范利丹，徐峰，余永強(qiáng)*，張紀(jì)云，孫亮，楊蒙

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454000；2.河南省地下空間開發(fā)及誘發(fā)災(zāi)變防治國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，焦作 454000)

基于隧道和地下工程開挖深度的不斷增加[1]，研究人員面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的問題——高地溫(又稱高巖溫，通常將環(huán)境溫度超過28 ℃定義為高地溫[2])，引起該現(xiàn)象的熱源主要有地球的火山巖漿集中處的地?zé)岷头派湫栽氐牧炎儫幔约暗叵聼崴萚3-4]。目前多數(shù)地下工程采用噴射混凝土進(jìn)行襯砌支護(hù)，高地溫使得混凝土成型時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)在均勻性、密實(shí)性等方面存在欠缺，并導(dǎo)致其力學(xué)性能和耐久性不足。由于混凝土與高溫圍巖直接接觸[5]，持續(xù)的高溫作用，使得熱力學(xué)參數(shù)存在差異的巖石與噴射混凝土的接觸面產(chǎn)生應(yīng)力集中[6]，進(jìn)而造成混凝土-圍巖的黏結(jié)性降低，從而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致支護(hù)效果大大折減。此外，地下工程掘進(jìn)在經(jīng)過高溫地段時(shí)，在缺少工程相關(guān)應(yīng)對(duì)措施的情況下，施工往往進(jìn)展緩慢甚至停滯不前，更甚者還會(huì)造成機(jī)械設(shè)備損壞和人員傷亡[7-10]。

針對(duì)高地溫帶來的一系列工程問題，已有專家學(xué)者對(duì)支護(hù)噴射混凝土進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，以期為實(shí)際工程提供技術(shù)指導(dǎo)，從而盡可能減少熱害對(duì)工程的影響程度。為此，以地下工程的支護(hù)混凝土為研究對(duì)象，在總結(jié)大量相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)概述了高溫對(duì)混凝土的性能影響，以及礦物摻合料、纖維材料、輕質(zhì)多孔材料的加入對(duì)混凝土性能的改善效果，并指出了后期的研究重點(diǎn)和亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 高溫對(duì)混凝土性能的作用機(jī)理

1.1 水化反應(yīng)

高溫環(huán)境下，混凝土中的水泥會(huì)快速進(jìn)入水化反應(yīng)階段[11-12]，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物，其擴(kuò)散來不及充分進(jìn)行[13]，容易使水泥出現(xiàn)假凝和鈣化等不均勻現(xiàn)象，并在短時(shí)間內(nèi)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力[14]，如80 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境的水化反應(yīng)速率較20 ℃提高了5倍，而100 ℃的更是提高了近9倍，水化反應(yīng)的過快發(fā)生，勢(shì)必造成水化產(chǎn)物的高濃度聚集，此時(shí)的水化產(chǎn)物不僅比表面積小，而且結(jié)晶粗大、分布極不均勻[15]，并且易在水泥顆粒表面快速形成高密度外殼并阻礙游離水的進(jìn)入和后續(xù)水化反應(yīng)的進(jìn)行[16-18]。另有研究指出，由于持續(xù)的高溫將導(dǎo)致部分水泥水化產(chǎn)物脫水[19-20]、密實(shí)性下降、黏結(jié)強(qiáng)度降低等[21-22]。地下熱水若長(zhǎng)期侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)，還會(huì)造成體系內(nèi)的一些微裂縫不斷擴(kuò)展，造成更為嚴(yán)重的破壞[23]。

1.2 溫度應(yīng)力

高地溫環(huán)境中，處于支護(hù)狀態(tài)下的混凝土緊貼巖石一側(cè)接觸高溫并逐漸向外側(cè)面?zhèn)鬟f，從而伴隨著整體受熱不均勻化?；炷猎谠缙谒療釤o(wú)法及時(shí)散出的情況下會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部因溫度過高而產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力，加之溫度對(duì)水的蒸發(fā)作用和氣體的膨脹作用使得混凝土變形越來越大，拉應(yīng)力產(chǎn)生并逐漸增大，這是混凝土開裂的又一重要影響因素[13, 15, 24-26]。圍巖內(nèi)溫度場(chǎng)的變化使其產(chǎn)生熱應(yīng)力，并作為一種附加應(yīng)力持續(xù)作用于圍巖和噴層[27-28]，致使混凝土產(chǎn)生較多的貫穿微裂隙和裂縫[18]。

1.3 耐久性

高溫致使混凝土在硬化過程中密實(shí)度降低，繼而產(chǎn)生抗?jié)B性降低[29]、氯離子侵蝕[30]、堿骨料反應(yīng)(包括堿-硅酸鹽反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng))等劣化作用[18]。在堿骨料反應(yīng)和溫度應(yīng)力的作用下，裂縫的發(fā)展不斷加劇，外界硫酸鹽物質(zhì)易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，硫酸根離子與水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成膨脹性水化產(chǎn)物鈣礬石，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力[14, 31]，促使更多、更大孔隙和裂縫的生成，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。另外，高溫作用易促使混凝土后期產(chǎn)生裂縫，并加快碳化[18,29, 32]，且碳化深度會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而不斷加深[26, 33]，進(jìn)一步促使混凝土收縮產(chǎn)生裂縫，從而使結(jié)構(gòu)的耐久性降低[34]。高溫還會(huì)導(dǎo)致水泥中的石膏溶解度降低，從而使得部分石膏在早期無(wú)法與鋁酸三鈣(C3A)反應(yīng)，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生類似于硫酸鹽侵蝕的膨脹反應(yīng)效果，晶體的轉(zhuǎn)變對(duì)強(qiáng)度和耐久性越發(fā)不利[31]。溫度升高使水由液相向氣相轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)增加并產(chǎn)生熱脹作用，進(jìn)而對(duì)混凝土內(nèi)部空隙、凝膠孔內(nèi)壁產(chǎn)生膨脹作用；在此過程中，液態(tài)水的表面能也會(huì)隨之降低，黏性下降，水進(jìn)一步的汽化與轉(zhuǎn)移，使得混凝土內(nèi)部更多連通孔隙因此形成[31-32]，從而對(duì)耐久性帶來不利影響[33-34]。

2 高地溫對(duì)地下混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

2.1 對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

黏結(jié)強(qiáng)度作為混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)條件，其降低勢(shì)必會(huì)直接削弱混凝土的支護(hù)效果。早期的研究認(rèn)為[17, 35]，混凝土在高溫下隨溫度升高強(qiáng)度增幅較低的主要原因是高溫導(dǎo)致水泥水化程度降低，后期的研究則更多的關(guān)注混凝土的力學(xué)性能。在相對(duì)濕度大于90%的高溫條件下養(yǎng)護(hù)混凝土，其早期抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而升高，但40 ℃養(yǎng)護(hù)的混凝土28 d強(qiáng)度與20 ℃接近，60 ℃養(yǎng)護(hù)的28 d強(qiáng)度已低于20 ℃[36]。利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖1[36]所示，20 ℃的養(yǎng)護(hù)溫度下，水化產(chǎn)物具有良好整體性和致密性，呈簇狀發(fā)展；當(dāng)溫度升至40 ℃時(shí)，水化產(chǎn)物呈粒狀形態(tài)，顆粒間孔隙增多，接觸面減少；當(dāng)溫度繼續(xù)升至60 ℃，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松多孔，呈松散狀，有效聚合度再次降低。對(duì)干熱環(huán)境下養(yǎng)護(hù)混凝土的研究表明，溫度越高或養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，用于水化反應(yīng)的水分流失越快，混凝土收縮過大導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度的損失就會(huì)越嚴(yán)重[21]。分析認(rèn)為，養(yǎng)護(hù)溫度越高，膠凝體厚度越大[37]，包裹在水泥顆粒表面的水化硅酸鈣(C-S-H)膠凝體層的厚度和密度將決定最后的水化程度[16,38]。Tang等[5]研究發(fā)現(xiàn)，25%相對(duì)濕度下失去黏結(jié)強(qiáng)度的臨界溫度為75 ℃，且該臨界溫度會(huì)隨著濕度的升高而升高；當(dāng)相對(duì)濕度控制在90%時(shí)，溫度越高，黏結(jié)強(qiáng)度越低；當(dāng)溫度恒定時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)濕度的增加而增大，即充足的濕度是高溫環(huán)境下黏結(jié)強(qiáng)度的有力保障，而溫度過高，即使環(huán)境濕度充足，黏結(jié)強(qiáng)度增幅也會(huì)很小，甚至倒縮。

圖1 不同溫度下水化產(chǎn)物SEM圖[36]

巖石與混凝土黏結(jié)時(shí)，由于彈性模量和熱膨脹系數(shù)等參數(shù)不同，導(dǎo)致溫度變化下的熱變形也不盡相同，使得黏結(jié)面處形成強(qiáng)度薄弱區(qū)域，從而容易在接觸面發(fā)生破壞[39]。高濕較低濕養(yǎng)護(hù)的混凝土黏結(jié)強(qiáng)度高，其原因在于高溫高濕環(huán)境下，混凝土中的毛細(xì)水能得到源源不斷的補(bǔ)充，可以促進(jìn)水化反應(yīng)的二次進(jìn)行[40]，進(jìn)而使得C-S-H膠凝體數(shù)量增加，黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)；高溫低濕環(huán)境下，C-S-H膠凝體易脫水，而C-S-H膠凝體正是黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵所在。對(duì)50 ℃和90 ℃養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土黏結(jié)面處進(jìn)行SEM和計(jì)算機(jī)體層攝影(computed tomography，CT)[41]，對(duì)比發(fā)現(xiàn)90 ℃的黏結(jié)面處混凝土疏松度明顯高于50 ℃，孔洞數(shù)量更多、孔徑更大、密實(shí)度更低，原因在于熱量從較高溫度的巖石傳向較低溫度的混凝土，在此熱量傳遞過程中，熱膨脹效應(yīng)的作用使得大量生成且來不及擴(kuò)散開的C-S-H膠凝體包裹在水泥顆粒表面并阻止水分進(jìn)入進(jìn)行后續(xù)的水化反應(yīng)，變得稀松多孔[32]，混凝土內(nèi)毛細(xì)孔的擴(kuò)張形成大量龜裂紋路并逐漸貫通，局部薄弱點(diǎn)可能會(huì)造成整體強(qiáng)度的降低，鈣礬石等再水化產(chǎn)物易在微裂紋中生成并發(fā)展[42-43](圖2[43])。研究表明，不同養(yǎng)護(hù)溫度不僅會(huì)對(duì)固相形態(tài)產(chǎn)生影響，還會(huì)影響液相組成，尤其是當(dāng)溫度超過50 ℃時(shí)，單硫型硫鋁酸鈣的生成，使粗大的鈣礬石數(shù)量減少且結(jié)構(gòu)變短[37]，對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的提高產(chǎn)生不利作用，且水化產(chǎn)物更加分布不均勻，結(jié)合水含量顯著降低，進(jìn)一步加劇界面處黏結(jié)的劣化程度[44]。

圖2 裂縫中的再水化產(chǎn)物[43]

溫度和濕度在混凝土水化凝結(jié)階段的過程中起著極其重要的作用，直接影響著混凝土與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度的強(qiáng)弱。在一定的濕度環(huán)境中，當(dāng)溫度不超過某一閾值時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的升高而增加，超過該溫度閾值，便會(huì)產(chǎn)生溫度負(fù)效應(yīng)?；炷僚浔群铜h(huán)境濕度都會(huì)影響到產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的溫度閾值，高濕環(huán)境中，充足的水分可以保證混凝土水化反應(yīng)的有序進(jìn)行，以提高黏結(jié)強(qiáng)度，干燥環(huán)境中的混凝土?xí)霈F(xiàn)黏結(jié)強(qiáng)度不足甚至開裂脫落現(xiàn)象。

2.2 對(duì)力學(xué)性能的影響

混凝土拌合后，各材料相互填充，而其中只有液相(水和添加劑)與空氣泡可以擠壓遷移或被壓縮；進(jìn)入水化反應(yīng)階段后，水化產(chǎn)物會(huì)隨著液相的遷移運(yùn)動(dòng)逐漸填充原本液相和氣泡所占據(jù)的空間；高溫會(huì)促使更多的液相被反應(yīng)消耗和擠壓，結(jié)構(gòu)內(nèi)部絕大部分孔隙被水化產(chǎn)物填充；隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，孔隙結(jié)構(gòu)與孔徑分布得到細(xì)化，有害孔隙占比較小，漿體密實(shí)度不斷得到提升，強(qiáng)度也隨之提高。高地溫環(huán)境中，由于水泥基材升溫過快、失水(高溫低濕環(huán)境下)、物理化學(xué)收縮、界面溫度不均勻等原因引起的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化十分復(fù)雜[16,45-47]，而混凝土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)性能影響顯著。

混凝土的強(qiáng)度不僅受水化產(chǎn)物的數(shù)量影響，還與水化產(chǎn)物的質(zhì)量、分布以及界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，溫度的適度提高可以增加水泥顆粒的反應(yīng)活性，加快反應(yīng)速率。在40 ℃以下溫度的干熱環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，早齡期階段的混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度普遍高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的，隨著齡期發(fā)展至7 d，劈裂抗拉強(qiáng)度開始轉(zhuǎn)為劣勢(shì)狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度[48]。在50%的濕度環(huán)境中，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度都隨著溫度的升高呈先上升后下降趨勢(shì)，分界點(diǎn)分別為72 ℃和57 ℃[49]。即使高濕度環(huán)境，65 ℃和75 ℃高溫養(yǎng)護(hù)下的28 d混凝土強(qiáng)度也接近甚至低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土，且養(yǎng)護(hù)溫度的升高使得混凝土發(fā)展強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的齡期越發(fā)提前[50]。

研究表明，20～70 ℃時(shí)，溫度升高，混凝土自由水蒸發(fā)開始加快，內(nèi)部顯示出孔隙膨脹趨勢(shì)[13]；當(dāng)溫度超過70 ℃，混凝土自由水蒸發(fā)的同時(shí)大量結(jié)合水也開始受熱蒸發(fā)作用，各組分熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致混凝土內(nèi)部不均勻變形越發(fā)嚴(yán)重，發(fā)生擠壓和牽引作用形成的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，造成原有裂紋的擴(kuò)展與新裂紋的生成，且噴射混凝土結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力會(huì)隨著線膨脹系數(shù)增大而增大[51]。

高地溫作用下，隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖、施噴、打眼支護(hù)等階段都會(huì)受到圍巖溫度場(chǎng)的影響[52]。利用有限單元法對(duì)施工洞室及圍巖進(jìn)行仿真模擬[53-54]，并施加溫度-應(yīng)力初始條件和邊界條件，發(fā)現(xiàn)夏季的底板、邊墻和頂拱的最大內(nèi)表溫差各異，從而導(dǎo)致了不同部位不同程度的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力；且冬季因?yàn)闅鉁剌^低，內(nèi)表溫差更為明顯，更容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，較大溫度梯度的產(chǎn)生，容易在襯砌混凝土內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力[15, 52,55]。以熱力耦合數(shù)值模擬手段[56]，發(fā)現(xiàn)初期襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱處的軸力隨圍巖溫度的升高而升高，而拱頂、拱肩、拱腰和邊角處的彎矩值也是如此；溫度越高，支護(hù)結(jié)構(gòu)各處拉應(yīng)力增幅越明顯，50 ℃以后急劇變化甚至破壞，且錨桿軸力和襯砌應(yīng)力表現(xiàn)極為明顯[52]。

3 高地溫地下工程支護(hù)用混凝土研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)混凝土具有自重大、耐久性差、導(dǎo)熱系數(shù)大等缺點(diǎn)，如若應(yīng)用于高地溫地段，這些劣勢(shì)將會(huì)被放大，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性得不到保證。現(xiàn)階段，針對(duì)高地溫巷道的隔熱問題，主要方法有施作熱幛法、注漿隔熱法以及噴射混凝土隔熱法[57]。其中最為有效且簡(jiǎn)單易行的是噴射混凝土隔熱法，其不僅起到隔熱作用，還將對(duì)圍巖起到加固支護(hù)作用，此方法的關(guān)鍵在于兼具隔熱和增強(qiáng)作用噴射混凝土的研制。

3.1 礦物摻合料混凝土

在傳統(tǒng)混凝土的基礎(chǔ)上加入粉煤灰、礦渣、硅灰、沸石粉等礦物摻合料，以其火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)和界面效應(yīng)，可達(dá)到優(yōu)化高溫下混凝土微觀結(jié)構(gòu)的界面過渡區(qū)、改善混凝土力學(xué)性能和耐久性的目的。

在養(yǎng)護(hù)溫度不超過50 ℃時(shí)，礦粉、粉煤灰-硅灰受高溫作用激發(fā)，火山灰活性發(fā)揮較好，早期水化反應(yīng)程度較常溫養(yǎng)護(hù)提高；高細(xì)度、無(wú)定形的SiO2與Ca(OH)2二次水化反應(yīng)生成能較好填充混凝土內(nèi)部微小孔隙結(jié)構(gòu)的水化硅酸鈣和鋁酸鈣膠凝產(chǎn)物[40]，并消耗大部分低強(qiáng)度、低穩(wěn)定性且集中在界面過渡區(qū)的Ca(OH)2，使水化產(chǎn)物增多，漿體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不斷得到填充密實(shí)；并且粉煤灰和礦渣可填充混凝土內(nèi)孔隙、阻塞泌水通道、切斷侵蝕物質(zhì)侵入的連通路徑，混凝土成型更為密實(shí)，從而減小硫酸鹽侵蝕和碳化等[26]，強(qiáng)度和抗氯離子滲透性得到提高[58]。如若養(yǎng)護(hù)溫度高于60 ℃或濕度低于50%時(shí)，則會(huì)因體系中水分不足，無(wú)法充分激發(fā)礦物摻合料中的火山灰活性，導(dǎo)致水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低，單摻或雙摻粉煤灰與礦渣的混凝土隨溫度升高，抗氯離子和抗?jié)B性能均會(huì)降低[32,59]。

粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物摻合料因具有不同粒徑，在復(fù)摻情況下可以較好發(fā)揮空間補(bǔ)償?shù)男Ч⑶視?huì)產(chǎn)生效應(yīng)疊加和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，如粉煤灰具有早期活性低的特點(diǎn)，因此其可以保證后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，而硅灰的早期活性較高，可以保證體系的早期強(qiáng)度，礦渣則會(huì)在水化產(chǎn)物部分生成所造成的堿性環(huán)境下發(fā)揮其水硬活性，摻合料性能取長(zhǎng)補(bǔ)短相輔相成，有利于二次水化反應(yīng)的誘導(dǎo)激活，增加膠凝材料的生成量，提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度[60]。

磷渣作為一種礦物材料加入混凝土中，會(huì)起到緩凝作用。對(duì)含磷渣復(fù)合膠凝材料水化機(jī)理的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下磷渣的摻入會(huì)延緩膠凝材料的水化反應(yīng)進(jìn)程，降低水化反應(yīng)程度，而隨著溫度升高(溫度界限為60 ℃)，磷渣復(fù)合膠凝材料能提高水泥后期水化程度，有效提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和后期強(qiáng)度，溫度再升高其強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象[61]。

圖3 7 d養(yǎng)護(hù)齡期的水化產(chǎn)物SEM圖[63]

高溫下礦物摻合料混凝土性能的相關(guān)研究成果，具體如表1[29，64-71]所示。對(duì)粉煤灰與礦粉摻合料混凝土高溫下的力學(xué)性能等方面研究發(fā)現(xiàn)[72-73]，養(yǎng)護(hù)劑(尤其是水玻璃型養(yǎng)護(hù)劑)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響也非常顯著，原因在于養(yǎng)護(hù)劑能較好地鎖住混凝土中的水分，使其水化反應(yīng)得以充分進(jìn)行，且對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能和抗碳化性能的提高具有顯著效果。

表1 高溫下礦物摻合料混凝土性能

混凝土在其早期強(qiáng)度發(fā)展階段，存在一個(gè)最佳溫度使其強(qiáng)度在設(shè)計(jì)齡期內(nèi)達(dá)到最大值[60]。對(duì)于普通水泥或改性水泥，達(dá)到其較高強(qiáng)度的最佳溫度為13 ℃，而快硬水泥的最佳溫度僅為4 ℃，但是對(duì)摻入粉煤灰的混凝土而言，可獲得40 ℃、200 d水養(yǎng)環(huán)境下的較高強(qiáng)度，也可獲得60 ℃水養(yǎng)環(huán)境下的28 d齡期的較高強(qiáng)度；而若想在更短齡期獲得更高強(qiáng)度，就需采取更高溫度的水養(yǎng)環(huán)境，但此時(shí)的養(yǎng)護(hù)齡期與水養(yǎng)溫度也并非是可以無(wú)限縮短或提高。

在高地溫環(huán)境中，持續(xù)的高溫作用會(huì)使混凝土力學(xué)性能和耐久性受損，而加入礦物摻合料可以通過減緩混凝土前期水化速度，使水化反應(yīng)充分進(jìn)行以獲得更為致密的水化產(chǎn)物，從而形成更為均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善。尤其在不超過50 ℃的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，礦物摻合料混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)一般會(huì)隨溫度的升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，加入礦物摻合料是提高高溫環(huán)境中混凝土性能的重要措施[74-75]。

3.2 輕質(zhì)混凝土

熱力學(xué)第二定律表明熱量的傳遞是從高溫物體(固相、液相)向低溫物體進(jìn)行，當(dāng)傳遞路徑一直為固相無(wú)其他介質(zhì)時(shí)，傳熱路徑短、傳遞速度快，熱量散失就會(huì)少；而一旦遇到空氣泡時(shí)，由于空氣的傳熱阻力較大，導(dǎo)熱性較差，傳遞路徑變長(zhǎng)，使得部分熱能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，加熱的氣體又與氣泡壁發(fā)生對(duì)流換熱和輻射換熱，就會(huì)導(dǎo)致熱量在較多氣泡的傳遞過程中散失，甚至逐級(jí)遞減[74-75]。輕質(zhì)混凝土多用作保溫隔熱材料，正是利用多孔材料的上述傳熱特性所發(fā)揮的隔熱性能。

近年來，學(xué)者們將輕質(zhì)混凝土應(yīng)用拓展至巷道隔熱支護(hù)領(lǐng)域。陶粒、?；⒅榈茸鳛檩p質(zhì)材料，其內(nèi)部多孔，具有良好的保溫隔熱效果[76-77]，耐火極限遠(yuǎn)超普通混凝土材料。此外，相較于普通混凝土，輕質(zhì)混凝土具有密度小、比強(qiáng)度高[78]、優(yōu)良的抗震性和抗裂性[79-80]以及與基材黏結(jié)牢固的特點(diǎn)。在室內(nèi)模擬濕熱地下的工程環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn)[36]，60 ℃養(yǎng)護(hù)的陶?；炷料噍^于40 ℃和20 ℃，其微觀結(jié)構(gòu)孔隙率升高，孔徑增大，以致混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗氯離子侵蝕等性能均有所降低，但其保溫隔熱性能良好，且強(qiáng)度基本滿足工程所需。

在高地溫巷道支護(hù)工程中，一方面要求混凝土具有較高強(qiáng)度，另一方面要求其具有隔熱的多孔結(jié)構(gòu)，因此，在制備輕質(zhì)隔熱混凝土?xí)r，采取最優(yōu)化的配合比，不僅能夠使膠凝材料水化反應(yīng)充分，同時(shí)還能優(yōu)化界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，從而在保證混凝土較小導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，增加結(jié)構(gòu)的均勻度和整體性，最大限度提高輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度，降低有害孔隙對(duì)強(qiáng)度的弱化效果。針對(duì)上述情形，采取質(zhì)量取代法，用陶粒代替粗骨料(取代率分別為30%、50%和70%)，用?；⒅榇娌糠旨?xì)骨料，使配制的混凝土不僅具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，還具有保溫隔熱效果：養(yǎng)護(hù)60 d的導(dǎo)熱系數(shù)為0.23～0.32 W/(m·K)，明顯低于普通混凝土的1.71 W/(m·K)，且抗壓強(qiáng)度在14.60～26.90 MPa；當(dāng)嚴(yán)格控制陶粒粒徑和砂率的關(guān)系時(shí)，還能提高混凝土的力學(xué)性能[81]。同樣，采用陶粒部分取代粗骨料來彌補(bǔ)輕粗骨料帶來的強(qiáng)度不足缺陷，測(cè)得不同配比下試件的抗壓強(qiáng)度為16.3～27.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.24～1.72 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.185 2～0.248 2 W/(m·K)，各性能均滿足深井巷道的隔熱支護(hù)要求；該研究最佳配比的陶粒粒徑為5～10 mm，陶粒取代粗骨料質(zhì)量的40%，?；⒅闉榛炷馏w積的120%，粉煤灰取代水泥質(zhì)量的20%[82]。

為研究陶粒在噴射混凝土組成材料上對(duì)混凝土的力學(xué)性能和隔熱性能等方面的影響權(quán)重，在混凝土中加入陶粒、?；⒅橐约敖斩捓w維等隔熱材料[83]，以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析和層次分析方法得出陶粒在混凝土力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能方面起到主控作用，占比分別高達(dá)63.3%和59.99%，力學(xué)方面的影響主要在于陶粒的“吸水-返水”功能[84]。在對(duì)陶粒和玻化微珠等材料隔熱和力學(xué)性能研究的同時(shí)，利用ANSYS有限元軟件分析發(fā)現(xiàn)[85]，噴層的導(dǎo)熱系數(shù)較其噴設(shè)厚度敏感度高，故在高地溫地段施工時(shí)，宜優(yōu)先考慮導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，而非是厚度大的支護(hù)體系；在巷道支護(hù)方面，還提出了“礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌”主動(dòng)隔熱降溫的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)和方法，即利用網(wǎng)殼錨噴起到強(qiáng)力支護(hù)效果，利用隔熱混凝土起到主動(dòng)降溫目的，在巷道溫度長(zhǎng)期保持在27 ℃、壁面溫度超過27.5 ℃的掘進(jìn)工作面該隔熱結(jié)構(gòu)的效果明顯，壁面溫度平均下降2 ℃。

以玻化微珠為主要隔熱基材[86]，其摻入量的增加使得水泥砂漿的力學(xué)性能、軟化系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)均降低；而當(dāng)水泥摻入量增加，且保持玻化微珠與水泥摻量比值不變時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均會(huì)提升，研究得出配合比為水泥∶砂子∶水=1∶3∶1.2，且玻化微珠的摻量為水泥質(zhì)量的50%時(shí)，所制得的隔熱材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。將其應(yīng)用于巷道支護(hù)的“注漿隔熱”與“噴漿隔熱”新型材料，通過對(duì)該隔熱方案的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2 000 m巷道的風(fēng)流溫度平均降幅約3 ℃，隔熱效果和支護(hù)效果、以及經(jīng)濟(jì)效益顯著[75]。

基于多孔材料的研究，文獻(xiàn)[74]研究發(fā)現(xiàn)，蛭石砂漿內(nèi)存在大量空氣泡，在攪拌時(shí)易引入空氣從而在水化產(chǎn)物與蛭石顆粒之間形成空氣夾層，熱量必須經(jīng)過“水化產(chǎn)物—空氣夾層—蛭石—空氣夾層—水化產(chǎn)物”這一復(fù)雜的路徑進(jìn)行傳遞，氣體夾層與蛭石表面經(jīng)過多道對(duì)流換熱路徑而消耗大量熱能，從而起到較好的阻熱隔熱目的；當(dāng)在石門表面噴射含有單向?qū)岬尿问皾{，且噴層厚度為6 cm時(shí)，可達(dá)到最佳隔熱效果。有研究采用蛭石等材料制成導(dǎo)熱系數(shù)約為0.37 W/(m·K)的隔熱材料，并在強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法同時(shí)滿足需求時(shí)，提出阻熱圈的隔熱思路[87-88]，即噴射混凝土-松動(dòng)圈注隔熱材料-噴射隔熱層-噴射混凝土，其思想在于將噴漿與注漿、噴隔熱材料與注隔熱材料有機(jī)結(jié)合，從而使巷道的隔熱層與松動(dòng)圈形成一個(gè)大的隔熱支護(hù)體系，該體系可使巷道全服務(wù)周期內(nèi)的熱量減排29%～40%。

3.3 纖維混凝土

纖維材料應(yīng)用于混凝土中可有效改善混凝土脆性大、易開裂等結(jié)構(gòu)缺陷。在混凝土裂縫產(chǎn)生初期、應(yīng)力重新分布的情況下，原本的應(yīng)力將有一部分由纖維來承擔(dān)，而纖維材料也會(huì)將小部分應(yīng)力傳遞至遠(yuǎn)處未開裂的混凝土硬化體上，將較大應(yīng)力細(xì)小化(讓壓能力)，避免應(yīng)力集中部位產(chǎn)生較大裂紋[89]；若裂縫處纖維越多，形成的網(wǎng)狀越牢固，所承受的應(yīng)力就會(huì)越分散，從而延長(zhǎng)裂縫擴(kuò)展時(shí)間，大大提高混凝土延性，并優(yōu)化混凝土與圍巖的界面性質(zhì)，提高界面黏結(jié)強(qiáng)度[90]?；阡摾w維與混凝土之間較好的黏結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力等作用，70 ℃濕熱環(huán)境下鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度起到一定的提升作用[64]；70 ℃干熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境中玄武巖纖維加入亦可增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度并抑制其開裂[90]。另外，纖維材料的形態(tài)對(duì)混凝土的力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生重要影響[47]：100 ℃的干熱環(huán)境下?lián)饺氩ɡ诵武摾w維，混凝土的1、7、28 d的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于不加纖維的混凝土分別提高了17.2%、37.5%和119.4%，而加入端鉤形鋼纖維的抗壓強(qiáng)度則分別提高了88.5%、72.6%和110.6%，且波浪形鋼纖維和端鉤鋼纖維混凝土總的孔隙率分別下降了60.1%和54.6%，大大降低了混凝土的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)混凝土中摻入一定纖維材料時(shí)，由于纖維的間斷性，使熱量的傳遞不能形成連續(xù)通路，即相當(dāng)于產(chǎn)生界面裂隙，而界面裂隙可對(duì)熱量的傳遞起到削弱效果。另外，對(duì)于鋼纖維，由于其自身的高導(dǎo)熱性，使混凝土內(nèi)部溫度迅速達(dá)到均勻狀態(tài)，從而可以減少溫度梯度引起的內(nèi)應(yīng)力，減少內(nèi)部損傷[46]?？傮w而言，纖維材料對(duì)熱量的阻隔效果并不十分理想，而混凝土中加入纖維材料的主要目的是發(fā)揮其增強(qiáng)、增韌和阻裂等特性，因此，目前的研究中，多數(shù)情況是將纖維材料與上述礦物摻合料或輕質(zhì)多孔材料相結(jié)合，從而發(fā)揮各自的優(yōu)良性能，有效降低強(qiáng)度損失，達(dá)到穩(wěn)定支護(hù)的同時(shí)對(duì)熱量也起到一定阻隔作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維、聚丙烯纖維、玻化微珠3種材料同時(shí)摻入混凝土中時(shí)，濕熱環(huán)境下溫度由20 ℃升至70 ℃，再升至120 ℃的過程中，混凝土強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)；相對(duì)于鋼纖維混凝土，因鋼纖維和聚丙烯纖維的同時(shí)存在，使得混凝土和易性降低，從而導(dǎo)致強(qiáng)度稍有降低，但仍能夠滿足巷道支護(hù)要求[13]；在作用機(jī)理方面[91]，?；⒅槠鸬浇档突炷恋臏囟让舾行院蜏囟葌鬟f引起的內(nèi)部損傷效果，而纖維材料可以為混凝土提供水平拉應(yīng)力，如變形初期，鋼纖維將承擔(dān)大部分荷載，屈服階段及后期將由聚丙烯纖維承擔(dān)大部分荷載。三種材料共同作用，有效抑制混凝土中裂紋的發(fā)展，減少孔隙率，大大削弱高溫引起的強(qiáng)度損失。

4 高地溫地下支護(hù)試驗(yàn)?zāi)M

一般情況下，高地溫可分為“高溫高濕”和“高溫低濕”，在探究高地溫問題時(shí)，由于實(shí)際工程環(huán)境較為復(fù)雜，研究人員需從不同角度來考慮各種因素的影響，因此，在進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的好壞往往對(duì)研究過程及結(jié)果起到關(guān)鍵作用。

在研究干熱環(huán)境對(duì)噴射混凝土與巖石黏結(jié)強(qiáng)度的影響時(shí)[21]，選取35、50、70 ℃干熱養(yǎng)護(hù)工況，并以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)作為對(duì)照組。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件時(shí)，先將巖石板在常溫干燥處放置，待噴上混凝土后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境進(jìn)行齡期為7 d和28 d的養(yǎng)護(hù)；其余工況是將巖石板在烘箱中加熱至指定溫度并保溫2 h后取出，待混凝土噴射完畢2 h后置于特定溫度的烘箱中養(yǎng)護(hù)7 d和28 d?？紤]到因加載偏心而引起的對(duì)黏結(jié)面的撕裂破壞導(dǎo)致的對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)定的不利影響，在原拉拔設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)拉拔試件與拉拔設(shè)備之間的可活動(dòng)鉸接，對(duì)原鉆芯拉拔法進(jìn)行了改進(jìn)，使拉拔強(qiáng)度結(jié)果更為可靠。為模擬隧洞不同工況下的溫濕度環(huán)境，開發(fā)了的溫濕度控制系統(tǒng)[5, 92]，可通過加熱裝置來加熱巖石使其達(dá)到所需環(huán)境條件，并在高溫下進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)，盡可能保證試驗(yàn)條件與實(shí)際工程條件的相似度(圖4[5])。高溫圍巖開挖暴露后，風(fēng)的作用將會(huì)使圍巖表面溫度降低，為使養(yǎng)護(hù)環(huán)境最大限度接近實(shí)際工況，后又增設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)，該舉措遵循巷道通風(fēng)需求，加速水分循環(huán)[39]。

圖4 室內(nèi)溫度與濕度控制系統(tǒng)[5]

5 結(jié)論

地下工程支護(hù)是保證地下工程安全施工及運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)措施，對(duì)于高地溫地下支護(hù)工程，熱害問題會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷和支護(hù)材料性能劣化。摻有礦物摻合料、輕質(zhì)多孔材料和纖維材料的新型隔熱混凝土，由于其在高溫下的較低導(dǎo)熱率和較好力學(xué)性能，已被應(yīng)用于隧洞和巷道的隔熱支護(hù)體系中。通過對(duì)目前高地?zé)岬叵鹿こ讨ёo(hù)材料研究現(xiàn)狀的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，支護(hù)材料的支護(hù)效果與隔熱作用彼此間存在一定矛盾性，且在研究實(shí)施時(shí)要緊密結(jié)合工程的實(shí)際情況和現(xiàn)實(shí)需求，得出如下結(jié)論。

(1)地下工程中的圍巖，因其類型和礦物組成的不同，在比熱、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等熱學(xué)性能方面存在差異，在高溫下產(chǎn)生的熱變形及溫度應(yīng)力各不相同，從而影響到與支護(hù)材料的黏結(jié)性能。另一方面，對(duì)于巖石界面粗糙度，因其影響界面處的摩擦力與嚙合力等，對(duì)巖石-支護(hù)材料界面的黏結(jié)強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度有重要影響，但是目前的試驗(yàn)研究鮮有涉及。因此，在深入研究高地溫地下工程支護(hù)材料時(shí)，不同類型的巖石以及巖石的界面粗糙度可作為影響支護(hù)性能的因素加以考慮。

(2)隧(巷)道的支護(hù)工序緊跟著工作面的開挖不斷推進(jìn)，因此支護(hù)材料會(huì)首先暴露于與初始巖溫接近的高溫環(huán)境下，隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行以及各種通風(fēng)降溫措施的實(shí)施，圍巖體及支護(hù)材料表面溫度大幅降低，直至降到比環(huán)境溫度略高，即支護(hù)材料處于時(shí)間上的不均勻溫度場(chǎng)中。因此，有必要探索圍巖和支護(hù)材料在溫度和時(shí)間共同影響作用下的力學(xué)行為變化規(guī)律，以便更好地對(duì)其進(jìn)行控制和應(yīng)用。

(3)近年來對(duì)隧道的安全性要求越來越高，《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)規(guī)定，高速鐵路隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年。隧道結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料本身都會(huì)影響到耐久性，如何保證支護(hù)材料性能在較長(zhǎng)服務(wù)期內(nèi)不退化、不劣化，也是需要關(guān)注的重點(diǎn)，因此有必要開展支護(hù)材料的耐久性研究。

(4)現(xiàn)階段高地溫地下工程支護(hù)材料的研究開發(fā)，大多是在材料中引入多孔隔熱組分，但在提高材料隔熱性能的同時(shí)往往會(huì)降低其力學(xué)性能，因此研發(fā)一類兼具多種優(yōu)良特性的新型支護(hù)材料，如兼具良好力學(xué)性能、耐高溫、隔熱效果好、耐久性好，且綠色環(huán)保的地質(zhì)聚合物材料[93-95]，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究和性能調(diào)配，使其適用于高地溫地下支護(hù)工程，是值得學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。