甘彬霖, 馮旭海, 宋朝陽, 王恒, 趙玉明

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院, 北京 100013; 2.同濟(jì)大學(xué)上海自主智能無人系統(tǒng)科學(xué)中心, 上海 200092;3.礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心, 北京 100013; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221116)

深部礦產(chǎn)資源開采和深地空間開發(fā)是滿足人類可持續(xù)發(fā)展的有效途徑和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。當(dāng)前,能源與戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)正從淺部向深部全面推進(jìn),國(guó)內(nèi)礦井最大井深已達(dá)1 551.8 m(紗嶺金礦),正在施工的立井設(shè)計(jì)井深超過2 000 m(三山島金礦),未來主要礦產(chǎn)采深將達(dá)到3 000～5 000 m[3-4];截至2020年底,中國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的特長(zhǎng)鐵路隧道共209座(總長(zhǎng)2 811 km),在建特長(zhǎng)鐵路隧道116座(總長(zhǎng)1 675 km),規(guī)劃特長(zhǎng)鐵路隧道338座(總長(zhǎng)5 054 km)[5]。但隨著深部礦井和深長(zhǎng)隧道工程持續(xù)建設(shè),深地結(jié)構(gòu)通常面臨著“高地應(yīng)力、高地溫、高孔隙水壓和強(qiáng)烈工程擾動(dòng)”的復(fù)雜多場(chǎng)耦合荷載環(huán)境,其中高地溫環(huán)境對(duì)深地工程的制約問題尤為突出[6-10]。

根據(jù)《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》(TZ 204—2008)[11]相關(guān)規(guī)定,地溫超過28 ℃的地質(zhì)條件為高地溫條件;對(duì)于現(xiàn)澆混凝土,養(yǎng)護(hù)溫度大于35 ℃通常可認(rèn)為是高溫養(yǎng)護(hù)條件[12],但高溫養(yǎng)護(hù)影響等級(jí)尚無明確劃分。對(duì)于淺部礦井和短距離隧道,可通過通風(fēng)、制冷等措施降低工作面溫度。但深部地層熱源持續(xù)不斷得到補(bǔ)充,降溫措施對(duì)地下空間的降溫效果有限且費(fèi)用昂貴,一般只針對(duì)工作面或施工人員,工程結(jié)構(gòu)仍將長(zhǎng)期暴露在高地溫環(huán)境中。隨著《“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出進(jìn)一步實(shí)施交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和能源資源安全戰(zhàn)略,深長(zhǎng)隧道、深部礦井與地?zé)衢_采項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn),高地溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土性能發(fā)展規(guī)律和結(jié)構(gòu)承載影響問題亟待研究。

針對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)深地工程混凝土性能的影響,現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外高地溫礦井和深長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)典型案例進(jìn)行概述,對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土水化動(dòng)力過程和力學(xué)性能演化機(jī)制及其改善方法進(jìn)行綜述,總結(jié)高地溫環(huán)境對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律,分析既有研究中存在的問題和未來研究方向,為高地溫環(huán)境深地結(jié)構(gòu)混凝土材料的研究和應(yīng)用提供參考。

1 深地工程結(jié)構(gòu)高地溫?zé)岷η闆r

深地結(jié)構(gòu)處于深部多場(chǎng)多相耦合復(fù)雜地質(zhì)體中,具有埋深大、環(huán)境效應(yīng)復(fù)雜等特點(diǎn)。其中,地溫一般以30～50 ℃/km的梯度逐漸增加,局部導(dǎo)熱率高地區(qū)地溫梯度高達(dá)200 ℃/km,300 m以深的深地工程地溫通常超過28 ℃,即達(dá)到高地溫條件。1 000～3 000 m深度的礦井地溫一般為40～80 ℃[3,13-14],國(guó)內(nèi)外部分高地溫礦井統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外部分高地溫礦井統(tǒng)計(jì)情況Table 1 Statistics of some typical mines with high ground temperature

高地溫問題在深長(zhǎng)隧洞中同樣普遍存在,如大瑞鐵路高黎貢山隧洞場(chǎng)區(qū)地溫在25～108 ℃;川藏鐵路共15個(gè)隧洞存在高地溫?zé)岷?約占全線隧洞總數(shù)的7.6%,高地溫區(qū)間在28.7～86.0 ℃[7,26]。目前,深度超過400 m的深長(zhǎng)隧洞地溫一般在40～90 ℃,如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)外部分高地溫隧洞統(tǒng)計(jì)情況[27-29]Table 2 Statistics of some typical tunnels with high ground temperature[27-29]

2 高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能的影響

2.1 高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水化動(dòng)力過程的影響

混凝土性能與膠凝材料的水化過程密切相關(guān)。水泥主要包括硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)4種熟料礦物,熟料礦物與水發(fā)生水解或者水化作用統(tǒng)稱為水化,通過水化作用生成的產(chǎn)物稱為水化產(chǎn)物。通過分析不同物理、化學(xué)條件下膠凝材料水化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速率的表征,研究不同物理、化學(xué)因素對(duì)水化反應(yīng)速率和水化過程的影響,有助于理解膠凝材料復(fù)雜的反應(yīng)過程,預(yù)測(cè)不同齡期的膠凝材料水化程度和水泥基材料性能[30]。

根據(jù)Arrhenius公式[式(1)],膠凝材料的水化速率與溫度和活化能有關(guān),其中水化反應(yīng)速率常數(shù)與溫度呈正相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,反應(yīng)活化能E是一個(gè)與溫度相關(guān)的常數(shù)。張?jiān)銎餥30]通過等溫量熱、化學(xué)結(jié)合水量和熱重分析測(cè)試表明活化能隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而升高,水化產(chǎn)物成核速率常數(shù)、生長(zhǎng)速率常數(shù)、擴(kuò)散速率常數(shù)和水化產(chǎn)物的臨界長(zhǎng)度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)溫度提高而增大。

(1)

式(1)中:kT1和kT2分別為溫度T1和T2時(shí)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù);E為活化能;R為摩爾氣體常數(shù)。

高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)膠凝材料早期水化速率的提高促進(jìn)了水化放熱速率過程,張?jiān)銎餥30]和任旭等[31]通過等溫量熱法發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境使得復(fù)合膠凝材料水化放熱峰值提高,放熱峰值出現(xiàn)時(shí)間提前,累計(jì)放熱量和體系水化放熱量增加。任旭等[31]基于Krstulovic-Dabic水化動(dòng)力學(xué)模型對(duì)膠凝材料總放熱量、水化時(shí)間和反應(yīng)速率常數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護(hù)下水化動(dòng)力過程控制階段由結(jié)晶成核與晶體生長(zhǎng)、相邊界反應(yīng)和擴(kuò)散的3個(gè)階段變?yōu)榻Y(jié)晶成核與晶體生長(zhǎng)和擴(kuò)散2個(gè)階段。

高溫環(huán)境提高水化反應(yīng)速率,使得液相中pH迅速提高,同時(shí)破壞了粉煤灰和礦渣粉的玻璃體結(jié)構(gòu)。在高堿性和高溫耦合作用下,粉煤灰和礦渣粉的活性和膠凝性顯著提高,參與水化反應(yīng)的時(shí)間提前,增加了膠凝材料活化分子百分?jǐn)?shù)。李響等[32]通過鹽酸選擇溶解法對(duì)65 ℃養(yǎng)護(hù)的粉煤灰復(fù)合膠凝材料漿體中的粉煤灰反應(yīng)程度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護(hù)1 d的粉煤灰反應(yīng)程度超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的粉煤灰反應(yīng)程度。

基于Arrhenius公式和材料活化能,水化度被定義為已消耗的膠凝材料與膠凝材料總量的比值,一般通過化學(xué)結(jié)合水法、化學(xué)收縮法、CH[Ca(OH)2]定量法、等溫量熱法和選擇性溶解法、圖像處理法、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)全譜擬合定量法進(jìn)行表征或測(cè)定[30]。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下,Mills[33]通過大量實(shí)驗(yàn)提出了水泥最終水化度的計(jì)算模型;Schindler等[34]在Mills所提出的水泥最終水化度模型的基礎(chǔ)上,提出了考慮粉煤灰和礦渣摻量影響的復(fù)合膠凝材料最終水化度修正模型;Giovanni等[35]考慮SiO2的有效含量,提出了硅粉復(fù)合膠凝材料最終水化度計(jì)算模型。

膠凝材料最終水化度在0～1,不同條件下同種混凝土水化度相同時(shí)其物理力學(xué)性能基本相同[36-37]。但通過物理力學(xué)參數(shù)和水化度反演分析高溫養(yǎng)護(hù)條件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件膠凝材料最終水化度時(shí),發(fā)現(xiàn)最終水化度反演結(jié)果大于最終水化度模型計(jì)算結(jié)果,即膠凝材料高溫養(yǎng)護(hù)的實(shí)際水化度大于理論最終水化度。李響等[32]通過化學(xué)結(jié)合水法和鹽酸選擇溶解法表明高溫養(yǎng)護(hù)提高了膠凝材料的活性和活化分子百分比,從而提高了膠凝材料最終水化度;郭舒等[38]基于Avrami水化動(dòng)力過程對(duì)CaO膨脹熟料的水化程度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)水化程度隨溫度升高而增大。高溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)下,膠凝材料活性的提高加快了水化反應(yīng)速率,活化分子百分比的增加提高了膠凝材料的最終水化度。

但部分學(xué)者認(rèn)為高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)快速水化生成的水化硅酸鈣[Ca5Si6O16(OH)·4H2O,CSH]層會(huì)包裹封閉未水化的膠凝材料,會(huì)導(dǎo)致最終水化度降低[39]。此外,Gallucci等[40]對(duì)20、40、60 ℃養(yǎng)護(hù)水泥漿體的水化度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)1年后不同溫度養(yǎng)護(hù)水泥漿體的水化度基本相等,認(rèn)為長(zhǎng)齡期狀態(tài)下最終水化度不受養(yǎng)護(hù)溫度影響。

2.2 高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

高溫養(yǎng)護(hù)時(shí),混凝土快速溫升和失水會(huì)導(dǎo)致膠凝材料微觀結(jié)構(gòu)劣化和水化進(jìn)程停滯,同時(shí)水化產(chǎn)物在快速的物理化學(xué)收縮作用下,混凝土力學(xué)性能將受到影響[41-43]。李響等[32]對(duì)比65 ℃養(yǎng)護(hù)條件與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的粉煤灰膠凝材料水化后的微觀形貌,發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)粉煤灰表面絮狀和相互搭接的凝膠含量明顯增多,漿體結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí),但高溫養(yǎng)護(hù)3 d與90 d的漿體形貌相差不大,認(rèn)為高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)主要體現(xiàn)在早齡期。早齡期快速生成的水化產(chǎn)物未能充分遷移而包裹在膠凝材料表面,阻滯了水化反應(yīng)的發(fā)生,形成的無序多孔結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生損傷影響[43]。程磊[44]和何廷樹等[45]通過對(duì)比不同高溫下養(yǎng)護(hù)漿體的微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度越高漿體結(jié)構(gòu)越疏松,水化產(chǎn)物整體分布越不均勻。Wang等[41]在80 ℃高溫養(yǎng)護(hù)水泥基漿體微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)明顯的微裂縫。因此,高溫養(yǎng)護(hù)混凝土后期強(qiáng)度下降主要是因?yàn)樵琮g期快速水化形成的高孔隙率和不均勻的水化產(chǎn)物分布以及微觀結(jié)構(gòu)損傷[39]。

此外,譚克鋒等[46]對(duì)比了不同水膠比和強(qiáng)度等級(jí)混凝土高溫養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)低水膠比或高強(qiáng)混凝土水化前水泥顆粒堆積狀態(tài)比較緊密,水泥顆粒間的間距較短,少量水化產(chǎn)物即可填充顆粒間的孔隙,高溫養(yǎng)護(hù)下水化產(chǎn)物不均勻分布的程度降低,使得混凝土后期強(qiáng)度下降較小。王艷等[47]對(duì)比不同濕度條件下80 ℃高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度增加,不同混凝土在各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均有提高。馬昆林等[43]通過試驗(yàn)證明,60 ℃高溫低濕條件下養(yǎng)護(hù)初期的短期覆膜養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度明顯大于直接高溫低濕養(yǎng)護(hù),粉煤灰摻量為25%時(shí)高溫低濕下早期覆膜1 d砂漿的28 d抗壓和抗折強(qiáng)度均大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。范利丹等[48]保持相對(duì)濕度為95%時(shí),發(fā)現(xiàn)在25～40 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下,噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而增大,而60 ℃養(yǎng)護(hù)條件下混凝土早期和后期強(qiáng)度均降低。唐興華[29]研究了相對(duì)濕度為25%、55%、95%和溫度為40、60、80 ℃耦合條件下C25混凝土力學(xué)性能,表明增加濕度對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能具有積極作用,并建立了考慮溫濕度耦合效應(yīng)的高溫養(yǎng)護(hù)C25混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模型的回歸模型。

2.3 高溫養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能改善研究

高溫養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能優(yōu)化研究主要集中于礦物摻合料和纖維材料的摻加作用。粉煤灰、礦渣粉和硅灰等礦物摻合料對(duì)混凝土的作用原理通常用“粉煤灰”假說進(jìn)行解釋[49],即通過“形態(tài)效應(yīng)”“活性效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”減少用水量、促進(jìn)水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化,改善微觀結(jié)構(gòu)而提高混凝土的力學(xué)和耐久性能。

高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境易于激發(fā)了礦物摻合料的活性,使得礦物摻合料參與反應(yīng)的時(shí)間提前,反應(yīng)速率明顯提高。Escalante-Garca等[50]研究表明,在一定溫度和摻量條件下,摻加粉煤灰可以改善高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響,但也可能出現(xiàn)負(fù)面作用。Sajedi[51]的研究表明60 ℃養(yǎng)護(hù)時(shí)礦渣漿體抗壓強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水養(yǎng)護(hù)。譚克鋒等[46]對(duì)比了硅灰、粉煤灰和礦渣粉對(duì)混凝土65 ℃高溫養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度負(fù)效應(yīng)的改善作用,發(fā)現(xiàn)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的降低緩解作用顯著程度依次為硅灰、粉煤灰和礦渣粉。何廷樹等[45]在50%相對(duì)濕度條件下對(duì)混凝土分別進(jìn)行50、60、80 ℃高溫養(yǎng)護(hù)24 h,發(fā)現(xiàn)溫度低于50 ℃時(shí),礦渣-粉煤灰雙摻混凝土的強(qiáng)度比單摻粉煤灰混凝土更高,當(dāng)溫度超過60 ℃時(shí),單摻粉煤灰比礦渣粉煤灰雙摻更能提高混凝土強(qiáng)度。王艷等[47]試驗(yàn)表明,高溫環(huán)境下礦渣粉混凝土強(qiáng)度對(duì)濕度的敏感性大于粉煤灰混凝土,粉煤灰對(duì)50 ℃高溫混凝土強(qiáng)度改善作用大于礦渣粉;80 ℃時(shí)礦渣粉混凝土的強(qiáng)度增幅隨濕度增大而增大。

在混凝土中摻加纖維材料可有效控制混凝土內(nèi)部含水率、改善內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),提高混凝土密實(shí)性。目前纖維材料對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)混凝土改性的研究主要集中于聚丙烯纖維、玻璃纖維、鋼纖維等,對(duì)熔點(diǎn)和拉伸強(qiáng)度要求較高。王瑞興等[52]的試驗(yàn)表明聚丙烯纖維能有效抑制60 ℃高溫條件下混凝土微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展,但抗壓強(qiáng)度略有降低,而鋼纖維對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)效應(yīng)。馬昆林等[43]研究發(fā)現(xiàn)在適宜的養(yǎng)護(hù)制度下,摻加聚丙烯纖維可以改善高溫低濕環(huán)境下砂漿的力學(xué)性能。張巖等[53]分析了聚酯纖維、聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維在不同養(yǎng)護(hù)溫度下對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)纖維的摻加改善了砂漿在高溫養(yǎng)護(hù)下的后期強(qiáng)度。不同種類纖維材料性能參數(shù)如表3所示。

3 高地溫環(huán)境對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響

3.1 高地溫環(huán)境對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的劣化影響

高地溫環(huán)境不僅制約深地工程結(jié)構(gòu)的施工,加速材料性能劣化損傷,還會(huì)加劇襯砌結(jié)構(gòu)荷載的復(fù)雜性和不確定性,降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。

針對(duì)高地溫環(huán)境下噴射襯砌混凝土與圍巖的黏結(jié)性能,崔圣愛等[55]通過改進(jìn)的鉆芯拉拔法對(duì)50 ℃高溫干濕養(yǎng)護(hù)下C25和C30噴射混凝土黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)干熱養(yǎng)護(hù)下噴射混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度嚴(yán)重倒縮,甚至出現(xiàn)混凝土與巖石界面脫黏開裂現(xiàn)象,這主要與干熱環(huán)境下混凝土水分散失、收縮劇烈、水化產(chǎn)物分布不均以及水化中止等原因有關(guān)。宿輝等[56]結(jié)合噴射混凝土鉆心拉拔試驗(yàn)和ANSYS數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在50、60、77、90 ℃的高地溫養(yǎng)護(hù)條件下,噴射混凝土與巖板接觸面的黏結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而降低。此外,范利丹等[48]通過高濕度(相對(duì)濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)條件下的噴射混凝土黏接強(qiáng)度試驗(yàn)表明,在25～40 ℃溫度區(qū)間內(nèi),混凝土黏結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而增大;但60 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)減小,且隨著養(yǎng)護(hù)齡期先增大后減小。

對(duì)于高地溫襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況,目前主要通過理論解析計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行研究。劉乃飛等[57]針對(duì)布侖口—公格爾水電站引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的高地溫?zé)岷τ绊?采用解析方法對(duì)隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度分布規(guī)律和受力特性進(jìn)行分析。Li等[58]通過理論推導(dǎo)了襯砌結(jié)構(gòu)溫度分布計(jì)算公式,研究了襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化和熱力學(xué)參數(shù)對(duì)溫度分布的影響。邵珠山等[59-60]通過無量綱化和微分方程技術(shù)求解方法,得到了高地溫圓形隧洞的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的熱彈性理論解;同時(shí)結(jié)合拉日鐵路吉沃希嘎高地溫隧道對(duì)設(shè)置隔熱層效果進(jìn)行數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)隔熱層對(duì)徑向應(yīng)力影響較小,但初襯結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力減小且環(huán)向應(yīng)力增大,而二襯結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均減小。郭進(jìn)偉等[61]通過熱-結(jié)構(gòu)耦合方式對(duì)某高地溫引水隧洞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,求出了溫度場(chǎng)影響下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力值以及溫度-內(nèi)水壓力耦合影響下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。Liang等[62]根據(jù)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)熱力參數(shù)的變化規(guī)律,通過數(shù)值模擬方法分析了圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特征。Hu等[8]通過數(shù)值模擬對(duì)桑珠嶺高地溫隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,表明初襯結(jié)構(gòu)軸力和彎矩隨地溫升高而增大,地溫為60 ℃時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生受拉破壞,地溫為80 ℃時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生受壓破壞,其中拱肩和拱腳處失效破壞概率較大。王明年等[63]現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了高巖溫隧道初襯溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)在施工期間的變化規(guī)律和安全性,發(fā)現(xiàn)初支的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均隨著巖溫的增大而增大。唐興華等[29,64]通過建立高地溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)熱-應(yīng)力耦合數(shù)值模型,結(jié)合拉日鐵路吉沃希嘎高地溫隧道和川藏鐵路桑珠嶺高地溫隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,對(duì)不同高地溫支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和支護(hù)體系等級(jí)進(jìn)行劃分。

3.2 高地溫環(huán)境下襯砌結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化研究

針對(duì)高地溫環(huán)境襯砌結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化,王玉鎖等[65]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,分析了不同高地溫條件下隔熱層對(duì)隧道支護(hù)體系受力特征及安全性的影響,發(fā)現(xiàn)設(shè)置隔熱層對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征、初支和混凝土模筑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小,但改善了二襯結(jié)構(gòu)受力,并提高了二襯的最小安全系數(shù)。唐興華[29]通過圍巖-隔熱層-支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型對(duì)不同隔熱材料和支護(hù)體系的隔熱效果進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為硬質(zhì)聚氨酯材料隔熱材料最佳,隔熱層厚度不宜超過10 cm,“初襯+隔熱層+二襯”的隔熱支護(hù)體系最優(yōu)。李書杰[66]通過ANSYS的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合對(duì)娘涌水電站高地溫隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析,認(rèn)為增加襯砌厚度可以減小襯砌結(jié)構(gòu)在高地溫條件下的應(yīng)力變形,但減小幅度有限。Liu等[67]也通過數(shù)值模擬方法分析了隔熱層對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的改善效果,發(fā)現(xiàn)隔熱層的改善效果與其厚度呈非線性關(guān)系。

4 存在問題與重要研究方向分析

4.1 高溫養(yǎng)護(hù)水化動(dòng)力過程的模糊性

水化動(dòng)力過程是理解高溫養(yǎng)護(hù)水化機(jī)理和分析混凝土性能演化特征的基礎(chǔ),既有水化動(dòng)力模型一般基于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)的水化反應(yīng)研究。高溫養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下分子熱運(yùn)動(dòng)加快,材料活性和水化動(dòng)力參數(shù)改變,將會(huì)引起水泥水化動(dòng)力過程的改變。此外,礦物摻合料會(huì)使水化反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生“火山灰反應(yīng)”,水化產(chǎn)物發(fā)生多個(gè)“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”,分子結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)郊娱L(zhǎng),水化反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜。應(yīng)通過等溫量熱、化學(xué)結(jié)合水量、熱重分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)不同高溫養(yǎng)護(hù)條件多元膠凝材料水化反應(yīng)機(jī)制和水化反應(yīng)動(dòng)力過程深入研究,建立考慮溫度-濕度影響的多元復(fù)合膠凝材料水化動(dòng)力模型,確定水化動(dòng)力模型參數(shù)與材料配合比和養(yǎng)護(hù)溫度、濕度之間的關(guān)系,為不同溫度條件下多元復(fù)合膠凝材料水化動(dòng)力過程研究和性能影響機(jī)理分析提供理論依據(jù)。

4.2 溫-濕度條件耦合影響的非線性

在高溫養(yǎng)護(hù)過程中,混凝土性能演化受溫度和濕度的影響顯著。對(duì)同種混凝土,不同溫度-濕度耦合養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土性能的差異較大。既有研究表明,高溫低濕環(huán)境對(duì)混凝土性能具有負(fù)效應(yīng),但高溫高濕環(huán)境可能表現(xiàn)為正效應(yīng)。養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土性能的影響呈現(xiàn)較明顯線性關(guān)系,但養(yǎng)護(hù)溫度的影響為非線性關(guān)系,養(yǎng)護(hù)溫度影響閾值尚不明確,溫度和濕度雙變量耦合條件下混凝土物理及力學(xué)性能的變化規(guī)律更為復(fù)雜。應(yīng)針對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土,通過正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法分析不同溫度-濕度耦合養(yǎng)護(hù)條件下混凝土物理力學(xué)指標(biāo)及其隨齡期的變化規(guī)律,采用廣義線性回歸、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立物理力學(xué)指標(biāo)與養(yǎng)護(hù)條件和齡期之間的關(guān)系模型,為高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土材料的應(yīng)用研究提供參考。

4.3 工程作用領(lǐng)域和性能指標(biāo)單一性

高地溫環(huán)境廣泛存在于深部礦井、深埋長(zhǎng)距離隧道和地?zé)崮茇S富地區(qū)的深地工程結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)澆或噴射混凝土在水化初期即面臨高溫條件和荷載環(huán)境。既有高溫養(yǎng)護(hù)混凝土的研究主要針對(duì)深長(zhǎng)隧道襯砌混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低,而深部礦井等高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)在高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下性能影響研究相對(duì)較少。高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的水膠比和密實(shí)性差異較大,對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境的響應(yīng)不同。深地工程高地溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)條件困難,且面臨應(yīng)力場(chǎng)-水力場(chǎng)-溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合復(fù)雜荷載條件,其高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下高強(qiáng)混凝土性能演化規(guī)律及優(yōu)化改性問題亟待研究。同時(shí),對(duì)高溫養(yǎng)護(hù)混凝土物理熱工和耐久性能的定量化、系統(tǒng)化研究較少,不利于混凝土在高溫養(yǎng)護(hù)及長(zhǎng)期高地溫環(huán)境下工作的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

5 結(jié)論

高地溫環(huán)境是深部礦井和深長(zhǎng)隧道等特殊深地工程混凝土結(jié)構(gòu)面臨的嚴(yán)峻問題,深度為1 000～3 000 m的深部礦井高地溫一般為40～ 80 ℃,400 m以深的深長(zhǎng)隧洞高地溫一般為40～90 ℃。

在高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,膠凝材料活性和水化動(dòng)力過程發(fā)生顯著變化,力學(xué)性能隨齡期的變化規(guī)律與普通混凝土差異較大,對(duì)襯砌混凝土黏結(jié)性能、溫度應(yīng)力、承載能力和破壞狀態(tài)均產(chǎn)生明顯影響。摻加適量的粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料和聚丙烯纖維等纖維材料會(huì)改善高溫養(yǎng)護(hù)混凝土的損傷影響,但改善效果與溫度區(qū)間、濕度條件和摻量密切相關(guān)。

當(dāng)前,高溫養(yǎng)護(hù)混凝土水化反應(yīng)機(jī)制不明確、溫-濕條件耦合影響的非線性、工程研究領(lǐng)域和性能指標(biāo)的單一性是高溫養(yǎng)護(hù)混凝土性能演化表征及優(yōu)化改性研究存在的主要問題。應(yīng)加強(qiáng)高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土水化動(dòng)力學(xué)模型的研究,建立溫-濕度耦合養(yǎng)護(hù)條件下混凝土性能預(yù)測(cè)模型,拓展高溫養(yǎng)護(hù)混凝土應(yīng)用領(lǐng)域和強(qiáng)度等級(jí)的研究,更全面、系統(tǒng)化地研究混凝土的物理力學(xué)和耐久性能,為高地溫環(huán)境條件深地工程混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。