火災(zāi)高溫后盾構(gòu)隧道管片-加固體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

楊 成，閆治國，朱合華

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092)

火災(zāi)高溫后盾構(gòu)隧道管片-加固體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

楊 成1,2,3，閆治國1,2,3，朱合華1,2,3

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092)

用復(fù)合腔體加固體加固隧道結(jié)構(gòu)是一種新型的加固方法，為了掌握火災(zāi)高溫后復(fù)合腔體加固盾構(gòu)隧道后界面的粘結(jié)性能，開展了50～400 ℃高溫處理后粘結(jié)劑力學(xué)性能試驗(yàn)和混凝土立方體試件-復(fù)合腔體界面雙面剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：1) 在較低溫度條件下，溫度升高能優(yōu)化粘結(jié)劑的力學(xué)性能；在較高溫度下，粘結(jié)劑的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低，粘結(jié)劑的力學(xué)性能在150 ℃溫度條件下最優(yōu)，在超過300 ℃溫度條件下，力學(xué)性能幾乎失效。 2) 高溫后混凝土-復(fù)合腔體界面破壞形式分為A,B,C 3種類型，混凝土-復(fù)合腔體界面的剪切剛度隨著溫度的升高而降低；混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的最佳工作溫度TP在50 ℃左右，完全失效溫度Tf為300～400 ℃，在較低溫度(15 ℃和50 ℃)、較高溫度(100 ℃和200 ℃)和高溫(250 ℃～Tf)條件下，影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的主要因素分別是混凝土的剪切強(qiáng)度、碳纖維布-鋼管界面的粘結(jié)性能和混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能。

火災(zāi)高溫；盾構(gòu)隧道；復(fù)合腔體；界面；粘結(jié)性能

0 引言

隨著運(yùn)營時(shí)間的增長(zhǎng)，由于惡劣的自然環(huán)境和設(shè)計(jì)施工缺陷，盾構(gòu)隧道襯砌會(huì)出現(xiàn)各種病害，包括裂縫、混凝土剝落和滲漏水等，這些問題都將影響盾構(gòu)隧道的正常使用，采用合理的加固手段對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行修復(fù)和加固，才能保證這些隧道的安全性和耐久性。目前，針對(duì)盾構(gòu)隧道加固的方法有粘貼纖維復(fù)合材料和鋼環(huán)加固法。復(fù)合腔體構(gòu)件是由鋼管、砂漿和高強(qiáng)纖維復(fù)合層等材料組成的新型復(fù)合材料。將復(fù)合腔體用研制調(diào)配的粘結(jié)劑加固隧道結(jié)構(gòu)是一種新型的加固方法，該種加固方法具有輕質(zhì)、快速、高強(qiáng)、安全和耐久等特點(diǎn)。為了研究這種新型方法加固后盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的抗火性能，開展了火災(zāi)高溫后盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體加固體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粘貼纖維復(fù)合材料和粘貼鋼板加固混凝土梁、板、柱的抗火性能[1-5]進(jìn)行了研究，但是關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)加固后的抗火性能研究較少。目前，關(guān)于不同溫度下混凝土-加固體界面粘結(jié)性能的研究大多以面內(nèi)剪切試驗(yàn)為主要研究形式，主要包括高溫下混凝土-鋼板[6-7]和混凝土-纖維復(fù)合材[8-9]界面粘結(jié)性能研究，得出了加固界面粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律或趨勢(shì)以及加固界面在不同溫度下的破壞形式。針對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用混凝土立方體試件粘貼復(fù)合腔體加固件模擬盾構(gòu)隧道管片復(fù)合腔體加固。在不同溫度處理后進(jìn)行混凝土-復(fù)合腔體加固體界面雙面剪切試驗(yàn)，研究火災(zāi)高溫后盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體界面加固體粘結(jié)性能的變化規(guī)律，不僅對(duì)復(fù)合腔體加固盾構(gòu)隧道管片后盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)防火性能的研究意義重大，而且對(duì)于復(fù)合腔體加固法在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 高溫后粘結(jié)劑力學(xué)性能試驗(yàn)

復(fù)合腔體通過粘結(jié)劑粘貼加固混凝土立方體試件。粘結(jié)劑的力學(xué)性能是影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的重要因素，所以開展高溫后粘結(jié)劑力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)研究高溫后混凝土-復(fù)合腔體界面的粘結(jié)性能具有重要意義。

1.1 高溫后粘結(jié)劑拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7124—2008《膠結(jié)劑-拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定(剛性材料對(duì)剛性材料)》[10]，在2塊鋼板的剪切區(qū)域用粘結(jié)劑將其對(duì)接，具體尺寸如圖1所示。粘結(jié)劑完全固化后，將試件分別在50，100，150，200，250，300，400 ℃溫度下恒溫90 min。試件完全冷卻后，置于拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(見圖2)。

1.1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加熱恒溫過程中，當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，鋼板表面顏色變黑；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，有煙氣從烤箱排氣口排出，這說明粘結(jié)劑開始受熱揮發(fā)；當(dāng)溫度超過300 ℃時(shí)，粘結(jié)劑已經(jīng)和鋼板脫落，粘結(jié)性能完全喪失；當(dāng)溫度超過400 ℃時(shí)，粘結(jié)劑完全碳化成“龜裂”狀。拉伸破壞后，剪切區(qū)域粘結(jié)劑的破壞呈現(xiàn)2種破壞模式：沿粘結(jié)劑中部剪切破壞和沿鋼板面剪切破壞。較高溫度(200 ℃和250 ℃)處理過的試件的破壞模式主要是沿鋼板面剪切破壞，這可能是較高溫度降低了鋼板和粘結(jié)劑之間的粘結(jié)性能。

1—粘結(jié)劑；2—剪切區(qū)域；3—夾持區(qū)域。

圖1拉伸剪切試驗(yàn)試件尺寸示意圖(單位：mm)

Fig.1 Dimensions of specimen of tensile-shear strength test (mm)

圖2 拉伸剪切試驗(yàn)加載裝置

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

如表1所示，粘結(jié)劑的拉伸剪切強(qiáng)度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，常溫(15 ℃)條件下，剪切強(qiáng)度最低，為3.57 MPa；150 ℃條件下強(qiáng)度最高，為19.78 MPa。試件的變形量隨著溫度的升高也呈現(xiàn)先增大后減小的情況，100 ℃條件下，變形量最大，為3.51 mm；常溫(15 ℃)條件下，變形量最小，為1.22 mm。為了研究粘結(jié)劑的抗剪切變形能力，考慮到每個(gè)試件的剪切面積相等，定義τ/u為類似剪切剛度，隨著溫度的升高，類似剪切剛度先增大后減小，常溫(15 ℃)條件下最低，為2.93 MPa/mm；150 ℃條件下最高，為8.46 MPa/mm。粘結(jié)劑的拉伸剪切性能隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)先增強(qiáng)后弱化的變化規(guī)律，150 ℃條件下拉伸剪切性能最優(yōu)，原因可能是較低溫度下，粘結(jié)劑受熱能優(yōu)化其本身的拉伸剪切性能；溫度升高到一定值時(shí)，高溫固化的固化物影響了粘結(jié)劑的拉伸剪切性能；當(dāng)溫度超過300 ℃時(shí)，高溫使粘結(jié)劑與鋼板的粘結(jié)性能喪失，粘結(jié)劑受熱碳化，完全失去抗剪切能力。

表1高溫后粘結(jié)劑拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
Table 1 Results of test on tensile-shear strength of binder after exposure to high temperature

溫度/℃平均剪切強(qiáng)度τ/MPa平均變形量μ/mmτ/μ/(MPa/mm)153．571．222．93507．482．053．6410010．663．513．0415019．782．348．462008．481．974．3125012．231．846．66300粘結(jié)劑與鋼板脫落400粘結(jié)劑完全碳化

1.2 高溫后粘結(jié)劑拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》[11]。粘結(jié)劑固化成型后從模具中取出，呈“啞鈴狀”。將試件分別在50，100，150，200，250，300，400 ℃溫度下恒溫90 min。試件完全冷卻后，置于拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試件尺寸如圖3所示。

1—夾持區(qū)域；2—試驗(yàn)區(qū)域。

圖3粘結(jié)劑拉伸試驗(yàn)試件尺寸示意圖(單位：mm)

Fig.3 Dimensions of specimen of binder tensile strength test (mm)

1.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加熱恒溫過程中，當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，試件表面顏色開始泛黃甚至變黑，有煙氣從烤箱排氣口排出，表明粘結(jié)劑開始受熱揮發(fā)，試件從烤箱中取出時(shí)，明顯變軟，原因是粘結(jié)劑受熱軟化；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，試件完全冷卻后，“啞鈴狀”試件頭部發(fā)生明顯變形；當(dāng)溫度超過300 ℃時(shí)，試件完全碳化。試件拉伸破壞模式主要以“啞鈴”中部平行斷裂為主，端口較為平整，少量的試件“啞鈴”中部斷裂的裂口呈約45°角傾斜斷裂；相同溫度條件下，“啞鈴”中部平行斷裂的拉伸強(qiáng)度大于傾斜斷裂；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，試件的“啞鈴”頭部被夾具夾壞或頭部附近被拉壞，原因是試件受熱冷卻后“啞鈴”頭部及其附近發(fā)生明顯變形，如圖4所示。

圖4 高溫(250 ℃)前后試件對(duì)比Fig.4 Test specimens before and after exposure to high temperature (250 ℃)

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

如表2所示，粘結(jié)劑的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，高溫(250 ℃)條件下，抗拉強(qiáng)度最低，為2.68 MPa；150 ℃條件下強(qiáng)度最高，為25.40 MPa。試件的變形量隨著溫度的升高而減小，常溫(15 ℃)條件下，變形量最大，為22.81 mm；250 ℃條件下，變形量最小，為2.73 mm。為了研究粘結(jié)劑的抗拉伸變形能力，考慮到每個(gè)試件的拉伸截面的面積相等，定義σ/μ為類似抗拉剛度，隨著溫度的升高，類似抗拉剛度先增大后減小，常溫(15 ℃)條件下最低，為0.30 MPa/mm；150 ℃條件下最高，為5.62 MPa/min。

表2高溫后粘結(jié)劑拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
Table 2 Results of test on tensile strength of binder after exposure to high temperature

溫度/℃平均剪切強(qiáng)度σ/MPa平均變形量μ/mmσ/μ/(MPa/mm)156．9522．810．30509．4826．750．3610013．7611．271．2215025．404．525．6220015．953．234．932502．682．730．98300試件嚴(yán)重碳化400試件完全碳化

粘結(jié)劑的拉伸性能隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)先增強(qiáng)后弱化的變化規(guī)律，150 ℃條件下拉伸性能最優(yōu)，原因可能是較低溫度下，粘結(jié)劑受熱能優(yōu)化其本身的拉伸性能；溫度升高到一定值時(shí)，高溫固化的固化物影響了粘結(jié)劑的拉伸性能；當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，高溫使粘結(jié)劑軟化，冷卻后降低了其拉伸強(qiáng)度；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，高溫使粘結(jié)劑明顯軟化，冷卻后試件發(fā)生明顯變形，嚴(yán)重影響了拉伸試驗(yàn)的進(jìn)行，破壞模式也不同于較低溫度時(shí)，“啞鈴”頭部及其附近夾壞或拉壞，從而導(dǎo)致最大破壞荷載急劇下降。當(dāng)溫度超過300 ℃時(shí)，試件的碳化已經(jīng)不能進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

綜合粘結(jié)劑的拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，溫度對(duì)粘結(jié)劑的力學(xué)性能的影響顯著。當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，粘結(jié)劑開始受熱軟化及揮發(fā)；300 ℃以上的高溫條件下，粘結(jié)劑的力學(xué)性能基本喪失；在較低溫度條件下，溫度升高能優(yōu)化粘結(jié)劑的力學(xué)性能；在較高溫度下，粘結(jié)劑的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低，原因可能是粘結(jié)劑受熱發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，影響了其材料的力學(xué)性能，溫度超過300 ℃時(shí)，其力學(xué)性能顯著降低，甚至喪失。綜合高溫后粘結(jié)劑拉伸剪切試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)結(jié)果，粘結(jié)劑在150 ℃條件下的力學(xué)性能最優(yōu)。

2 高溫后混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

2.1.1 試驗(yàn)材料

采用C50混凝土立方體試塊模擬盾構(gòu)隧道管片，混凝土立方體試塊的制作嚴(yán)格按照混凝土試塊制作及養(yǎng)護(hù)管理規(guī)定執(zhí)行。復(fù)合腔體加固體是一種預(yù)制構(gòu)件，采用并列的小鋼管作為腔體本體，腔體內(nèi)部由砂漿填充，在腔體本體外，采用表面處理、真空加壓和高溫固化等現(xiàn)代航空復(fù)合材料制造工藝，包裹樹脂和高強(qiáng)纖維復(fù)合層?；炷猎噳K經(jīng)過打磨后，通過粘結(jié)劑與復(fù)合腔體粘結(jié)成整體，如圖5所示。試驗(yàn)材料的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載方式

待粘結(jié)劑完全固化后，將試件整體置于烤箱內(nèi)，分別在50，100，200，250，300 ℃的溫度條件下恒溫加熱90 min，然后使其降溫自然冷卻。加載前，在復(fù)合腔體兩側(cè)各粘貼1個(gè)大剛度的角鐵，用來量測(cè)位移。試驗(yàn)采用的加載設(shè)備是伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。在加載臺(tái)上放置2塊鋼墊塊，將混凝土試件的底面架設(shè)在墊塊上方；在兩側(cè)角鐵處各安裝1個(gè)位移計(jì)測(cè)量位移，進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)，如圖6所示。

為了得到不同荷載條件混凝土-復(fù)合腔體界面的剪切位移，試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為3 kN，加載速率為3 kN/min，每級(jí)荷載恒載1 min，具體的加載方式見圖7。

圖5 雙面粘貼混凝土試塊后的復(fù)合腔體

表3試驗(yàn)材料參數(shù)表
Table 3 Parameters of testing materials mm

材料長(zhǎng)度寬度厚度混凝土試塊100100100復(fù)合腔體16010040粘結(jié)劑粘結(jié)面積為100mm×100mm，厚度為5mm

圖6 雙面剪切試驗(yàn)加載裝置Fig.6 Loading equipment of two-sided shearing bonding strength test

圖7 分級(jí)加載示意圖

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在恒溫加熱過程中，當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，粘結(jié)劑開始揮發(fā)，與粘結(jié)劑拉伸剪切試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象相符；溫度超過250 ℃時(shí)，復(fù)合腔體表面的碳纖維布與鋼管之間開裂，表明其粘結(jié)性能開始失效；在300 ℃的高溫條件下，粘結(jié)界面的暴露面泛黃發(fā)黑，碳化現(xiàn)象不明顯，原因是粘結(jié)界面較大，直接受熱面積小，混凝土試件和復(fù)合腔體傳熱較慢，粘結(jié)劑內(nèi)部溫度較爐膛溫度低所致；溫度超過400 ℃時(shí)，恒溫過程中，有大量煙氣從爐膛排氣孔流出，爐膛底部有液態(tài)水流出，原因是高溫使粘結(jié)劑揮發(fā)，使混凝土試塊脫水所致；加熱完成后，混凝土試塊與復(fù)合腔體完全脫落，粘結(jié)劑嚴(yán)重碳化成“龜裂”狀，碳纖維布和鋼管之間幾乎完全開裂，碳纖維布也發(fā)生了較為明顯的碳化現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 400 ℃高溫處理后的試件

試件的破壞形式也不盡相同，總的來說可以分為3種類型。A型破壞為混凝土試件表層混凝土隨著粘結(jié)劑發(fā)生剝離破壞；B型破壞為復(fù)合腔體表面碳纖維布和鋼管之間發(fā)生嚴(yán)重開裂破壞；C型破壞為復(fù)合腔體表面碳纖維布和鋼管開裂后，沿混凝土和粘結(jié)劑界面發(fā)生剝離破壞。A型破壞主要發(fā)生在較低溫度(15 ℃和50 ℃)條件下，破壞幾乎沒有先兆，屬于脆性破壞(見圖9(a))；B型破壞主要發(fā)生在較高溫度(100 ℃和200 ℃)，隨著荷載的增加，復(fù)合腔體表面的碳纖維布與鋼管開裂，裂縫寬度和長(zhǎng)度隨著荷載的增大而增大，直至最后產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)位移最終破壞(見圖9(b))；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，主要發(fā)生C型破壞，原因是加熱冷卻后復(fù)合腔體表面碳纖維布和鋼管已經(jīng)裂開，加載時(shí)，裂縫寬度和長(zhǎng)度隨著荷載的增大而增大，但在發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)位移之前，混凝土和粘結(jié)劑界面發(fā)生脆性破壞(見圖9(c))。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)荷載-位移變化規(guī)律。如圖10所示，各溫度條件下，混凝土-復(fù)合腔體界面的位移隨著荷載的增加而增大；在較低溫度(15 ℃和100 ℃)條件下，界面位移隨著荷載增加幾乎呈線性增長(zhǎng)。在50 ℃條件下，當(dāng)荷載達(dá)到15 kN后，荷載突降至12.5 kN且位移突增至0.48 mm，原因是荷載達(dá)到15 kN時(shí)，一側(cè)的混凝土-粘結(jié)劑界面出現(xiàn)了裂縫，從而導(dǎo)致荷載驟降而位移突增的現(xiàn)象。在較高溫度(200 ℃和250 ℃)下，當(dāng)荷載小于10 kN時(shí)，界面位移隨著荷載增加幾乎呈線性增長(zhǎng)；荷載繼續(xù)增大時(shí)，均出現(xiàn)了荷載幾乎不變而位移顯著增加的情況，原因是較高溫度條件下，復(fù)合腔體表面的碳纖維布與鋼管之間加熱后已經(jīng)開裂，隨著荷載增加，裂縫寬度出現(xiàn)了突然增大，碳纖維布開始承受荷載，從而導(dǎo)致荷載幾乎不變而位移顯著增加。在溫度為300 ℃條件下，位移隨著荷載增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，原因可能是高溫條件下，混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能顯著下降，在碳纖維布受力前，混凝土-粘結(jié)劑界面已經(jīng)達(dá)到最大承載力從而發(fā)生破壞。

(a)A型破壞模式

(b)B型破壞模式

(c)C型破壞模式

隨著溫度的升高，荷載-位移曲線的斜率隨之下降，這說明混凝土-復(fù)合腔體界面的剪切剛度幾乎隨著溫度的增加(300 ℃除外)而降低，常溫條件下界面的剪切剛度最大，250 ℃條件界面的剪切剛度最小。

綜上所述，在較低溫度(15，50，100 ℃)條件下，混凝土-復(fù)合腔體界面位移隨著荷載的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)；在較高溫度(200 ℃和250 ℃)條件下，荷載較小時(shí)，混凝土-復(fù)合腔體界面位移隨著荷載的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，復(fù)合腔體表面的碳纖維布與鋼管之間的裂縫會(huì)出現(xiàn)突然增大導(dǎo)致荷載幾乎不變而位移顯著增加的現(xiàn)象；高溫條件(300 ℃)下，混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能顯著下降，在較低荷載條件下發(fā)生破壞，隨著溫度的升高，混凝土-復(fù)合腔體界面的剪切剛度幾乎隨著溫度的增加而降低。

圖10 荷載-位移變化圖

2)溫度-破壞荷載變化規(guī)律。如圖11所示，混凝土-復(fù)合腔體界面的破壞荷載隨著溫度升高呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。在溫度為50 ℃條件下，破壞荷載最大，達(dá)到了42 kN；在溫度為300 ℃條件下，破壞荷載最小，為8.73 kN；其他溫度條件下，破壞荷載為20～30 kN；當(dāng)溫度超過250 ℃時(shí)，破壞荷載急劇減小。由此可見，溫度的變化能顯著影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能，混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能存在最佳工作溫度Tp和完全失效溫度Tf，Tp約50 ℃，而Tf為300～400 ℃。當(dāng)溫度T≤Tp時(shí)，混凝土-復(fù)合腔體界面的粘結(jié)性能隨著溫度升高而增強(qiáng)；當(dāng)溫度Tp

圖11 溫度-破壞荷載變化圖

3)溫度-最大位移變化規(guī)律。如圖12所示，各溫度條件下，混凝土-復(fù)合腔體界面的最大位移比較獨(dú)立，與溫度沒有形成顯著的變化規(guī)律。在250 ℃條件下，最大位移最大，達(dá)到了2.19 mm；在常溫條件下，最大位移最小，為0.31 mm。與其他溫度條件相比，250 ℃條件下混凝土-復(fù)合腔體界面的破壞荷載不低但是剪切剛度最小，而常溫條件下混凝土-復(fù)合腔體界面的破壞荷載較高且剪切剛度最大。

圖12 溫度-最大位移變化圖

2.3 混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能影響因素分析

綜合上述混凝土-復(fù)合腔體界面的破壞形式、荷載-位移變化規(guī)律等，影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的因素主要包括混凝土試塊的剪切強(qiáng)度τc、混凝土-粘結(jié)劑界面的剪切強(qiáng)度τc-b、粘結(jié)劑自身的剪切強(qiáng)度τb、碳纖維布-粘結(jié)劑界面的剪切強(qiáng)度τf-b和碳纖維布-鋼管界面的剪切強(qiáng)度τf-s。τc，τc-b，τb，τf-b，τf-s的大小都隨著溫度變化。顯然，當(dāng)T≥Tf時(shí)，混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能失效。

在較低溫度(15 ℃和50 ℃)條件下，主要發(fā)生A型破壞，混凝土試件表層混凝土隨著粘結(jié)劑發(fā)生剝離破壞，表明該條件下，τc，τc-b，τb，τf-b和τf-s中τc最小，混凝土-復(fù)合腔體界面的粘結(jié)強(qiáng)度取決于τc的大小，混凝土的剪切強(qiáng)度是影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的主要因素。

在較高溫度(100 ℃和200 ℃)條件下，主要發(fā)生B型破壞，復(fù)合腔體表面碳纖維布和鋼管之間發(fā)生嚴(yán)重開裂破壞，表明該條件下，τc，τc-b，τb，τf-b和τf-s中τf-s最小，混凝土-復(fù)合腔體界面的粘結(jié)強(qiáng)度取決于τf-s的大小，碳纖維布-鋼管界面的粘結(jié)性能是影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的主要因素。

在高溫(250 ℃～Tf)條件下，主要發(fā)生C型破壞，復(fù)合腔體表面碳纖維布和鋼管開裂后，沿混凝土和粘結(jié)劑界面發(fā)生剝離破壞，表明該條件下，τc，τc-b，τb，τf-b和τf-s中τc-b最小，混凝土-復(fù)合腔體界面的粘結(jié)強(qiáng)度取決于τc-b和τf-s的大小，碳纖維布-鋼管界面的粘結(jié)性能和混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能都是影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的主要因素，混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能的影響更為顯著。

盾構(gòu)隧道正常運(yùn)營時(shí)，隧道內(nèi)部處于較低溫度條件下，此時(shí)盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體界面發(fā)生剪切破壞時(shí)，破壞類型為A型，管片混凝土的力學(xué)性能是影響盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體界面粘性性能的主要因素，所以，提高盾構(gòu)隧道管片的力學(xué)性能將增強(qiáng)盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體界面粘性性能，可以采用鋼纖維混凝土增強(qiáng)管片的抗裂性能和抗剪強(qiáng)度[12]。

而隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度達(dá)1 000 ℃以上，混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能將完全失效，此時(shí)復(fù)合腔體加固效果幾乎喪失，隧道結(jié)構(gòu)將處于不安全的狀態(tài)，在復(fù)合腔體表面將錨栓打入盾構(gòu)隧道管片內(nèi)部將顯著增強(qiáng)火災(zāi)高溫條件下隧道管片-復(fù)合腔體界面的抗剪性能，提高盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

3 結(jié)論與建議

基于火災(zāi)高溫后盾構(gòu)隧道管片-加固體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論和建議：

1)高溫后粘結(jié)劑力學(xué)性能試驗(yàn)表明：當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，粘結(jié)劑開始受熱軟化及揮發(fā)；300 ℃以上的高溫條件下，粘結(jié)劑的力學(xué)性能基本喪失；在較低溫度條件下，溫度升高能優(yōu)化粘結(jié)劑的力學(xué)性能；在較高溫度下，粘結(jié)劑的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低。粘結(jié)劑在150 ℃條件下的自身力學(xué)性能最優(yōu)。

2)溫度的變化能顯著影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能；混凝土-復(fù)合腔體界面的剪切剛度幾乎隨著溫度的增加而降低；混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能隨著溫度升高呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的規(guī)律，其粘結(jié)性能存在最佳工作溫度Tp和完全失效溫度Tf，Tp約50 ℃，而Tf為300～400 ℃。在較低溫度(15 ℃和50 ℃)、較高溫度(100 ℃和200 ℃)、高溫(250 ℃～Tf)條件下，影響混凝土-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能的主要因素分別為混凝土的剪切強(qiáng)度、碳纖維布-鋼管界面的粘結(jié)性能和混凝土-粘結(jié)劑界面的粘結(jié)性能，對(duì)應(yīng)的破壞形式分別為A,B,C型破壞。

3)通過對(duì)高溫后隧道-復(fù)合腔體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究，可以為復(fù)合腔體加固盾構(gòu)隧道在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)思路。正常運(yùn)營條件下，加固后的管片粘結(jié)性能主要取決于管片自身的強(qiáng)度，可以采用鋼纖維混凝土管片等方法增強(qiáng)盾構(gòu)隧道管片-復(fù)合腔體界面粘性性能；而隧道發(fā)生火災(zāi)后，粘結(jié)劑會(huì)失效，可以采用錨栓連接復(fù)合腔體和盾構(gòu)隧道管片的方法提高火災(zāi)高溫條件下隧道的結(jié)構(gòu)安全。

4)為了得到盾構(gòu)隧道管片-加固體的高溫力學(xué)性能，在本文的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開展1∶1的盾構(gòu)隧道管片試驗(yàn)研究，得到火災(zāi)高溫下盾構(gòu)隧道管片-加固體高溫力學(xué)性能，從理論、試驗(yàn)和數(shù)值多方面進(jìn)行研究，為復(fù)合腔體加固盾構(gòu)隧道的實(shí)踐提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

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ExperimentalStudyonShearPropertiesofInterfacebetweenSegmentofShieldTunnelandNewCompositeStructureafterExposuretoHighTemperature

YANG Cheng1,2,3,YAN Zhiguo1,2,3,ZHU Hehua1,2,3

(1.StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Applying new composite to reinforce the segments of shield tunnel is a new reinforcement method.This paper focuses on the mechanical behavior of the binder and the shear properties of the interface between C50 concrete cube and the new composite structure after exposure to high temperature (50～400 ℃).The experiment results indicate that：1) The mechanical behavior of the binder improves in relatively low temperature condition,however,the mechanical behavior of the binder reduces in relatively high temperature condition when the temperature increases;The optimum temperature of the binder is 150 ℃;The binder completely fails after exposure to a temperature over 300 ℃;2) The failure of the interface between the C50 concrete cube and the new composite structure can be divided into 3 types;The optimum temperatureTpof the interface is about 50 ℃ and the failure temperatureTfis between 300 ℃ and 400 ℃;The shearing stiffness of the interface reduces when the temperature increases;Major factors affecting the shear properties of the interface after exposure to relatively low temperature(15,50 ℃),relatively high temperature(100,200 ℃)and high temperature (250 ℃～Tf) include the shear strength of the concrete,the bond property between the CFRP and the steel tube,and the bond property between the binder and the concrete.

high temperature (fire);shield tunnel;new composite structure;interface;shear properties

2014-04-21;

2014-06-01

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2011CB013800)；上海市科技重點(diǎn)支撐項(xiàng)目(13231200400)

楊成(1988—)，男，湖南衡陽人，同濟(jì)大學(xué)隧道與地下建筑工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事隧道結(jié)構(gòu)防火和地下空間防災(zāi)減災(zāi)等研究。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.07.008

U 455

A

1672-741X(2014)07-0642-07