宿輝， 孫熇遠， 劉世偉*， 胡寶文， 尹文強

(1.河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056006； 2.河北工程大學水利水電學院， 邯鄲 056006； 3.山東泰安抽水蓄能電站有限責任公司， 泰安 271000)

隨著中國深部地下空間開發(fā)戰(zhàn)略的逐步全面實施，深部巖土工程的賦存環(huán)境趨向復雜化，以中國西部高地溫環(huán)境下的巖土工程建設最具代表性[1]。噴射混凝土襯砌是深部隧洞的主要支護結(jié)構形式[2]。高地溫環(huán)境易引發(fā)結(jié)構與圍巖強度弱化，致使地下工程災害事故頻發(fā)[3]，尤其是高地溫誘發(fā)混凝土襯砌損傷與支護結(jié)構自身強度及穩(wěn)定性之間的矛盾日趨加劇。因此，有必要針對高地溫混凝土的損傷特征及其影響開展更加深入研究。

中外學者已對此開展了諸多研究并取得大量成果。陳偉強等[4]基于聲發(fā)射技術針對不同溫度水平作用后的混凝土損傷開展了研究；苗生龍等[5]發(fā)現(xiàn)溫度升高將導致混凝土的質(zhì)量損失增加，抗拉和抗壓強度降低，預示著溫度的升高誘發(fā)混凝土的損傷程度加??；劉志勇等[6]和鄭丹等[7]通過超聲波速對不同溫度條件下的混凝土損傷開展了實驗研究，結(jié)果表明超聲波波速能夠反映混凝土材料的損傷程度；趙燕茹等[8]基于數(shù)字圖像相關法，定義了損傷因子表征量，研究了不同溫度時混凝土的損傷程度；杜紅秀等[9]基于CT技術研究了不同溫度下混凝土細觀結(jié)構劣化衍化情況；Wang等[10]通過實驗和分析研究了高溫產(chǎn)生的損傷對十字形鋼筋混凝土(steel reinforced concrete，SRC)柱的力學性能的影響；David等[11]通過掃描電子顯微鏡研究了高溫條件下混凝土的微觀結(jié)構損傷變化規(guī)律；Meng等[12]研究了高溫對完全再生混凝土的力學性能的影響和損傷規(guī)律；綜上所述，混凝土損傷表征既可采用質(zhì)量損失、抗壓強度、抗拉強度等宏觀參數(shù)，也可采用孔隙等細觀參數(shù)；Xu等[13]通過對溫度的改變，研究了高溫產(chǎn)生的損傷對超高性能混凝土的性能影響；Liu等[14]針對高溫地熱隧道的溫度分布，通過力學和壓汞測孔(mercury intrusion porosimetry，MIP)試驗，研究了不同溫度熱干環(huán)境下噴射混凝土的力學性能和孔隙結(jié)構特征；徐瑞御等[15]通過核磁共振掃描獲得高溫下混凝土微觀結(jié)構損傷特點，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，抗壓強度在衰減，孔隙率增加；而現(xiàn)有研究中多數(shù)采用澆筑方式成樣，與實際混凝土襯砌噴射施工工藝有所差別，關于不同溫度下的噴射混凝土宏細觀損傷特征研究報告相對較少。

有鑒于此，在現(xiàn)有研究成果[16]的基礎上，現(xiàn)采用聲波波速定義噴射混凝土的相對損傷變量，以抗壓強度、抗拉強度、超聲波特征量為混凝土的宏觀損傷表征參數(shù)，以三維孔隙體積比為其細觀損傷表征參數(shù)，針對不同溫度條件下的噴射混凝土開展室內(nèi)單軸壓縮、巴西劈裂、CT掃描以及超聲波檢測試驗，分析不同溫度條件下噴射混凝土的抗壓強度、抗拉強度、三維孔隙比、波速以及持時的變化規(guī)律，進而揭示不同溫度條件下噴射混凝土的宏細觀損傷演化特征。以期為保障高地溫環(huán)境下隧洞支護結(jié)構的安全穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 試驗方案

本次試驗所用噴射混凝土組成成分由水泥、粉煤灰、碎石、砂以及添加劑等組成，其配比方案依據(jù)新疆齊熱哈塔爾高地熱引水隧洞襯砌結(jié)構的配比如表1所示。為了模擬更加接近真實的高地溫噴射混凝土施工環(huán)境，采用自主設計的高地溫隧洞模擬試驗系統(tǒng)[17]，如圖1所示，獲取不同溫度條件下噴射混凝土試樣。繼而，開展室內(nèi)抗拉強度、抗壓強度、超聲波檢測以及CT掃描試驗。

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

圖1 高地溫隧洞模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Simulation test system for high geothermal tunnel

1.1 拉、壓試驗

借助TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，針對50、60、75、90 ℃溫度條件下噴射混凝土試樣，分別開展單軸壓縮和巴西劈裂試驗，每組試樣4個。

1.2 聲波檢測試驗

超聲波法采用超聲波特征參數(shù)(平均波速)為媒介獲取材料內(nèi)部先關信息，且通常采用縱波的傳播來檢測材料的損傷，材料內(nèi)部損傷變量D可采用超聲波波速表征[18]為

(1)

式(1)中：V0為初始條件下材料的聲波波速，m/s；VT為某一損傷狀態(tài)下材料的聲波波速，m/s；D為材料的損傷變量。

根據(jù)上述超聲波表征損傷變量方法，考慮到現(xiàn)場復雜的施工條件無法保證噴射混凝土處在初始條件下，因此綜合考慮施工現(xiàn)場的溫度變化范圍，重新定義相對損傷變量為

圖2 試驗試樣Fig.2 Test sample

(2)

式(2)中：Vt為某一初始溫度時刻t損傷噴射混凝土的聲波波速為參考基準，m/s；VT為溫度為T時損傷噴射混凝土的聲波波速，m/s；Dγ為噴射混凝土材料的相對損傷變量。

本次試驗選取的初始溫度50 ℃為基準參考，通過非金屬超聲波檢測儀(GTJ-U820)，如圖3所示。獲得溫度分別為50、60、75、90 ℃條件下噴射混凝土試樣的縱波波速。

1.3 CT掃描試驗

CT掃描成像作為一種無損檢測方法，能夠快速獲取混凝土內(nèi)部結(jié)構分布特征[19]。借助河北工程大學醫(yī)用CT掃描試驗機，如圖4所示。針對50、60、75、90 ℃溫度條件下噴射混凝土試樣進行分層掃描成像，再利用三維重構技術，獲得不同溫度條件下的噴射混凝土孔隙空間分布規(guī)律及三維孔隙比。

2 高地溫噴射混凝土損傷試驗結(jié)果分析

2.1 拉壓強度和拉壓比

圖3 非金屬超聲波檢測儀 (50 mm×100 mm)Fig.3 Non-metallic ultrasonic detector

圖4 CT掃描試驗機(50 mm×100 mm)Fig.4 CT scan testing machine

不同溫度條件下噴射混凝土拉壓強度和拉壓比變化規(guī)律，如圖5所示。拉壓比為混凝土抗拉強度與抗壓強度之比，計算公式為

(3)

式(3)中：β為噴射混凝土拉壓比；P1為噴射混凝土抗拉強度，MPa；P2為噴射混凝土單軸抗壓強度，MPa。

由圖5分析可知，圍巖溫度由50～90 ℃變化時，噴射混凝土的拉壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在60 ℃達到了最大抗拉強度和最大抗壓強度，此時噴射混凝土的力學性能相對最優(yōu)。這種現(xiàn)象主要是由于溫度一方面控制著噴射混凝土的水化反應，另一方面影響著噴射混凝土內(nèi)部的損傷演化。溫度為60 ℃時拉壓強度達到峰值點，表明此時溫度對水化反應的影響占主導地位，而因溫度變化引發(fā)的噴射混凝土內(nèi)部損傷效應影響相對不明顯?？梢?，60 ℃可作為噴射混凝土施工中溫度環(huán)境控制的參考標準。與文獻[20]結(jié)論一致。

圖5 不同溫度損傷下噴射混凝土拉壓強度和拉壓比變化Fig.5 Changes of tension compression strength and tension compression ratio of shotcrete under different temperature damage

隨著圍巖溫度的升高，噴射混凝土的拉壓比總體呈現(xiàn)增大趨勢，表明溫度對噴射混凝土的抗拉強度與抗壓強度的弱化效應影響不同，噴射混凝土抗壓強度對溫度的變化更加敏感。

2.2 超聲波速

不同圍巖溫度條件下噴射混凝土的縱波波速及相對損傷量的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6中分析可知，隨著溫度的升高，噴射混凝土內(nèi)的波速逐漸降低，且圍巖溫度與波速基本呈現(xiàn)線性負相關；噴射混凝土的相對損傷量隨著溫度的升高逐漸增加，圍巖溫度與相對損傷量呈非線性正相關。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，溫度的升高將導致噴射混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂紋增多[21-22]，從而影響超聲波傳播，降低超聲波傳播速度，即表明波速越低預示著噴射混凝土材料內(nèi)部的損傷程度越嚴重。

圖6 不同溫度條件下噴射混凝土波速與相對損傷量的變化Fig.6 Wave velocity and relative damage of sprayed concrete at different temperatures

2.3 三維孔隙比

首先，將二維CT試驗獲得的圖片進行降波除噪、增強圖像對比度和二值化圖片等圖像處理；其次，將CT掃描圖像按順序?qū)隫G studio軟件完成三維重構，得到不同圍巖溫度條件下噴射混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構分布特征；最后，根據(jù)VG studio的計算功能對孔隙結(jié)構的各種參數(shù)(孔隙總體積、孔隙率、孔徑等)進行統(tǒng)計計算，三維重構結(jié)果如圖7所示。圖7中噴射混凝土孔隙體積及孔隙比隨著圍巖溫度的變化規(guī)律，如圖8所示。由圖8分析可知，圍巖溫度為50 ℃和60 ℃時，噴射混凝土內(nèi)部的孔隙分布較為稀疏，圍巖溫度為75 ℃和90 ℃時，噴射混凝土內(nèi)部孔隙分布較為密集；圍巖溫度為50 ℃和60 ℃時，局部位置孔隙聯(lián)通，形成較大體積孔隙，如圖8中紅色圈內(nèi)所示，這與噴射混凝土內(nèi)部的孔隙和裂隙的發(fā)育有關，而當圍巖溫度升至75 ℃和90 ℃時，噴射混凝土內(nèi)局部孔隙體積增大，甚至可能發(fā)展為原始裂隙或缺陷?？梢?，隨著圍巖溫度的升高噴射混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量逐漸增多，且單個孔隙體積增大，產(chǎn)生的溫度損傷加劇。

3 結(jié)論

(1)圍巖溫度越高，噴射混凝土的抗拉強度和抗壓強度先升高后降低，這是不同溫度下噴射混凝土內(nèi)部水化效應和損傷效應共同作用的結(jié)果，60 ℃可作為噴射混凝土施工環(huán)境溫度控制的參考標準之一。

(2)隨著溫度升高拉壓比越來越高，表明，相比于抗拉強度，抗壓強度對溫度變化更為敏感。

(3)基于聲波波速定義噴射混凝土的相對損傷變量，波速隨著圍巖溫度呈現(xiàn)基本呈現(xiàn)線性降低，而相對損傷變量隨著溫度呈現(xiàn)非線性增長。

圖7 不同溫度條件下噴射混凝土孔隙分布Fig.7 Pore distribution of shotcrete under different temperature conditions

圖8 不同高溫圍巖作用下噴射混凝土孔隙的體積變化Fig.8 Volume change of pore in shotcrete under different high temperature surrounding rock

(4)圍巖溫度升高造成噴射混凝土內(nèi)部孔隙的累計體積和體積比逐漸增大，且噴射混凝土內(nèi)部形成的單個較大型孔隙或缺陷體積逐漸增大，即造成的溫度損傷加劇。