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)國家工程研究中心, 北京 100013; 4.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室, 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發(fā)展的必然趨勢[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,中國已投入運營的特長鐵路隧道共209座(總長2 811 km),在建特長鐵路隧道116座(總長1 675 km),規(guī)劃特長鐵路隧道338座(總長5 054 km)[5]。但隨著深部礦井和深長隧道工程持續(xù)建設(shè),深地結(jié)構(gòu)通常面臨著“高地應(yīng)力、高地溫、高孔隙水壓和強烈工程擾動”的復(fù)雜多場耦合荷載環(huán)境,其中高地溫環(huán)境對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)影響等級尚無明確劃分。對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)不斷得到補充,降溫措施對地下空間的降溫效果有限且費用昂貴,一般只針對工作面或施工人員,工程結(jié)構(gòu)仍將長期暴露在高地溫環(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)一步實施交通強國戰(zhàn)略和能源資源安全戰(zhàn)略,深長隧道、深部礦井與地?zé)衢_采項目持續(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。

針對高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境對深地工程混凝土性能的影響,現(xiàn)對國內(nèi)外高地溫礦井和深長隧道結(jié)構(gòu)典型案例進(jìn)行概述,對高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土水化動力過程和力學(xué)性能演化機制及其改善方法進(jìn)行綜述,總結(jié)高地溫環(huán)境對襯砌結(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。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],國內(nèi)外部分高地溫礦井統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 國內(nèi)外部分高地溫礦井統(tǒng)計情況Table 1 Statistics of some typical mines with high ground temperature

高地溫問題在深長隧洞中同樣普遍存在,如大瑞鐵路高黎貢山隧洞場區(qū)地溫在25～108 ℃;川藏鐵路共15個隧洞存在高地溫?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的深長隧洞地溫一般在40～90 ℃,如表2所示。

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

2 高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土性能的影響

2.1 高溫養(yǎng)護(hù)對水化動力過程的影響

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)機理和反應(yīng)速率的表征,研究不同物理、化學(xué)因素對水化反應(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是一個與溫度相關(guān)的常數(shù)。張增起[30]通過等溫量熱、化學(xué)結(jié)合水量和熱重分析測試表明活化能隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而升高,水化產(chǎn)物成核速率常數(shù)、生長速率常數(shù)、擴(kuò)散速率常數(shù)和水化產(chǎn)物的臨界長度等動力學(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時對應(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,張增起[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)時間提前,累計放熱量和體系水化放熱量增加。任旭等[31]基于Krstulovic-Dabic水化動力學(xué)模型對膠凝材料總放熱量、水化時間和反應(yīng)速率常數(shù)等動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算分析,發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護(hù)下水化動力過程控制階段由結(jié)晶成核與晶體生長、相邊界反應(yīng)和擴(kuò)散的3個階段變?yōu)榻Y(jié)晶成核與晶體生長和擴(kuò)散2個階段。

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)行表征或測定[30]。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下,Mills[33]通過大量實驗提出了水泥最終水化度的計算模型;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,發(fā)現(xiàn)最終水化度反演結(jié)果大于最終水化度模型計算結(jié)果,即膠凝材料高溫養(yǎng)護(hù)的實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水化動力過程對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)時快速水化生成的水化硅酸鈣[Ca5Si6O16(OH)·4H2O,CSH]層會包裹封閉未水化的膠凝材料,會導(dǎo)致最終水化度降低[39]。此外,Gallucci等[40]對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)對混凝土力學(xué)性能的影響

高溫養(yǎng)護(hù)時,混凝土快速溫升和失水會導(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)相對密實,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)會對力學(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)混凝土后期強度下降主要是因為早齡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]對比了不同水膠比和強度等級混凝土高溫養(yǎng)護(hù)后的抗壓強度和微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)低水膠比或高強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,使得混凝土后期強度下降較小。王艷等[47]對比不同濕度條件下80 ℃高溫養(yǎng)護(hù)對混凝土抗壓強度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度增加,不同混凝土在各個齡期的抗壓強度均有提高。馬昆林等[43]通過試驗證明,60 ℃高溫低濕條件下養(yǎng)護(hù)初期的短期覆膜養(yǎng)護(hù)強度明顯大于直接高溫低濕養(yǎng)護(hù),粉煤灰摻量為25%時高溫低濕下早期覆膜1 d砂漿的28 d抗壓和抗折強度均大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。范利丹等[48]保持相對濕度為95%時,發(fā)現(xiàn)在25～40 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下,噴射混凝土抗壓強度隨養(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度均降低。唐興華[29]研究了相對濕度為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混凝土抗壓強度、抗拉強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)對混凝土強度的負(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)時礦渣漿體抗壓強度大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水養(yǎng)護(hù)。譚克鋒等[46]對比了硅灰、粉煤灰和礦渣粉對混凝土65 ℃高溫養(yǎng)護(hù)抗壓強度負(fù)效應(yīng)的改善作用,發(fā)現(xiàn)對混凝土后期強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%相對濕度條件下對混凝土分別進(jìn)行50、60、80 ℃高溫養(yǎng)護(hù)24 h,發(fā)現(xiàn)溫度低于50 ℃時,礦渣-粉煤灰雙摻混凝土的強度比單摻粉煤灰混凝土更高,當(dāng)溫度超過60 ℃時,單摻粉煤灰比礦渣粉煤灰雙摻更能提高混凝土強度。王艷等[47]試驗表明,高溫環(huán)境下礦渣粉混凝土強度對濕度的敏感性大于粉煤灰混凝土,粉煤灰對50 ℃高溫混凝土強度改善作用大于礦渣粉;80 ℃時礦渣粉混凝土的強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),提高混凝土密實性。目前纖維材料對高溫養(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,對熔點和拉伸強度要求較高。王瑞興等[52]的試驗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,但抗壓強度略有降低,而鋼纖維對高溫養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強度具有增強效應(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)溫度下對混凝土抗折強度的影響,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)境對襯砌結(jié)構(gòu)的影響

3.1 高地溫環(huán)境對襯砌結(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50 ℃高溫干濕養(yǎng)護(hù)下C25和C30噴射混凝土黏結(jié)強度進(jìn)行試驗,發(fā)現(xiàn)干熱養(yǎng)護(hù)下噴射混凝土的黏結(jié)強度嚴(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(相對濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)條件下的噴射混凝土黏接強度試驗表明,在25～40 ℃溫度區(qū)間內(nèi),混凝土黏結(jié)強度隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而增大;但60 ℃養(yǎng)護(hù)條件下的黏結(jié)強度相對減小,且隨著養(yǎng)護(hù)齡期先增大后減小。

對于高地溫襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況,目前主要通過理論解析計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法進(jìn)行研究。劉乃飛等[57]針對布侖口—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、位移場及應(yīng)力場的熱彈性理論解;同時結(jié)合拉日鐵路吉沃希嘎高地溫隧道對設(shè)置隔熱層效果進(jìn)行數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)隔熱層對徑向應(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)耦合方式對某高地溫引水隧洞進(jìn)行數(shù)值計算,求出了溫度場影響下襯砌結(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)的溫度場和應(yīng)力場分布特征。Hu等[8]通過數(shù)值模擬對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 ℃時支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生受拉破壞,地溫為80 ℃時支護(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)場監(jiān)測分析了高巖溫隧道初襯溫度場和應(yīng)力場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)場測試,對不同高地溫支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和支護(hù)體系等級進(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)模型試驗和數(shù)值模擬,分析了不同高地溫條件下隔熱層對隧道支護(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)值模型對不同隔熱材料和支護(hù)體系的隔熱效果進(jìn)行對比,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的溫度場和應(yīng)力場耦合對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)水化動力過程的模糊性

水化動力過程是理解高溫養(yǎng)護(hù)水化機理和分析混凝土性能演化特征的基礎(chǔ),既有水化動力模型一般基于標(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)下分子熱運動加快,材料活性和水化動力參數(shù)改變,將會引起水泥水化動力過程的改變。此外,礦物摻合料會使水化反應(yīng)的同時發(fā)生“火山灰反應(yīng)”,水化產(chǎn)物發(fā)生多個“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”,分子結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)郊娱L,水化反應(yīng)機制更為復(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)值模擬等方法對不同高溫養(yǎng)護(hù)條件多元膠凝材料水化反應(yīng)機制和水化反應(yīng)動力過程深入研究,建立考慮溫度-濕度影響的多元復(fù)合膠凝材料水化動力模型,確定水化動力模型參數(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)合膠凝材料水化動力過程研究和性能影響機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)針對不同強度等級混凝土,通過正交試驗和數(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深長隧道襯砌混凝土,混凝土強度等級較低,而深部礦井等高強高性能混凝土結(jié)構(gòu)在高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下性能影響研究相對較少。高強混凝土和普通混凝土的水膠比和密實性差異較大,對高溫養(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-水力場-溫度場等多場耦合復(fù)雜荷載條件,其高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下高強混凝土性能演化規(guī)律及優(yōu)化改性問題亟待研究。同時,對高溫養(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)及長期高地溫環(huán)境下工作的工程設(shè)計及應(yīng)用。

5 結(jié)論

高地溫環(huán)境是深部礦井和深長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)加強高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土水化動力學(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)測模型,拓展高溫養(yǎng)護(hù)混凝土應(yīng)用領(lǐng)域和強度等級的研究,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)計和施工提供指導(dǎo)。