角度2θ=8.8°～9.4°。可知：①在普通混凝土漿體中，養(yǎng)護(hù)溫度的升高會(huì)引起AFt的數(shù)量減少，20℃時(shí)AFt衍射峰強(qiáng)度很強(qiáng)，而70℃時(shí)衍射峰強(qiáng)度卻很弱，甚至消失［33］；②在噴射混凝土漿體中隨著溫度的升高，AFt并沒有消失，但是在70℃時(shí)噴射混凝土漿體中AFt衍射峰強(qiáng)度比20℃時(shí)AFt衍射峰強(qiáng)度弱。

圖6 XRD圖譜

AFt在高于60℃的環(huán)境下是不穩(wěn)定的，而且部分AFt會(huì)轉(zhuǎn)化形成AFm。另一方面，AFt在其最大水化狀態(tài)或接近其最大水化狀態(tài)時(shí)含有32個(gè)H2O分子，這些分子是可以結(jié)晶的，可以被X射線捕獲。隨著溫度的升高，AFt中的H2O分子逐漸消失，當(dāng)其含量降至每個(gè)單位分子式小于30個(gè)H2O分子時(shí)，結(jié)晶度逐漸減弱，在結(jié)晶度損失過程中，雖然晶胞參數(shù)變化不大（±0.1%），但在X射線反射測試中卻很難被發(fā)現(xiàn)［32-33］。

5 問題及建議

目前，關(guān)于高地?zé)岘h(huán)境對噴射混凝土性能影響規(guī)律的研究尚不多見，針對高地?zé)崴淼绹娚浠炷恋难芯恐饕杏谀M地?zé)岘h(huán)境的溫度，通過對整個(gè)混凝土試件養(yǎng)護(hù)，研究溫度對噴射混凝土性能的影響。但是，這并沒有正確地揭示高地?zé)崴淼缹娚浠炷劣绊懙谋举|(zhì)，其潛在影響機(jī)理可能是襯砌兩側(cè)溫度差異和溫度梯度，導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能的不均勻分布，引起混凝土的開裂以及性能劣化。

噴射混凝土與圍巖壁直接接觸，并未全部暴露于硐室環(huán)境內(nèi)，只有噴射混凝土外壁與硐室接觸，且當(dāng)隧道沒有貫通前，隧道內(nèi)可以近似看作相對封閉的環(huán)境。因此，噴射混凝土的受熱情況主要是：在縱向上由圍巖壁作為高溫?zé)嵩?，與溫度較低的混凝土間發(fā)生一維熱傳導(dǎo)。

6 結(jié)論

高地?zé)釋娚浠炷翉?qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：①隨著齡期的增加，混凝土中的水分不斷蒸發(fā)。由于后期失水，水泥水化不足甚至停止；②混凝土的快速升溫和失水會(huì)引起較大的收縮和變形，混凝土微觀結(jié)構(gòu)惡化，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低；③高溫使水化速度加快，水泥顆粒表面形成致密的C-S-H殼層，防止水進(jìn)入，形成早期高溫養(yǎng)護(hù)條件，不利于后期強(qiáng)度的發(fā)展；④過高的溫度，引起水化產(chǎn)物熱運(yùn)動(dòng)加劇、沉淀速率加快，使得大部分水化產(chǎn)物容易沉積在較大顆粒附近，導(dǎo)致水化產(chǎn)物高度集中。

高地?zé)釋娚浠炷恋目紫督Y(jié)構(gòu)有顯著的影響。溫度過高，水化產(chǎn)物高度集中，使噴射混凝土毛細(xì)孔隙率增加，凝膠孔隙率減少。AFt在高于60℃的環(huán)境下是不穩(wěn)定的，而且部分AFt會(huì)轉(zhuǎn)化形成AFm，并且隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，AFt逐步變小。