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        高地溫噴射混凝土宏細(xì)觀損傷特征試驗分析

        2022-07-24 06:07:00宿輝孫熇遠(yuǎn)劉世偉胡寶文尹文強
        科學(xué)技術(shù)與工程 2022年18期
        關(guān)鍵詞:波速超聲波孔隙

        宿輝, 孫熇遠(yuǎn), 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(xué)水利水電學(xué)院, 邯鄲 056006; 3.山東泰安抽水蓄能電站有限責(zé)任公司, 泰安 271000)

        隨著中國深部地下空間開發(fā)戰(zhàn)略的逐步全面實施,深部巖土工程的賦存環(huán)境趨向復(fù)雜化,以中國西部高地溫環(huán)境下的巖土工程建設(shè)最具代表性[1]。噴射混凝土襯砌是深部隧洞的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)形式[2]。高地溫環(huán)境易引發(fā)結(jié)構(gòu)與圍巖強度弱化,致使地下工程災(zāi)害事故頻發(fā)[3],尤其是高地溫誘發(fā)混凝土襯砌損傷與支護(hù)結(jié)構(gòu)自身強度及穩(wěn)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(xué)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(fā)射技術(shù)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(fā)現(xiàn)溫度升高將導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量損失增加,抗拉和抗壓強度降低,預(yù)示著溫度的升高誘發(fā)混凝土的損傷程度加?。粍⒅居碌萚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(jié)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(shù)字圖像相關(guān)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(shù)研究了不同溫度下混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化衍化情況;Wang等[10]通過實驗和分析研究了高溫產(chǎn)生的損傷對十字形鋼筋混凝土(steel reinforced concrete,SRC)柱的力學(xué)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(jié)構(gòu)損傷變化規(guī)律;Meng等[12]研究了高溫對完全再生混凝土的力學(xué)性能的影響和損傷規(guī)律;綜上所述,混凝土損傷表征既可采用質(zhì)量損失、抗壓強度、抗拉強度等宏觀參數(shù),也可采用孔隙等細(xì)觀參數(shù);Xu等[13]通過對溫度的改變,研究了高溫產(chǎn)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?zé)崴淼赖臏囟确植迹ㄟ^力學(xué)和壓汞測孔(mercury intrusion porosimetry,MIP)試驗,研究了不同溫度熱干環(huán)境下噴射混凝土的力學(xué)性能和孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷特點,發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,抗壓強度在衰減,孔隙率增加;而現(xiàn)有研究中多數(shù)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(guān)于不同溫度下的噴射混凝土宏細(xì)觀損傷特征研究報告相對較少。

        有鑒于此,在現(xiàn)有研究成果[16]的基礎(chǔ)上,現(xiàn)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(shù),以三維孔隙體積比為其細(xì)觀損傷表征參數(shù),針對不同溫度條件下的噴射混凝土開展室內(nèi)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(guī)律,進(jìn)而揭示不同溫度條件下噴射混凝土的宏細(xì)觀損傷演化特征。以期為保障高地溫環(huán)境下隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性提供依據(jù)。

        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(jù)新疆齊熱哈塔爾高地?zé)嵋矶匆r砌結(jié)構(gòu)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(huán)境,采用自主設(shè)計的高地溫隧洞模擬試驗系統(tǒng)[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(nèi)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(tǒng)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(shù)(平均波速)為媒介獲取材料內(nèi)部先關(guān)信息,且通常采用縱波的傳播來檢測材料的損傷,材料內(nèi)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(tài)下材料的聲波波速,m/s;D為材料的損傷變量。

        根據(jù)上述超聲波表征損傷變量方法,考慮到現(xiàn)場復(fù)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(xiàn)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(zhǔn),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(zhǔn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)分布特征[19]。借助河北工程大學(xué)醫(yī)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(jìn)行分層掃描成像,再利用三維重構(gòu)技術(shù),獲得不同溫度條件下的噴射混凝土孔隙空間分布規(guī)律及三維孔隙比。

        2 高地溫噴射混凝土損傷試驗結(jié)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(guī)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(xiàn)先增大后減小的趨勢,在60 ℃達(dá)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(xué)性能相對最優(yōu)。這種現(xiàn)象主要是由于溫度一方面控制著噴射混凝土的水化反應(yīng),另一方面影響著噴射混凝土內(nèi)部的損傷演化。溫度為60 ℃時拉壓強度達(dá)到峰值點,表明此時溫度對水化反應(yīng)的影響占主導(dǎo)地位,而因溫度變化引發(fā)的噴射混凝土內(nèi)部損傷效應(yīng)影響相對不明顯??梢姡?0 ℃可作為噴射混凝土施工中溫度環(huán)境控制的參考標(biāo)準(zhǔn)。與文獻(xiàn)[20]結(jié)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(xiàn)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(yīng)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(guī)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(nèi)的波速逐漸降低,且圍巖溫度與波速基本呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān);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(guān)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,溫度的升高將導(dǎo)致噴射混凝土內(nèi)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(yù)示著噴射混凝土材料內(nèi)部的損傷程度越嚴(yán)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(jìn)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?qū)隫G studio軟件完成三維重構(gòu),得到不同圍巖溫度條件下噴射混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布特征;最后,根據(jù)VG studio的計算功能對孔隙結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)(孔隙總體積、孔隙率、孔徑等)進(jìn)行統(tǒng)計計算,三維重構(gòu)結(jié)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(guī)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(nèi)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(nèi)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(lián)通,形成較大體積孔隙,如圖8中紅色圈內(nèi)所示,這與噴射混凝土內(nèi)部的孔隙和裂隙的發(fā)育有關(guān),而當(dāng)圍巖溫度升至75 ℃和90 ℃時,噴射混凝土內(nèi)局部孔隙體積增大,甚至可能發(fā)展為原始裂隙或缺陷??梢姡S著圍巖溫度的升高噴射混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量逐漸增多,且單個孔隙體積增大,產(chǎn)生的溫度損傷加劇。

        3 結(jié)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(nèi)部水化效應(yīng)和損傷效應(yīng)共同作用的結(jié)果,60 ℃可作為噴射混凝土施工環(huán)境溫度控制的參考標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)基本呈現(xiàn)線性降低,而相對損傷變量隨著溫度呈現(xiàn)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(nèi)部孔隙的累計體積和體積比逐漸增大,且噴射混凝土內(nèi)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。

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