范利丹，徐峰，余永強*，張紀云，孫亮，楊蒙

(1.河南理工大學土木工程學院，焦作 454000；2.河南省地下空間開發(fā)及誘發(fā)災變防治國際聯(lián)合實驗室，焦作 454000)

基于隧道和地下工程開挖深度的不斷增加[1]，研究人員面臨著一個嚴峻的問題——高地溫(又稱高巖溫，通常將環(huán)境溫度超過28 ℃定義為高地溫[2])，引起該現(xiàn)象的熱源主要有地球的火山巖漿集中處的地熱和放射性元素的裂變熱，以及地下熱水等[3-4]。目前多數(shù)地下工程采用噴射混凝土進行襯砌支護，高地溫使得混凝土成型時的微觀結構在均勻性、密實性等方面存在欠缺，并導致其力學性能和耐久性不足。由于混凝土與高溫圍巖直接接觸[5]，持續(xù)的高溫作用，使得熱力學參數(shù)存在差異的巖石與噴射混凝土的接觸面產(chǎn)生應力集中[6]，進而造成混凝土-圍巖的黏結性降低，從而產(chǎn)生裂縫，導致支護效果大大折減。此外，地下工程掘進在經(jīng)過高溫地段時，在缺少工程相關應對措施的情況下，施工往往進展緩慢甚至停滯不前，更甚者還會造成機械設備損壞和人員傷亡[7-10]。

針對高地溫帶來的一系列工程問題，已有專家學者對支護噴射混凝土進行了理論分析和實驗研究，以期為實際工程提供技術指導，從而盡可能減少熱害對工程的影響程度。為此，以地下工程的支護混凝土為研究對象，在總結大量相關文獻資料的基礎上，系統(tǒng)概述了高溫對混凝土的性能影響，以及礦物摻合料、纖維材料、輕質(zhì)多孔材料的加入對混凝土性能的改善效果，并指出了后期的研究重點和亟待解決的關鍵問題。

1 高溫對混凝土性能的作用機理

1.1 水化反應

高溫環(huán)境下，混凝土中的水泥會快速進入水化反應階段[11-12]，在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物，其擴散來不及充分進行[13]，容易使水泥出現(xiàn)假凝和鈣化等不均勻現(xiàn)象，并在短時間內(nèi)膨脹產(chǎn)生應力[14]，如80 ℃養(yǎng)護環(huán)境的水化反應速率較20 ℃提高了5倍，而100 ℃的更是提高了近9倍，水化反應的過快發(fā)生，勢必造成水化產(chǎn)物的高濃度聚集，此時的水化產(chǎn)物不僅比表面積小，而且結晶粗大、分布極不均勻[15]，并且易在水泥顆粒表面快速形成高密度外殼并阻礙游離水的進入和后續(xù)水化反應的進行[16-18]。另有研究指出，由于持續(xù)的高溫將導致部分水泥水化產(chǎn)物脫水[19-20]、密實性下降、黏結強度降低等[21-22]。地下熱水若長期侵蝕混凝土結構，還會造成體系內(nèi)的一些微裂縫不斷擴展，造成更為嚴重的破壞[23]。

1.2 溫度應力

高地溫環(huán)境中，處于支護狀態(tài)下的混凝土緊貼巖石一側接觸高溫并逐漸向外側面?zhèn)鬟f，從而伴隨著整體受熱不均勻化。混凝土在早期水化熱無法及時散出的情況下會使結構內(nèi)部因溫度過高而產(chǎn)生溫度附加應力，加之溫度對水的蒸發(fā)作用和氣體的膨脹作用使得混凝土變形越來越大，拉應力產(chǎn)生并逐漸增大，這是混凝土開裂的又一重要影響因素[13, 15, 24-26]。圍巖內(nèi)溫度場的變化使其產(chǎn)生熱應力，并作為一種附加應力持續(xù)作用于圍巖和噴層[27-28]，致使混凝土產(chǎn)生較多的貫穿微裂隙和裂縫[18]。

1.3 耐久性

高溫致使混凝土在硬化過程中密實度降低，繼而產(chǎn)生抗?jié)B性降低[29]、氯離子侵蝕[30]、堿骨料反應(包括堿-硅酸鹽反應和堿-碳酸鹽反應)等劣化作用[18]。在堿骨料反應和溫度應力的作用下，裂縫的發(fā)展不斷加劇，外界硫酸鹽物質(zhì)易進入混凝土內(nèi)部，硫酸根離子與水化產(chǎn)物反應，生成膨脹性水化產(chǎn)物鈣礬石，產(chǎn)生膨脹應力[14, 31]，促使更多、更大孔隙和裂縫的生成，導致混凝土結構的破壞。另外，高溫作用易促使混凝土后期產(chǎn)生裂縫，并加快碳化[18,29, 32]，且碳化深度會隨著養(yǎng)護齡期的延長而不斷加深[26, 33]，進一步促使混凝土收縮產(chǎn)生裂縫，從而使結構的耐久性降低[34]。高溫還會導致水泥中的石膏溶解度降低，從而使得部分石膏在早期無法與鋁酸三鈣(C3A)反應，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生類似于硫酸鹽侵蝕的膨脹反應效果，晶體的轉變對強度和耐久性越發(fā)不利[31]。溫度升高使水由液相向氣相轉化的趨勢增加并產(chǎn)生熱脹作用，進而對混凝土內(nèi)部空隙、凝膠孔內(nèi)壁產(chǎn)生膨脹作用；在此過程中，液態(tài)水的表面能也會隨之降低，黏性下降，水進一步的汽化與轉移，使得混凝土內(nèi)部更多連通孔隙因此形成[31-32]，從而對耐久性帶來不利影響[33-34]。

2 高地溫對地下混凝土支護結構的影響

2.1 對黏結強度的影響

黏結強度作為混凝土支護結構的基礎條件，其降低勢必會直接削弱混凝土的支護效果。早期的研究認為[17, 35]，混凝土在高溫下隨溫度升高強度增幅較低的主要原因是高溫導致水泥水化程度降低，后期的研究則更多的關注混凝土的力學性能。在相對濕度大于90%的高溫條件下養(yǎng)護混凝土，其早期抗壓強度隨溫度的升高而升高，但40 ℃養(yǎng)護的混凝土28 d強度與20 ℃接近，60 ℃養(yǎng)護的28 d強度已低于20 ℃[36]。利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對試樣的微觀結構進行表征，如圖1[36]所示，20 ℃的養(yǎng)護溫度下，水化產(chǎn)物具有良好整體性和致密性，呈簇狀發(fā)展；當溫度升至40 ℃時，水化產(chǎn)物呈粒狀形態(tài)，顆粒間孔隙增多，接觸面減少；當溫度繼續(xù)升至60 ℃，水化產(chǎn)物結構疏松多孔，呈松散狀，有效聚合度再次降低。對干熱環(huán)境下養(yǎng)護混凝土的研究表明，溫度越高或養(yǎng)護齡期越長，用于水化反應的水分流失越快，混凝土收縮過大導致黏結強度的損失就會越嚴重[21]。分析認為，養(yǎng)護溫度越高，膠凝體厚度越大[37]，包裹在水泥顆粒表面的水化硅酸鈣(C-S-H)膠凝體層的厚度和密度將決定最后的水化程度[16,38]。Tang等[5]研究發(fā)現(xiàn)，25%相對濕度下失去黏結強度的臨界溫度為75 ℃，且該臨界溫度會隨著濕度的升高而升高；當相對濕度控制在90%時，溫度越高，黏結強度越低；當溫度恒定時，黏結強度隨養(yǎng)護濕度的增加而增大，即充足的濕度是高溫環(huán)境下黏結強度的有力保障，而溫度過高，即使環(huán)境濕度充足，黏結強度增幅也會很小，甚至倒縮。

圖1 不同溫度下水化產(chǎn)物SEM圖[36]

巖石與混凝土黏結時，由于彈性模量和熱膨脹系數(shù)等參數(shù)不同，導致溫度變化下的熱變形也不盡相同，使得黏結面處形成強度薄弱區(qū)域，從而容易在接觸面發(fā)生破壞[39]。高濕較低濕養(yǎng)護的混凝土黏結強度高，其原因在于高溫高濕環(huán)境下，混凝土中的毛細水能得到源源不斷的補充，可以促進水化反應的二次進行[40]，進而使得C-S-H膠凝體數(shù)量增加，黏結強度增強；高溫低濕環(huán)境下，C-S-H膠凝體易脫水，而C-S-H膠凝體正是黏結強度的關鍵所在。對50 ℃和90 ℃養(yǎng)護的噴射混凝土黏結面處進行SEM和計算機體層攝影(computed tomography，CT)[41]，對比發(fā)現(xiàn)90 ℃的黏結面處混凝土疏松度明顯高于50 ℃，孔洞數(shù)量更多、孔徑更大、密實度更低，原因在于熱量從較高溫度的巖石傳向較低溫度的混凝土，在此熱量傳遞過程中，熱膨脹效應的作用使得大量生成且來不及擴散開的C-S-H膠凝體包裹在水泥顆粒表面并阻止水分進入進行后續(xù)的水化反應，變得稀松多孔[32]，混凝土內(nèi)毛細孔的擴張形成大量龜裂紋路并逐漸貫通，局部薄弱點可能會造成整體強度的降低，鈣礬石等再水化產(chǎn)物易在微裂紋中生成并發(fā)展[42-43](圖2[43])。研究表明，不同養(yǎng)護溫度不僅會對固相形態(tài)產(chǎn)生影響，還會影響液相組成，尤其是當溫度超過50 ℃時，單硫型硫鋁酸鈣的生成，使粗大的鈣礬石數(shù)量減少且結構變短[37]，對黏結強度的提高產(chǎn)生不利作用，且水化產(chǎn)物更加分布不均勻，結合水含量顯著降低，進一步加劇界面處黏結的劣化程度[44]。

圖2 裂縫中的再水化產(chǎn)物[43]

溫度和濕度在混凝土水化凝結階段的過程中起著極其重要的作用，直接影響著混凝土與圍巖黏結強度的強弱。在一定的濕度環(huán)境中，當溫度不超過某一閾值時，黏結強度隨溫度的升高而增加，超過該溫度閾值，便會產(chǎn)生溫度負效應。混凝土配比和環(huán)境濕度都會影響到產(chǎn)生負效應的溫度閾值，高濕環(huán)境中，充足的水分可以保證混凝土水化反應的有序進行，以提高黏結強度，干燥環(huán)境中的混凝土會出現(xiàn)黏結強度不足甚至開裂脫落現(xiàn)象。

2.2 對力學性能的影響

混凝土拌合后，各材料相互填充，而其中只有液相(水和添加劑)與空氣泡可以擠壓遷移或被壓縮；進入水化反應階段后，水化產(chǎn)物會隨著液相的遷移運動逐漸填充原本液相和氣泡所占據(jù)的空間；高溫會促使更多的液相被反應消耗和擠壓，結構內(nèi)部絕大部分孔隙被水化產(chǎn)物填充；隨著水化反應的持續(xù)進行，孔隙結構與孔徑分布得到細化，有害孔隙占比較小，漿體密實度不斷得到提升，強度也隨之提高。高地溫環(huán)境中，由于水泥基材升溫過快、失水(高溫低濕環(huán)境下)、物理化學收縮、界面溫度不均勻等原因引起的微細觀結構變化十分復雜[16,45-47]，而混凝土的微細觀結構對其宏觀力學性能影響顯著。

混凝土的強度不僅受水化產(chǎn)物的數(shù)量影響，還與水化產(chǎn)物的質(zhì)量、分布以及界面過渡區(qū)的孔隙結構等諸多因素有關，溫度的適度提高可以增加水泥顆粒的反應活性，加快反應速率。在40 ℃以下溫度的干熱環(huán)境中養(yǎng)護，早齡期階段的混凝土的抗壓強度和抗拉強度普遍高于標準養(yǎng)護環(huán)境下的，隨著齡期發(fā)展至7 d，劈裂抗拉強度開始轉為劣勢狀態(tài)，養(yǎng)護齡期延長至28 d時，抗壓強度和劈裂抗拉強度均低于標準養(yǎng)護條件下的強度[48]。在50%的濕度環(huán)境中，養(yǎng)護7 d和28 d的混凝土抗壓強度都隨著溫度的升高呈先上升后下降趨勢，分界點分別為72 ℃和57 ℃[49]。即使高濕度環(huán)境，65 ℃和75 ℃高溫養(yǎng)護下的28 d混凝土強度也接近甚至低于標準養(yǎng)護混凝土，且養(yǎng)護溫度的升高使得混凝土發(fā)展強度低于標準養(yǎng)護混凝土的齡期越發(fā)提前[50]。

研究表明，20～70 ℃時，溫度升高，混凝土自由水蒸發(fā)開始加快，內(nèi)部顯示出孔隙膨脹趨勢[13]；當溫度超過70 ℃，混凝土自由水蒸發(fā)的同時大量結合水也開始受熱蒸發(fā)作用，各組分熱膨脹系數(shù)的差異導致混凝土內(nèi)部不均勻變形越發(fā)嚴重，發(fā)生擠壓和牽引作用形成的結構熱應力，造成原有裂紋的擴展與新裂紋的生成，且噴射混凝土結構承受的應力會隨著線膨脹系數(shù)增大而增大[51]。

高地溫作用下，隧洞圍巖和支護結構在開挖、施噴、打眼支護等階段都會受到圍巖溫度場的影響[52]。利用有限單元法對施工洞室及圍巖進行仿真模擬[53-54]，并施加溫度-應力初始條件和邊界條件，發(fā)現(xiàn)夏季的底板、邊墻和頂拱的最大內(nèi)表溫差各異，從而導致了不同部位不同程度的拉應力和壓應力；且冬季因為氣溫較低，內(nèi)表溫差更為明顯，更容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，較大溫度梯度的產(chǎn)生，容易在襯砌混凝土內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向拉應力[15, 52,55]。以熱力耦合數(shù)值模擬手段[56]，發(fā)現(xiàn)初期襯砌支護結構在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱處的軸力隨圍巖溫度的升高而升高，而拱頂、拱肩、拱腰和邊角處的彎矩值也是如此；溫度越高，支護結構各處拉應力增幅越明顯，50 ℃以后急劇變化甚至破壞，且錨桿軸力和襯砌應力表現(xiàn)極為明顯[52]。

3 高地溫地下工程支護用混凝土研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)混凝土具有自重大、耐久性差、導熱系數(shù)大等缺點，如若應用于高地溫地段，這些劣勢將會被放大，結構的強度和耐久性得不到保證?，F(xiàn)階段，針對高地溫巷道的隔熱問題，主要方法有施作熱幛法、注漿隔熱法以及噴射混凝土隔熱法[57]。其中最為有效且簡單易行的是噴射混凝土隔熱法，其不僅起到隔熱作用，還將對圍巖起到加固支護作用，此方法的關鍵在于兼具隔熱和增強作用噴射混凝土的研制。

3.1 礦物摻合料混凝土

在傳統(tǒng)混凝土的基礎上加入粉煤灰、礦渣、硅灰、沸石粉等礦物摻合料，以其火山灰效應、微集料效應和界面效應，可達到優(yōu)化高溫下混凝土微觀結構的界面過渡區(qū)、改善混凝土力學性能和耐久性的目的。

在養(yǎng)護溫度不超過50 ℃時，礦粉、粉煤灰-硅灰受高溫作用激發(fā)，火山灰活性發(fā)揮較好，早期水化反應程度較常溫養(yǎng)護提高；高細度、無定形的SiO2與Ca(OH)2二次水化反應生成能較好填充混凝土內(nèi)部微小孔隙結構的水化硅酸鈣和鋁酸鈣膠凝產(chǎn)物[40]，并消耗大部分低強度、低穩(wěn)定性且集中在界面過渡區(qū)的Ca(OH)2，使水化產(chǎn)物增多，漿體內(nèi)部孔隙結構不斷得到填充密實；并且粉煤灰和礦渣可填充混凝土內(nèi)孔隙、阻塞泌水通道、切斷侵蝕物質(zhì)侵入的連通路徑，混凝土成型更為密實，從而減小硫酸鹽侵蝕和碳化等[26]，強度和抗氯離子滲透性得到提高[58]。如若養(yǎng)護溫度高于60 ℃或濕度低于50%時，則會因體系中水分不足，無法充分激發(fā)礦物摻合料中的火山灰活性，導致水化產(chǎn)物結構疏松，強度降低，單摻或雙摻粉煤灰與礦渣的混凝土隨溫度升高，抗氯離子和抗?jié)B性能均會降低[32,59]。

粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物摻合料因具有不同粒徑，在復摻情況下可以較好發(fā)揮空間補償?shù)男Ч⑶視a(chǎn)生效應疊加和優(yōu)勢互補的效果，如粉煤灰具有早期活性低的特點，因此其可以保證后期強度的增長，而硅灰的早期活性較高，可以保證體系的早期強度，礦渣則會在水化產(chǎn)物部分生成所造成的堿性環(huán)境下發(fā)揮其水硬活性，摻合料性能取長補短相輔相成，有利于二次水化反應的誘導激活，增加膠凝材料的生成量，提高結構整體強度[60]。

磷渣作為一種礦物材料加入混凝土中，會起到緩凝作用。對含磷渣復合膠凝材料水化機理的研究表明，標準養(yǎng)護條件下磷渣的摻入會延緩膠凝材料的水化反應進程，降低水化反應程度，而隨著溫度升高(溫度界限為60 ℃)，磷渣復合膠凝材料能提高水泥后期水化程度，有效提高結構的密實性和后期強度，溫度再升高其強度將會出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象[61]。

圖3 7 d養(yǎng)護齡期的水化產(chǎn)物SEM圖[63]

高溫下礦物摻合料混凝土性能的相關研究成果，具體如表1[29，64-71]所示。對粉煤灰與礦粉摻合料混凝土高溫下的力學性能等方面研究發(fā)現(xiàn)[72-73]，養(yǎng)護劑(尤其是水玻璃型養(yǎng)護劑)對混凝土強度的影響也非常顯著，原因在于養(yǎng)護劑能較好地鎖住混凝土中的水分，使其水化反應得以充分進行，且對混凝土的抗氯離子滲透性能和抗碳化性能的提高具有顯著效果。

表1 高溫下礦物摻合料混凝土性能

混凝土在其早期強度發(fā)展階段，存在一個最佳溫度使其強度在設計齡期內(nèi)達到最大值[60]。對于普通水泥或改性水泥，達到其較高強度的最佳溫度為13 ℃，而快硬水泥的最佳溫度僅為4 ℃，但是對摻入粉煤灰的混凝土而言，可獲得40 ℃、200 d水養(yǎng)環(huán)境下的較高強度，也可獲得60 ℃水養(yǎng)環(huán)境下的28 d齡期的較高強度；而若想在更短齡期獲得更高強度，就需采取更高溫度的水養(yǎng)環(huán)境，但此時的養(yǎng)護齡期與水養(yǎng)溫度也并非是可以無限縮短或提高。

在高地溫環(huán)境中，持續(xù)的高溫作用會使混凝土力學性能和耐久性受損，而加入礦物摻合料可以通過減緩混凝土前期水化速度，使水化反應充分進行以獲得更為致密的水化產(chǎn)物，從而形成更為均勻的內(nèi)部結構來改善。尤其在不超過50 ℃的養(yǎng)護環(huán)境中，礦物摻合料混凝土的各項性能指標一般會隨溫度的升高呈增長趨勢。因此，加入礦物摻合料是提高高溫環(huán)境中混凝土性能的重要措施[74-75]。

3.2 輕質(zhì)混凝土

熱力學第二定律表明熱量的傳遞是從高溫物體(固相、液相)向低溫物體進行，當傳遞路徑一直為固相無其他介質(zhì)時，傳熱路徑短、傳遞速度快，熱量散失就會少；而一旦遇到空氣泡時，由于空氣的傳熱阻力較大，導熱性較差，傳遞路徑變長，使得部分熱能轉化為氣體內(nèi)能，加熱的氣體又與氣泡壁發(fā)生對流換熱和輻射換熱，就會導致熱量在較多氣泡的傳遞過程中散失，甚至逐級遞減[74-75]。輕質(zhì)混凝土多用作保溫隔熱材料，正是利用多孔材料的上述傳熱特性所發(fā)揮的隔熱性能。

近年來，學者們將輕質(zhì)混凝土應用拓展至巷道隔熱支護領域。陶粒、玻化微珠等作為輕質(zhì)材料，其內(nèi)部多孔，具有良好的保溫隔熱效果[76-77]，耐火極限遠超普通混凝土材料。此外，相較于普通混凝土，輕質(zhì)混凝土具有密度小、比強度高[78]、優(yōu)良的抗震性和抗裂性[79-80]以及與基材黏結牢固的特點。在室內(nèi)模擬濕熱地下的工程環(huán)境時發(fā)現(xiàn)[36]，60 ℃養(yǎng)護的陶?；炷料噍^于40 ℃和20 ℃，其微觀結構孔隙率升高，孔徑增大，以致混凝土的強度、抗?jié)B性和抗氯離子侵蝕等性能均有所降低，但其保溫隔熱性能良好，且強度基本滿足工程所需。

在高地溫巷道支護工程中，一方面要求混凝土具有較高強度，另一方面要求其具有隔熱的多孔結構，因此，在制備輕質(zhì)隔熱混凝土時，采取最優(yōu)化的配合比，不僅能夠使膠凝材料水化反應充分，同時還能優(yōu)化界面過渡區(qū)結構，從而在保證混凝土較小導熱系數(shù)的同時，增加結構的均勻度和整體性，最大限度提高輕質(zhì)混凝土的強度，降低有害孔隙對強度的弱化效果。針對上述情形，采取質(zhì)量取代法，用陶粒代替粗骨料(取代率分別為30%、50%和70%)，用?；⒅榇娌糠旨毠橇希古渲频幕炷敛粌H具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，還具有保溫隔熱效果：養(yǎng)護60 d的導熱系數(shù)為0.23～0.32 W/(m·K)，明顯低于普通混凝土的1.71 W/(m·K)，且抗壓強度在14.60～26.90 MPa；當嚴格控制陶粒粒徑和砂率的關系時，還能提高混凝土的力學性能[81]。同樣，采用陶粒部分取代粗骨料來彌補輕粗骨料帶來的強度不足缺陷，測得不同配比下試件的抗壓強度為16.3～27.9 MPa，抗拉強度為1.24～1.72 MPa，導熱系數(shù)為0.185 2～0.248 2 W/(m·K)，各性能均滿足深井巷道的隔熱支護要求；該研究最佳配比的陶粒粒徑為5～10 mm，陶粒取代粗骨料質(zhì)量的40%，?；⒅闉榛炷馏w積的120%，粉煤灰取代水泥質(zhì)量的20%[82]。

為研究陶粒在噴射混凝土組成材料上對混凝土的力學性能和隔熱性能等方面的影響權重，在混凝土中加入陶粒、玻化微珠以及秸稈纖維等隔熱材料[83]，以正交試驗為基礎，結合灰色關聯(lián)度分析和層次分析方法得出陶粒在混凝土力學性能和導熱性能方面起到主控作用，占比分別高達63.3%和59.99%，力學方面的影響主要在于陶粒的“吸水-返水”功能[84]。在對陶粒和玻化微珠等材料隔熱和力學性能研究的同時，利用ANSYS有限元軟件分析發(fā)現(xiàn)[85]，噴層的導熱系數(shù)較其噴設厚度敏感度高，故在高地溫地段施工時，宜優(yōu)先考慮導熱系數(shù)低的材料，而非是厚度大的支護體系；在巷道支護方面，還提出了“礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌”主動隔熱降溫的新型支護結構和方法，即利用網(wǎng)殼錨噴起到強力支護效果，利用隔熱混凝土起到主動降溫目的，在巷道溫度長期保持在27 ℃、壁面溫度超過27.5 ℃的掘進工作面該隔熱結構的效果明顯，壁面溫度平均下降2 ℃。

以?；⒅闉橹饕魺峄腫86]，其摻入量的增加使得水泥砂漿的力學性能、軟化系數(shù)及導熱系數(shù)均降低；而當水泥摻入量增加，且保持玻化微珠與水泥摻量比值不變時，各項指標均會提升，研究得出配合比為水泥∶砂子∶水=1∶3∶1.2，且?；⒅榈膿搅繛樗噘|(zhì)量的50%時，所制得的隔熱材料的各項性能指標達到最優(yōu)。將其應用于巷道支護的“注漿隔熱”與“噴漿隔熱”新型材料，通過對該隔熱方案的結構力學性能和穩(wěn)定性進行理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)2 000 m巷道的風流溫度平均降幅約3 ℃，隔熱效果和支護效果、以及經(jīng)濟效益顯著[75]。

基于多孔材料的研究，文獻[74]研究發(fā)現(xiàn)，蛭石砂漿內(nèi)存在大量空氣泡，在攪拌時易引入空氣從而在水化產(chǎn)物與蛭石顆粒之間形成空氣夾層，熱量必須經(jīng)過“水化產(chǎn)物—空氣夾層—蛭石—空氣夾層—水化產(chǎn)物”這一復雜的路徑進行傳遞，氣體夾層與蛭石表面經(jīng)過多道對流換熱路徑而消耗大量熱能，從而起到較好的阻熱隔熱目的；當在石門表面噴射含有單向?qū)岬尿问皾{，且噴層厚度為6 cm時，可達到最佳隔熱效果。有研究采用蛭石等材料制成導熱系數(shù)約為0.37 W/(m·K)的隔熱材料，并在強度和導熱系數(shù)無法同時滿足需求時，提出阻熱圈的隔熱思路[87-88]，即噴射混凝土-松動圈注隔熱材料-噴射隔熱層-噴射混凝土，其思想在于將噴漿與注漿、噴隔熱材料與注隔熱材料有機結合，從而使巷道的隔熱層與松動圈形成一個大的隔熱支護體系，該體系可使巷道全服務周期內(nèi)的熱量減排29%～40%。

3.3 纖維混凝土

纖維材料應用于混凝土中可有效改善混凝土脆性大、易開裂等結構缺陷。在混凝土裂縫產(chǎn)生初期、應力重新分布的情況下，原本的應力將有一部分由纖維來承擔，而纖維材料也會將小部分應力傳遞至遠處未開裂的混凝土硬化體上，將較大應力細小化(讓壓能力)，避免應力集中部位產(chǎn)生較大裂紋[89]；若裂縫處纖維越多，形成的網(wǎng)狀越牢固，所承受的應力就會越分散，從而延長裂縫擴展時間，大大提高混凝土延性，并優(yōu)化混凝土與圍巖的界面性質(zhì)，提高界面黏結強度[90]。基于鋼纖維與混凝土之間較好的黏結力、摩擦力和機械咬合力等作用，70 ℃濕熱環(huán)境下鋼纖維的摻入對混凝土的黏結強度起到一定的提升作用[64]；70 ℃干熱養(yǎng)護環(huán)境中玄武巖纖維加入亦可增強混凝土強度并抑制其開裂[90]。另外，纖維材料的形態(tài)對混凝土的力學性能也會產(chǎn)生重要影響[47]：100 ℃的干熱環(huán)境下?lián)饺氩ɡ诵武摾w維，混凝土的1、7、28 d的抗壓強度相對于不加纖維的混凝土分別提高了17.2%、37.5%和119.4%，而加入端鉤形鋼纖維的抗壓強度則分別提高了88.5%、72.6%和110.6%，且波浪形鋼纖維和端鉤鋼纖維混凝土總的孔隙率分別下降了60.1%和54.6%，大大降低了混凝土的破壞風險。

當混凝土中摻入一定纖維材料時，由于纖維的間斷性，使熱量的傳遞不能形成連續(xù)通路，即相當于產(chǎn)生界面裂隙，而界面裂隙可對熱量的傳遞起到削弱效果。另外，對于鋼纖維，由于其自身的高導熱性，使混凝土內(nèi)部溫度迅速達到均勻狀態(tài)，從而可以減少溫度梯度引起的內(nèi)應力，減少內(nèi)部損傷[46]。總體而言，纖維材料對熱量的阻隔效果并不十分理想，而混凝土中加入纖維材料的主要目的是發(fā)揮其增強、增韌和阻裂等特性，因此，目前的研究中，多數(shù)情況是將纖維材料與上述礦物摻合料或輕質(zhì)多孔材料相結合，從而發(fā)揮各自的優(yōu)良性能，有效降低強度損失，達到穩(wěn)定支護的同時對熱量也起到一定阻隔作用。研究發(fā)現(xiàn)，當鋼纖維、聚丙烯纖維、?；⒅?種材料同時摻入混凝土中時，濕熱環(huán)境下溫度由20 ℃升至70 ℃，再升至120 ℃的過程中，混凝土強度呈降低趨勢；相對于鋼纖維混凝土，因鋼纖維和聚丙烯纖維的同時存在，使得混凝土和易性降低，從而導致強度稍有降低，但仍能夠滿足巷道支護要求[13]；在作用機理方面[91]，?；⒅槠鸬浇档突炷恋臏囟让舾行院蜏囟葌鬟f引起的內(nèi)部損傷效果，而纖維材料可以為混凝土提供水平拉應力，如變形初期，鋼纖維將承擔大部分荷載，屈服階段及后期將由聚丙烯纖維承擔大部分荷載。三種材料共同作用，有效抑制混凝土中裂紋的發(fā)展，減少孔隙率，大大削弱高溫引起的強度損失。

4 高地溫地下支護試驗模擬

一般情況下，高地溫可分為“高溫高濕”和“高溫低濕”，在探究高地溫問題時，由于實際工程環(huán)境較為復雜，研究人員需從不同角度來考慮各種因素的影響，因此，在進行室內(nèi)模擬試驗時，試驗設計的好壞往往對研究過程及結果起到關鍵作用。

在研究干熱環(huán)境對噴射混凝土與巖石黏結強度的影響時[21]，選取35、50、70 ℃干熱養(yǎng)護工況，并以標準養(yǎng)護作為對照組。設計標準養(yǎng)護條件時，先將巖石板在常溫干燥處放置，待噴上混凝土后移入標準養(yǎng)護環(huán)境進行齡期為7 d和28 d的養(yǎng)護；其余工況是將巖石板在烘箱中加熱至指定溫度并保溫2 h后取出，待混凝土噴射完畢2 h后置于特定溫度的烘箱中養(yǎng)護7 d和28 d?？紤]到因加載偏心而引起的對黏結面的撕裂破壞導致的對黏結強度測定的不利影響，在原拉拔設備的基礎上增設拉拔試件與拉拔設備之間的可活動鉸接，對原鉆芯拉拔法進行了改進，使拉拔強度結果更為可靠。為模擬隧洞不同工況下的溫濕度環(huán)境，開發(fā)了的溫濕度控制系統(tǒng)[5, 92]，可通過加熱裝置來加熱巖石使其達到所需環(huán)境條件，并在高溫下進行噴射混凝土作業(yè)，盡可能保證試驗條件與實際工程條件的相似度(圖4[5])。高溫圍巖開挖暴露后，風的作用將會使圍巖表面溫度降低，為使養(yǎng)護環(huán)境最大限度接近實際工況，后又增設通風系統(tǒng)，該舉措遵循巷道通風需求，加速水分循環(huán)[39]。

圖4 室內(nèi)溫度與濕度控制系統(tǒng)[5]

5 結論

地下工程支護是保證地下工程安全施工及運營的關鍵技術措施，對于高地溫地下支護工程，熱害問題會導致支護結構損傷和支護材料性能劣化。摻有礦物摻合料、輕質(zhì)多孔材料和纖維材料的新型隔熱混凝土，由于其在高溫下的較低導熱率和較好力學性能，已被應用于隧洞和巷道的隔熱支護體系中。通過對目前高地熱地下工程支護材料研究現(xiàn)狀的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，支護材料的支護效果與隔熱作用彼此間存在一定矛盾性，且在研究實施時要緊密結合工程的實際情況和現(xiàn)實需求，得出如下結論。

(1)地下工程中的圍巖，因其類型和礦物組成的不同，在比熱、熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)等熱學性能方面存在差異，在高溫下產(chǎn)生的熱變形及溫度應力各不相同，從而影響到與支護材料的黏結性能。另一方面，對于巖石界面粗糙度，因其影響界面處的摩擦力與嚙合力等，對巖石-支護材料界面的黏結強度和斷裂強度有重要影響，但是目前的試驗研究鮮有涉及。因此，在深入研究高地溫地下工程支護材料時，不同類型的巖石以及巖石的界面粗糙度可作為影響支護性能的因素加以考慮。

(2)隧(巷)道的支護工序緊跟著工作面的開挖不斷推進，因此支護材料會首先暴露于與初始巖溫接近的高溫環(huán)境下，隨著開挖的持續(xù)進行以及各種通風降溫措施的實施，圍巖體及支護材料表面溫度大幅降低，直至降到比環(huán)境溫度略高，即支護材料處于時間上的不均勻溫度場中。因此，有必要探索圍巖和支護材料在溫度和時間共同影響作用下的力學行為變化規(guī)律，以便更好地對其進行控制和應用。

(3)近年來對隧道的安全性要求越來越高，《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)規(guī)定，高速鐵路隧道主體結構設計使用年限為100年。隧道結構所處的環(huán)境、結構材料本身都會影響到耐久性，如何保證支護材料性能在較長服務期內(nèi)不退化、不劣化，也是需要關注的重點，因此有必要開展支護材料的耐久性研究。

(4)現(xiàn)階段高地溫地下工程支護材料的研究開發(fā)，大多是在材料中引入多孔隔熱組分，但在提高材料隔熱性能的同時往往會降低其力學性能，因此研發(fā)一類兼具多種優(yōu)良特性的新型支護材料，如兼具良好力學性能、耐高溫、隔熱效果好、耐久性好，且綠色環(huán)保的地質(zhì)聚合物材料[93-95]，對其進行系統(tǒng)研究和性能調(diào)配，使其適用于高地溫地下支護工程，是值得學術界和工程界關注的焦點。