高地溫噴射混凝土宏細觀損傷特征試驗分析

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戰略的逐步全面實施，深部巖土工程的賦存環境趨向復雜化，以中國西部高地溫環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構形式[2]。高地溫環境易引發結構與圍巖強度弱化，致使地下工程災害事故頻發[3]，尤其是高地溫誘發混凝土襯砌損傷與支護結構自身強度及穩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]發現溫度升高將導致混凝土的質量損失增加，抗拉和抗壓強度降低，預示著溫度的升高誘發混凝土的損傷程度加劇；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構劣化衍化情況；Wang等[10]通過實驗和分析研究了高溫產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構損傷變化規律；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律；綜上所述，混凝土損傷表征既可采用質量損失、抗壓強度、抗拉強度等宏觀參數，也可采用孔隙等細觀參數；Xu等[13]通過對溫度的改變，研究了高溫產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境下噴射混凝土的力學性能和孔隙結構特征；徐瑞御等[15]通過核磁共振掃描獲得高溫下混凝土微觀結構損傷特點，發現隨著溫度升高，抗壓強度在衰減，孔隙率增加；而現有研究中多數采用澆筑方式成樣，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，在現有研究成果[16]的基礎上，現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，以三維孔隙體積比為其細觀損傷表征參數，針對不同溫度條件下的噴射混凝土開展室內單軸壓縮、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境下隧洞支護結構的安全穩定性提供依據。

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，其配比方案依據新疆齊熱哈塔爾高地熱引水隧洞襯砌結構的配比如表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境，采用自主設計的高地溫隧洞模擬試驗系統[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(平均波速)為媒介獲取材料內部先關信息，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為某一損傷狀態下材料的聲波波速，m/s；D為材料的損傷變量。

根據上述超聲波表征損傷變量方法，考慮到現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部結構分布特征[19]。借助河北工程大學醫用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律及三維孔隙比。

2 高地溫噴射混凝土損傷試驗結果分析

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。這種現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，而因溫度變化引發的噴射混凝土內部損傷效應影響相對不明顯。可見，60 ℃可作為噴射混凝土施工中溫度環境控制的參考標準。與文獻[20]結論一致。

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，噴射混凝土內的波速逐漸降低，且圍巖溫度與波速基本呈現線性負相關；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。出現上述現象的原因是，溫度的升高將導致噴射混凝土內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掃描圖像按順序導入VG 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部孔隙結構分布特征；最后，根據VG studio的計算功能對孔隙結構的各種參數(孔隙總體積、孔隙率、孔徑等)進行統計計算，三維重構結果如圖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，局部位置孔隙聯通，形成較大體積孔隙，如圖8中紅色圈內所示，這與噴射混凝土內部的孔隙和裂隙的發育有關，而當圍巖溫度升至75 ℃和90 ℃時，噴射混凝土內局部孔隙體積增大，甚至可能發展為原始裂隙或缺陷。可見，隨著圍巖溫度的升高噴射混凝土內部的孔隙數量逐漸增多，且單個孔隙體積增大，產生的溫度損傷加劇。

3 結論

(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部水化效應和損傷效應共同作用的結果，60 ℃可作為噴射混凝土施工環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基本呈現線性降低，而相對損傷變量隨著溫度呈現非線性增長。

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部孔隙的累計體積和體積比逐漸增大，且噴射混凝土內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。