高地熱對隧道噴射混凝土力學性能、孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的影響綜述

元強 彭茂慶 李岳林 張?zhí)K輝 姚灝

1.中南大學土木工程學院，長沙410075；2.中南大學高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，長沙410075；3.魯汶大學土木工程系，比利時西佛蘭德布魯日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設施逐漸向地形、地質(zhì)復雜的地區(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℃。當隧道或隧洞埋深過大，工人施工作業(yè)時硐室環(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熱隧道或隧洞［1-2］。高地熱主要是指高巖溫和高水溫，由地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿、地下水活動等引起。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熱隧道見表1［3］。

表1 高地熱隧道或隧洞案例

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

1 噴射混凝土及高地熱的影響

噴射混凝土是用于礦山開挖、巷道支護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，須借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，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、無須鋪設模板等特點，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，增強隧道襯砌結(jié)構(gòu)的支護能力，顯著提高隧道的穩(wěn)定性，作為主要的支護方法已廣泛應用于深埋隧道和引水發(fā)電隧洞。

施工過程中隧道內(nèi)的地熱會對工程造成高溫破壞，嚴重影響施工安全和工程質(zhì)量。隧道建設過程中高地熱環(huán)境的不利影響可概括為以下三個方面［10-13］：

1）高地熱環(huán)境對施工的影響。高地熱環(huán)境導致工人的工作效率降低；還導致機械設備工作環(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度，甚至導致超出項目預算。

2）高地熱環(huán)境對支護結(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致溫度應力，極易造成混凝土的開裂，同時高地熱環(huán)境也影響噴混凝土與隧道巖壁的黏結(jié)性能，導致隧道支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

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

2 高地熱對隧道噴射混凝土強度的影響

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

干熱環(huán)境下，噴射混凝土有明顯的收縮現(xiàn)象，影響其強度，但是噴射混凝土的早期（1 d）抗壓強度和劈裂抗拉強度均顯著提高。高溫可以促進水泥的水化，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為高溫大量蒸發(fā)，足以滿足水泥水化的需求，從而提高混凝土的早期強度。然而，隨著養(yǎng)護齡期的增加，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，導致混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著溫度升高呈下降趨勢［3，18-20］，見圖1［3］。可知，抗壓強度從20℃的11.74 MPa到40℃的17.00 MPa，提高了45%，劈裂抗拉強度比20℃提高了17%；28 d時，20℃噴射混凝土的抗壓強度相比100℃，從26.20 MPa降低至11.30 MPa，降低了約57%，劈裂抗拉強度比100℃降低了58%。

圖1 噴射混凝土強度與養(yǎng)護溫度的關(guān)系

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

不同養(yǎng)護溫度下混凝土的抗壓強度見圖2［23］。可知：①20℃和40℃養(yǎng)護溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強度沒有顯著的差異，但60℃養(yǎng)護溫度下噴射混凝土和普通混凝土的抗壓強度差異顯著，特別是28 d齡期時噴射混凝土的抗壓強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）抗壓強度顯著提高，40℃時噴射混凝土的抗壓強度比20℃時提高了51%。但是，噴射混凝土在后期表現(xiàn)出很高的強度損失，抗壓強度從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)境容易導致混凝土膨脹開裂，并且地熱水沿著裂縫擴散，會造成更深的破壞，降低襯砌結(jié)構(gòu)與巖石之間的黏結(jié)力。

圖2 不同養(yǎng)護溫度下混凝土的抗壓強度

高地熱環(huán)境對噴射混凝土強度的影響機理主要表現(xiàn)在以下幾個方面［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)部溫度梯度和嚴重失水將導致較大的溫度應力和收縮變形，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殼，阻礙外部水分子進入與水泥顆粒反應。

4）過高的溫度引起水化產(chǎn)物熱運動加劇、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，導致水化產(chǎn)物高度集中。

3 高地熱對隧道噴射混凝土孔結(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)護的噴射混凝土中有害孔較少；在60℃以上養(yǎng)護溫度下噴射混凝土強度的發(fā)展低于標準養(yǎng)護溫度下的強度發(fā)展主要歸因于早期形成的內(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，導致大孔數(shù)量的增加。②普通混凝土和噴射混凝土的毛細孔隙率、凝膠孔隙率變化趨勢相同，毛細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致水化產(chǎn)物分布不均，由于水化產(chǎn)物沒有足夠的時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，使噴射混凝土毛細孔隙率增加，凝膠孔隙率減少。

4 高地熱對隧道噴射混凝土水化產(chǎn)物的影響

養(yǎng)護溫度不僅會引起噴射混凝土水化產(chǎn)物形貌的變化，還會影響其物相組成。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)護溫度對水化產(chǎn)物種類沒有影響，但會影響其水化產(chǎn)物的數(shù)量，20℃養(yǎng)護溫度下高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）數(shù)量最多，40℃養(yǎng)護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)護溫度下水泥漿體的水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)試驗研究，發(fā)現(xiàn)溫度升高會導致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，溫度較高時針棒狀的AFt明顯較小，40℃時長度小于等于1μm，但是在5℃水泥漿體的樣品中，長度為2～4μm的針棒狀AFt非常明顯，可能較低溫度下適宜AFt緩慢形成，促進形成較大晶體［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?0℃養(yǎng)護下，AFt的形貌為徑向針狀，寬度為1.0～2.9μm。養(yǎng)護溫度大于60℃時，AFt的微觀形貌已經(jīng)由徑向針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿【鶆虻尼槧睿?0°C時寬度為0.305～0.561μm，70°C時寬度為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)護溫度的升高會引起AFt的數(shù)量減少，20℃時AFt衍射峰強度很強，而70℃時衍射峰強度卻很弱，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℃時噴射混凝土漿體中AFt衍射峰強度比20℃時AFt衍射峰強度弱。

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)時含有32個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，當其含量降至每個單位分子式小于30個H2O分子時，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)于高地熱環(huán)境對噴射混凝土性能影響規(guī)律的研究尚不多見，針對高地熱隧道噴射混凝土的研究主要集中于模擬地熱環(huán)境的溫度，通過對整個混凝土試件養(yǎng)護，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熱隧道對噴射混凝土影響的本質(zhì)，其潛在影響機理可能是襯砌兩側(cè)溫度差異和溫度梯度，導致噴射混凝土內(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熱源，與溫度較低的混凝土間發(fā)生一維熱傳導。

6 結(jié)論

高地熱對噴射混凝土強度的影響主要表現(xiàn)在以下四個方面：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引起較大的收縮和變形，混凝土微觀結(jié)構(gòu)惡化，導致混凝土強度降低；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，防止水進入，形成早期高溫養(yǎng)護條件，不利于后期強度的發(fā)展；④過高的溫度，引起水化產(chǎn)物熱運動加劇、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，導致水化產(chǎn)物高度集中。

高地熱對噴射混凝土的孔隙結(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會轉(zhuǎn)化形成AFm，并且隨著養(yǎng)護溫度的升高，AFt逐步變小。