隧道襯砌混凝土的熱力耦合室內(nèi)試驗研究

王 薇 ，姚雪丹 ，高貴強

（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，襯砌混凝土的破壞對隧道結(jié)構(gòu)的承載能力造成非常嚴重影響，因此，有必要對受火后隧道襯砌混凝土的損傷特征進行研究.

隧道襯砌火災(zāi)下的損傷研究主要集中在2 個方面，其一是襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場、力學(xué)行為及損傷評估研究，如：Pichler 等[1]研究了不同荷載和不同火災(zāi)等級條件下，混凝土水化對結(jié)構(gòu)強度和彈性模量的影響及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形狀況；閆治國等[2]進行了不同荷載-溫度工況下鋼纖維與鋼筋混凝土管片的高溫試驗研究，獲得了火災(zāi)下管片的力學(xué)響應(yīng)及性能；李忠友等[3]研究了受火時間對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，從理論上為隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全評估提供了參考；Yan 等[4]開展了全尺寸盾構(gòu)隧道襯砌在標準升溫曲線（ISO-834）下的火災(zāi)試驗；郭軍等[5]依托港珠澳海底沉管隧道工程，采用明火試驗與數(shù)值模擬方法研究了沉管隧道管節(jié)在高溫下的分布及防火技術(shù)方案；Qiao 等[6]得到了火災(zāi)發(fā)展全過程下隧道襯砌的溫度和應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律；Zhang等[7]通過數(shù)值模擬研究沖擊荷載和火災(zāi)對襯砌的破壞，結(jié)果表明，隨著靜載比和動載比的增大，襯砌的耐火性能將顯著降低；王明年等[8]提出了關(guān)于混凝土在火災(zāi)下發(fā)生剝落的循環(huán)算法，研究發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下發(fā)生剝落的主要原因是結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸增大的熱應(yīng)力.其二是襯砌混凝土材料在高溫下及高溫后的力學(xué)性能研究，如：Chan 等[9]研究了高溫后高強混凝土的抗壓強度變化規(guī)律；黃濤等[10]通過試驗研究表明，強度高的高性能混凝土抗火性能卻比較差；Ma 等[11]綜述了部分已有研究中零載下立方體混凝土高溫后抗彎強度、殘余抗壓強度、劈裂強度等力學(xué)性能的試驗結(jié)果；Du 等[12]測定了混凝土試件的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強度隨等效火焰暴露時間（EFET）值的變化成反比；張秋實等[13]采用室內(nèi)耐火試驗，研究高溫環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度傳播規(guī)律.

然而，上述學(xué)者僅研究了襯砌混凝土受火后的物理特性變化，未將其變化規(guī)律與混凝土的宏觀劣化特征建立聯(lián)系.本文擬采取試驗手段，設(shè)計一套熱力耦合試驗方案，從襯砌混凝土材料角度出發(fā)，探究不同熱荷載及不同粗骨料含量下襯砌混凝土受火前后表觀損傷特征、質(zhì)量變化及強度損失變化，揭示粗骨料含量及受火時間對混凝土損傷的影響規(guī)律.

1 試驗方案設(shè)計

1.1 原材料及配合比

試驗試塊為C50 混凝土.試驗材料包括：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 140 kg/m3；粗骨料為石灰?guī)r碎石，公稱粒徑為5～20 mm，密度為2 680 kg/m3；細度模數(shù)為2.6 的中砂，2 區(qū)級配，級配良好，密度為2 600 kg/m3；I 級F 類粉煤灰，密度為2 600 kg/m3；S95 級礦渣，密度為2 900 kg/m3；聚羧酸高性能減水劑；自來水.混凝土配合比如表1 所示.

1.2 試樣制備

參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）[14]制作邊長為100 mm 立方體小試塊，然后在溫度為（20±5）℃的環(huán)境中靜置24.0 h 進行脫模，拆模后放入氫氧化鈣飽和溶液中養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護完成后取出待用.

1.3 試驗工況

試驗工況設(shè)置情況見表2.表中：WA1-WA3 均為40%粗骨料含量混凝土；WB 為40%粗骨料含量混凝土；WC 為20%粗骨料含量混凝土.

1.4 試驗方法

1.4.1 襯砌混凝土熱力耦合試驗

該試驗旨在模擬隧道襯砌混凝土實際受火特點，因此，對試件進行熱力耦合試驗，即恒載加溫，受火與一般的混凝土試塊受火特點不同，屬于非均勻單面受火.加熱儀器采用YFFG768/10QK-3GC 型箱式電阻爐，火災(zāi)按照ISO-834 標準升溫曲線加載，時間設(shè)定為0、0.5、1.0、2.0 h.明火升溫試驗過程中，因燃油燃燒不充分等原因，使得實際電阻爐升溫曲線與ISO-834 標準升溫曲線有一定的差距，但并不影響試驗結(jié)果[15].

對電阻爐進行改裝后，設(shè)計了一套熱力耦合試驗裝置，如圖1 所示.本試驗擬對試塊施加35%預(yù)載.40%粗骨料含量混凝土受火1.0 h 的試塊為第1 次試驗試塊，荷載比施加至32%，在試驗完成后試驗爐降溫過程中，棱柱體輔助試塊出現(xiàn)破壞，據(jù)此，后續(xù)試驗中，為保證試驗順利進行，載荷比均采用28%.本試驗需要注意2 點：一是電阻爐的密封，否則不僅爐內(nèi)溫度無法達到目標要求，而且對電阻爐的損傷較大；二是加載過程中要注意對中，否則加載時容易壓彎，不能單軸受力，且易發(fā)生翹曲，安全隱患大.

圖1 熱力耦合試驗裝置Fig.1 Thermo-mechanical coupling test device

本文采用平行試驗方案獲得襯砌溫度場分布，試塊中內(nèi)置熱電偶，溫度測點分布如圖2 所示，沿試塊厚度方向，每隔20 mm 設(shè)置一個測點.對不同粗骨料含量混凝土在不同受火時間下的溫度進行測量.

圖2 電偶布置立面Fig.2 Elevation of electric dipole arrangement

1.4.2 襯砌混凝土靜載試驗

本文通過靜載試驗主要得到混凝土的抗壓強度，測試方法按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）[14]進行，靜載試驗共進行了3 次，第1 次為28 d 強度測試，之后2 次分別在熱力耦合試驗前和試驗后.

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

本文主要關(guān)注受火結(jié)束后混凝土內(nèi)部溫度場的分布.由于受火時間及粗骨料含量對混凝土內(nèi)部溫度場分布有較大影響，受火結(jié)束后，混凝土內(nèi)部溫度場呈現(xiàn)顯著差異，釆用麥夸特法 及通用全局優(yōu)化法 對受火時間t、距受火面距離d及溫度T等變量進行非線性擬合.鑒于在不同骨料含量及受火時間下，混凝土內(nèi)部溫度隨深度變化較大，難以從物理上的相互關(guān)系得出函數(shù)表達式.為更清晰地體現(xiàn)骨料含量/受火時間、溫度與距受火面距離的關(guān)系，現(xiàn)對三者數(shù)據(jù)進行擬合.

受火1.0 h 下，各骨料含量下溫度與距受火面間擬合結(jié)果如式（1）.

式中：T（x,d）為隨骨料含量x和距離d變化的溫度值.

依據(jù)式（1），可以得出隧道中以ISO-834 曲線升溫的火災(zāi)，某一粗骨料含量混凝土內(nèi)部任一點的溫度值.擬合響應(yīng)曲面如圖3 所示，相關(guān)系數(shù)R2=0.999，表明擬合效果良好.

圖3 溫度、粗骨料含量與受火面距離關(guān)系響應(yīng)Fig.3 Response relationship among temperature, coarse aggregate content, and distance of fire exposure surface

同樣地，同一粗骨料含量下，溫度值隨受火時間及距離的不同而變化，此處對40%粗骨料含量混凝土的三者之間關(guān)系進行擬合，如式（2）.

式中：T(t,d)為隨受火時間和距離變化的溫度值.

依據(jù)式（2），可以得出在隧道中以ISO-834 曲線升溫的火災(zāi)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)某時刻某點的溫度值.

響應(yīng)曲面如圖4 所示，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.999，表明擬合效果良好.

圖4 溫度、受火時間與受火面距離關(guān)系響應(yīng)圖Fig.4 Response relationship among temperature, fire exposure time, and distance of fire exposure surface

隧道襯砌中鋼筋保護層厚度約為5 cm，考慮到鋼筋半徑，則鋼筋中心距受火面總距離約 6 cm，參考《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）[16]中對鋼筋溫度的要求為不超過300 ℃，根據(jù)式（2）可知，在隧道火災(zāi)以ISO-834 曲線升溫時，40%粗骨料含量襯砌在受火2.0 h 后，鋼筋溫度未超過規(guī)范值，低粗骨料含量襯砌混凝土導(dǎo)熱性更差，因此，各粗骨料含量下襯砌混凝土鋼筋位置處溫度不會超過規(guī)范值.在隧道結(jié)構(gòu)防火設(shè)計過程中，在確定防火保護措施、消防設(shè)置響應(yīng)救援時間等參數(shù)時可參考該數(shù)據(jù)進行分析.

2.2 表觀損傷分析

混凝土在受火后，表面劣化情況最為明顯，表觀特征在一定程度上能反映混凝土的性能特性，并能作為判定混凝土損傷程度的一個重要依據(jù).現(xiàn)將各混凝土熱力耦合后表面情況進行分析.不同粗骨料含量混凝土受火1.0 h 后受火底面情況見圖5，各混凝土受火表面有孔洞及邊框，是制作時留下的.受火1.0 h 后，底面溫度達750 ℃左右，受火表面呈現(xiàn)淺灰色，均出現(xiàn)分布較多的裂隙及裂紋，裂紋呈羽毛狀，其中20%、30%、40%粗骨料含量混凝土表面的最長裂縫長度分別約為2.0、2.4、2.6 cm；細小裂紋交叉程度隨粗骨料含量增加而減小.

圖5 不同粗骨料含量混凝土受火底面Fig.5 Bottom view of concrete with different coarse aggregate contents under fire

混凝土側(cè)面如圖6所示.由圖6 可知：在受火側(cè)面，不同粗骨料含量混凝土接近受火面底部均有豎向分布裂縫；20%粗骨料含量混凝土裂縫數(shù)量較多，在距底部2.0 cm 范圍內(nèi)，明顯裂縫有8 條，交叉分布且較密，在距底部2.0～5.0 cm 范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量減少，此時大多為細微裂紋，未相互連接，5.0 cm 至試塊頂面，幾乎無裂紋出現(xiàn)；30%粗骨料含量混凝土在距底部1.7 cm 范圍內(nèi)裂縫分布較密，可以看到2～3 條較粗的裂縫，交叉分布裂紋較少；在1.7～3.8 cm范圍內(nèi)，僅有少量裂縫延伸，3.8 cm 至試塊頂面，無肉眼可見裂縫出現(xiàn)；40%粗骨料含量混凝土側(cè)面有2 條較寬的裂縫，裂縫主要分布在距底面1.0 cm 區(qū)域內(nèi)且不呈交叉分布，為單個裂縫獨立分布，在1.0 cm區(qū)域外部，僅有少量裂縫向外延伸，整體的裂縫區(qū)域約為1.7 cm.

圖6 不同粗骨料含量受火側(cè)面Fig.6 Side view of different coarse aggregate contents under fire

因此，受火側(cè)面裂縫衍生受粗骨料含量影響較大，粗骨料含量越多，裂縫向表面的衍生能力越差.受火底面及側(cè)面的損傷情況表明，混凝土粗骨料含量越高，抵御火災(zāi)風(fēng)險的能力越強.

現(xiàn)對混凝土在不同受火時間下的損傷情況進行分析，受火底面如圖7 所示，受火側(cè)面如圖8 所示.

圖7 不同受火時間下混凝土受火底面Fig.7 Bottom view of concrete under different fire exposure time

圖8 不同受火時間下混凝土受火側(cè)面Fig.8 Side view of concrete under different fire exposure time

由圖7 可以看出：不同受火時間下，混凝土受火面損傷情況不同，受火時間越長，底面損傷越嚴重；混凝土僅在28%預(yù)載下時，表面無變化，未出現(xiàn)裂縫；受火0.5 h 后，混凝土受火面溫度達到500 ℃，受火面顏色變淺，表面有少許微裂紋形成，但裂紋數(shù)量少，寬度小，約0.05 mm；受火1.0 h 后，溫度達到750 ℃，表面有3 條較寬的裂縫，細小裂縫分布較多且部分裂縫相互交叉；底面受火2.0 h 后，溫度達到800 ℃左右，此時表面已變得發(fā)白，底面損傷嚴重，變得凹凸不平且較脆，有碎屑脫落，局部位置已有骨料露出，粗細裂紋交織到一起，龜裂程度嚴重.

由圖8 可以看出：不同受火時間下，混凝土受火側(cè)面裂縫分布數(shù)量較少，多為細微裂紋，沿縱向延伸，分布于距受火面1.0 cm 內(nèi).所以，在40%粗骨料含量混凝土中，受火時間對受火側(cè)面縱向裂紋的延伸影響較小.由此可見，40%粗骨料含量的混凝土抗火能力較強.另外受火時間對混凝土的劣化影響明顯，時間越長，表面破壞越嚴重，在2.0 h 受火時間下表面開始剝落.

2.3 宏觀質(zhì)量變化分析

在火災(zāi)作用下，混凝土?xí)驗樗终舭l(fā)及內(nèi)部成分的變化而出現(xiàn)質(zhì)量不斷變化的現(xiàn)象.取各工況下（不同受火時間、不同粗骨料含量）試塊，在試驗前及試驗后稱得各試塊質(zhì)量，精確到1 g，按式（3）計算質(zhì)量損失，按式（4）計算質(zhì)量損失率，結(jié)果見表3.表中：m1為試塊熱力耦合前的質(zhì)量（g）；m2為試塊熱力耦合后質(zhì)量（g）；Δm為質(zhì)量損失（g）；α為質(zhì)量損失率.

由表3 可知，相同粗骨料含量混凝土中，隨著受火時間的增加，混凝土質(zhì)量損失率逐漸增加，這是因為溫度的不斷升高使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多的物理及化學(xué)反應(yīng).在100～300 ℃時，混凝土中自由水蒸發(fā)，結(jié)晶水分解，造成質(zhì)量損失；300～500 ℃水化產(chǎn)物C-S-H 開始破壞分解，Ca（OH）2也開始少量分解，質(zhì)量損失進一步增加；600 ℃及更高溫度下，CS-H 凝膠、CaCO3逐漸大量分解，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量損失進一步增加.不同骨料含量下，混凝土質(zhì)量損失率隨粗骨料含量增加而下降.20%粗骨料含量下，質(zhì)量損失率可達8.14%，30%及40%粗骨料含量混凝土質(zhì)量損失率分別為5.42%、4.10%.由此可見，粗骨料含量越高，質(zhì)量損失越明顯.這是因為，粗骨料含量較高的混凝土中，砂漿含量低，在高溫作用下可被分解的水化產(chǎn)物減少，質(zhì)量損失率自然也降低.

2.4 抗壓強度分析

混凝土抗壓強度是其最基本的力學(xué)性能.熱力耦合作用后混凝土發(fā)生損傷，抗壓強度作為表征抗火性能的重要參數(shù)，可以作為評定混凝土損傷程度的指標，因此，對熱力耦合后混凝土抗壓強度展開研究具有重要意義.

試塊按標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護28 d 后，對不同粗骨料含量混凝土試塊進行了抗壓強度測試，測試結(jié)果如表4 所示.

表4 28 d 混凝土抗壓強度值Tab.4 Concrete compressive strength value after 28 d

由表4 可知：該配合比下混凝土強度大于設(shè)計強度50 MPa，滿足要求；隨著粗骨料含量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增加，且粗骨料含量由30%增至40%對抗壓強度的提高幅度明顯高于粗骨料含量由20%增至30%所引起的.20%、30%、40%粗骨料含量混凝土的總骨料體積分數(shù)分別為50%、60%及70%，從而驗證本文所發(fā)現(xiàn)的強度變化規(guī)律與已有研究成果相一致[17].

混凝土的破壞特征明顯，呈楔形破壞，四周全部剝落，中心呈細腰狀，如圖9 所示.

圖9 混凝土破壞特征Fig.9 Concrete damage characteristic

熱力耦合試驗前，即試件養(yǎng)護完成后90 d 左右，測得各試驗試塊的抗壓強度，結(jié)果如表5 所示.

定義強度損失率為

式中：σ0為混凝土初始強度；σs為混凝土殘余強度.

當f=0 時，表明混凝土強度未損失；當f=1時，表明混凝土強度完全喪失；當f< 0 時，表明強度值得到增強.

首先分析不同骨料混凝土在不同齡期下的強度變化.試驗前距試塊養(yǎng)護完成約90、28、90 d 強度值變化情況如表5 所示.

由表5 可知：混凝土強度隨齡期的增長而增大；混凝土強度的增長變化率隨粗骨料含量的增大而減小，表明粗骨料含量高的混凝土的后期強度比較穩(wěn)定，但粗骨料含量低的混凝土由于砂漿含量高，后期砂漿在不斷硬化的過程中增強了整體混凝土的強度.

不同粗骨料含量混凝土受火 1.0 h 下強度損失如表6 所示.

表6 不同粗骨料含量下的抗壓強度損失率Tab.6 Compressive strength loss rate under different coarse aggregate contents

由表6 可知：20%粗骨料含量混凝土強度損失率最大，為13.2%，粗骨料含量在20%～30%，強度損失率呈遞減趨勢，但不影響整體規(guī)律；相同荷載比情況下，隨著粗骨料含量的增加，強度損失率呈下降趨勢.

下面對火災(zāi)試驗后混凝土強度損失率進行分析.40%粗骨料混凝土在不同受火時間下的強度損失率如表7 所示.

由表7 可以看出，在受火0 h 即混凝土僅受28%的預(yù)載而未受火災(zāi)的作用時，混凝土的強度損失率為負，表明混凝土強度不降反增，而其他試塊在耦合作用下，混凝土均有強度損失，受火時間越長，強度損失越大.

綜合抗壓強度分析結(jié)果，不同齡期下，混凝土抗壓強度隨粗骨料含量變化的規(guī)律不同.養(yǎng)護28 d后，抗壓強度值隨粗骨料含量的增加而增加，90 d 齡期后，混凝土抗壓強度值顯著提高，但低粗骨料含量混凝土的抗壓強度值更高.在相同熱力耦合作用后，隨著粗骨料含量的增加，強度損失率呈下降趨勢.這表明低粗骨料含量混凝土雖然在較長齡期后抗壓強度值相對較高，但其抗火能力更弱，耐久性差，不利于隧道的安全運營.因此，在實際工程中不宜使用低粗骨料含量混凝土.

3 結(jié) 論

本文以襯砌混凝土實際受火特點為基礎(chǔ)，通過自主設(shè)計的一套熱力耦合試驗裝置對火災(zāi)后襯砌混凝土的宏觀損傷特征展開研究.

1） 探究了熱力耦合下混凝土損傷特征受粗骨料含量及受火時間的影響規(guī)律.不同受火時間下，混凝土內(nèi)各點溫度隨受火時間的增加而增加；不同粗骨料含量下，混凝土粗骨料含量越高，溫度傳導(dǎo)速度越快，相同位置處溫度值越大.

2） 建立了相同受火時間下溫度、粗骨料含量、距受火面距離三者之間的定量方程及同一骨料含量下溫度、受火時間、距受火面距離三者之間的定量方程求解混凝土內(nèi)部溫度場.

3） 對混凝土的質(zhì)量損失和抗壓強度損失特征進行分析，受火時間越長，混凝土質(zhì)量損失越多.混凝土質(zhì)量損失率與粗骨料含量成反比，粗骨料含量越低，質(zhì)量損失率反而越高，得到高含量的粗骨料混凝土更有利于隧道的安全.